一種基于負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)延時(shí)移相器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于寬帶相控技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)延時(shí)移相器電路。本發(fā)明實(shí)時(shí)延時(shí)移相器電路為差分結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)差分放大器和一個(gè)可調(diào)諧負(fù)群延時(shí)單元組成。負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)脑?，是利用具有?fù)群延時(shí)特征的電路，將其與常規(guī)的具有正群延時(shí)特征的電路級聯(lián)，從而互相抵消，在一定頻率范圍內(nèi)獲得總體的平坦群延時(shí)特征。通過調(diào)整負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)膹?qiáng)度，可以改變?nèi)貉訒r(shí)的值，從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)時(shí)延時(shí)狀態(tài)的控制。與傳統(tǒng)的開關(guān)式實(shí)時(shí)延時(shí)移相器相比，這種電路為有源差分電路，在信號波長較長的情形下可以有效減小電路尺寸，并且可以降低損耗，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
【專利說明】
-種基于負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)延時(shí)移相器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于寬帶相控技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種實(shí)時(shí)延時(shí)移相器。
【背景技術(shù)】
[0002] 實(shí)時(shí)延時(shí)移相器是寬帶相控陣系統(tǒng)中最重要的一個(gè)特色模塊。相控陣系統(tǒng)中的常 規(guī)移相器，在信號帶寬變大的情形下，由于不同頻率成分延時(shí)不同，會(huì)導(dǎo)致孔徑效應(yīng)的出 現(xiàn)。解決辦法是將移相器設(shè)計(jì)為實(shí)時(shí)延時(shí)移相器，因此其延時(shí)范圍和精度、實(shí)現(xiàn)難度、電路 尺寸等是寬帶相控陣系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提出一種延時(shí)范圍寬、精度高，能夠?qū)θ貉訒r(shí)進(jìn)行控制的實(shí)時(shí) 延時(shí)移相器。
[0004] 首先簡述本發(fā)明，接著描述可調(diào)諧負(fù)群延時(shí)單元及其控制方法與精度，然后具體 說明負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償原理。
[0005] 本發(fā)明提出的實(shí)時(shí)延時(shí)移相器，是基于基于負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)?。具體而言，是指具有 正群延時(shí)特性的放大器，與負(fù)群延時(shí)(NGD)電路串聯(lián)，從而抵消放大器的正群延時(shí)特性，使 電路整體呈現(xiàn)出平坦的群延時(shí)特性，其中，所述的負(fù)群延時(shí)電路在結(jié)構(gòu)上是由電感、電容、 電阻的并聯(lián)組成，參見圖2所示。
[0006] 本發(fā)明提出的基于負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)延時(shí)移相器，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。電路 為差分結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)差分放大器和一個(gè)可調(diào)諧負(fù)群延時(shí)單元；其輸入端是input +和 input-，首先連接到一個(gè)差分放大器，接著連接到可調(diào)諧負(fù)群延時(shí)單元(虛線部分），然后連 接到另一個(gè)差分放大器，最后是電路輸出端OU化Ut+和OU化ut-。兩個(gè)差分放大器為常規(guī)電 路所W未畫出具體結(jié)構(gòu)。兩個(gè)常規(guī)差分放大器具有正群延時(shí)特性，可調(diào)諧負(fù)群延時(shí)單元具 有負(fù)群延時(shí)特性，他們級聯(lián)W后將獲得可調(diào)諧的平坦化群延時(shí)?；谶\(yùn)種"負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償" 的實(shí)時(shí)延時(shí)移相器，在工作原理上區(qū)別于傳統(tǒng)的開關(guān)式實(shí)時(shí)延時(shí)移相器，后者是讓信號通 過不同電長度的信號路徑來實(shí)現(xiàn)。
[0007] 電長度與信號波長相關(guān)，因此對于波長未達(dá)毫米波的電路而言，傳統(tǒng)實(shí)時(shí)延時(shí)移 相器的尺寸過大，運(yùn)一缺點(diǎn)在集成電路設(shè)計(jì)方面尤為明顯。本發(fā)明提出實(shí)時(shí)延時(shí)移相器，不 設(shè)及與波長相關(guān)的不同電長度信號路徑，因此具有尺寸較小的優(yōu)點(diǎn)。由于電路中需要放大 器來完成負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償，提供了一定增益，所W具有損耗較小的優(yōu)點(diǎn)。
[0008] 負(fù)群延時(shí)單元的原理如圖2所示，運(yùn)是由電容C、電阻R、電感L組成的并聯(lián)諧振腔， 輸入端input和輸出端OU化Ut分別位于兩側(cè)。使用時(shí)與上下級電路串聯(lián)，該單元會(huì)展現(xiàn)出負(fù) 群延時(shí)特性。
[0009] 本發(fā)明提出的可調(diào)諧負(fù)群延時(shí)單元(如圖1中的虛線部分所示），具體可由固定電 阻R、M0S管Ml和M2、可變電容Cvar、固定電容CU固定電感L組成（即固定電阻R，M0S管M1，M0S 管M2,可變電容Cvar和固定電容Cl(運(yùn)兩者串聯(lián)），固定電感L依次并聯(lián)）dM0S管Ml和M2具有 可變電阻的特性，其控制電壓分別為NGDRESI和NGDRES2 ;可變電容Cvar的控制電壓為 NGDCAP，施加在可變電容Cvar、固定電容Cl之間。
[0010] 等效電容是通過固定電容與可變電容串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)的，兩種電容的取值可W決定總 體等效電容的容值變化范圍和變?nèi)菥取２煌訒r(shí)狀態(tài)下負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)闹型?、頻點(diǎn)可能偏 移，運(yùn)可W通過調(diào)節(jié)可變電容的控制電壓來解決。其表達(dá)式為：
其中，Ceqn為等效電容，Ccst為固定電容的容值，Cvar為可變電容的容值，Cmax和Cmin 分別為可變電容的最大值和最小值，x=v/l. 2定義為可變電容控制電壓V與其電壓控制范圍 (0-1.2V)的比值。
[0011] Wx=UO代入，可W得到等效電容的最大和最小容值為：
可見固定電容的串聯(lián)作用使得等效電容的最大和最小容值降低了。等效電容的變?nèi)莘?圍為：
相比可變電容的變?nèi)莘秶鶦max-Cmin，等效電容的變?nèi)莘秶步档土恕＿\(yùn)種情況下，相 同的控制電壓變化將導(dǎo)致更小的等效電容變化，換句話說控制精度相應(yīng)提高，控制精度是 由變?nèi)莘秶鷽Q定的。因此，根據(jù)電路設(shè)計(jì)所需要的最大容值、最小容值、變?nèi)菥?，可W確定 出可變電容、定值電容的取值。
[0012] 等效電阻是通過線性區(qū)MOS管實(shí)現(xiàn)的，如圖1中Ml、M2所示。由于直流被電感短路， 所WMOS管工作在線性區(qū)，改變其偏置電壓來獲得不同的等效電阻。與定值電阻并聯(lián)后，兩 者的巧估化吿總化望滿由陽的陽估巧化茄雨巧變阻精度。等效電阻表達(dá)式為；
其中，y是遷移率，Cox是單位面積柵氧化層電容，W/L是MOS管寬長比，Vgs是柵極到源極 電壓，Vth是闊值電壓，Vgt是過驅(qū)動(dòng)電壓，k用來概括公式中除電壓W外的常數(shù)。該式表明控 制電巧臺(tái)尊泌由陽成巧比羊系?？?、由陽尊干商宙由陽與兩個(gè)等效電阻的并聯(lián)，其表達(dá)式為：
其中，Reqn是總電阻，Rest是固定電阻，公式中包含兩個(gè)用線性區(qū)MOS管等效的電阻Rml 和Rm2,他們與各自的控制電壓成比例關(guān)系，比例系數(shù)分別為kl和k2。運(yùn)表明總電阻最大值 是Rest,最小值在兩個(gè)MOS管控制電壓都達(dá)到最大時(shí)取得。利用總電阻的跨導(dǎo)形式：
假設(shè)MOS管M2不變，得到總跨導(dǎo)和總電阻的變化量：
MOS管Ml也作類似分析。運(yùn)表明總電阻的控制精度與控制電壓的變化量成反比關(guān)系。
[0013] 現(xiàn)在可W用總等效電阻、總等效電容和固定電感來分析負(fù)群延時(shí)單元的特性。對 于串聯(lián)支路形式的電感、電容、電阻電路，寫出其導(dǎo)納表達(dá)式：
其中，Lcst是固定電感。如果設(shè)定了系統(tǒng)參考阻抗Z0(-般為50歐)或與之對應(yīng)的參考 導(dǎo)納Y0,就可W通過散射矩陣與阻抗導(dǎo)納的變換公式得到負(fù)群延時(shí)單元的傳輸特性：
進(jìn)一步得到傳輸特性的相位特性：
可W看到在IX諧振點(diǎn)，相位為零。在諧振點(diǎn)兩側(cè)的頻段內(nèi)，相位變化將呈現(xiàn)等值反號的 特征，因此W諧振點(diǎn)群延時(shí)為基準(zhǔn)，比它小的群延時(shí)將被增大，比它大的群延時(shí)將被減小， 從而形成一定頻段內(nèi)的平坦群延時(shí)。
[0014] 圖3W25-G化頻段附近為例，定性示意了負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)男ЧＦ渲校╝)表示在頻 段內(nèi)具有負(fù)群延時(shí)特性的電路，曲線上揚(yáng)即表示群延時(shí)為負(fù)；（b)表示常規(guī)高頻放大器的群 延時(shí)特性，曲線下降即表示群延時(shí)為正；（C)表示a、b兩個(gè)單元串聯(lián)后的補(bǔ)償效果，從全頻段 來看仍是下降的，然而在25-G化頻段附近呈現(xiàn)出近似斜線的下降趨勢，在運(yùn)一頻段將曲線 向頻率零點(diǎn)方向外推，會(huì)看到相位特性曲線交于零點(diǎn)，表明在25-G化頻段附近實(shí)現(xiàn)了恒定 群延時(shí)。
[0015] 上文已經(jīng)說明了負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)脑?。在使用中，總等效電阻很大，?dǎo)致信號大部 分從電感和電容通過時(shí)，負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)男Ч軓?qiáng);總等效電阻很小，導(dǎo)致信號大部分從電 阻通過時(shí)，負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)男Ч苋?。根?jù)運(yùn)一現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)了對群延時(shí)的控制。運(yùn)一調(diào)諧作用 是通過改變總等效電阻和總等效電容來實(shí)現(xiàn)的，前面已經(jīng)分析過它們的控制方法和精度。
[0016] 本發(fā)明的突出改進(jìn)方面在于，有效降低了實(shí)時(shí)延時(shí)移相器的電路尺寸。傳統(tǒng)實(shí)時(shí) 延時(shí)移相器需要讓信號通過與波長相關(guān)的真實(shí)物理延時(shí)線，在毫米波頻段附近及更低頻段 內(nèi)波長仍然達(dá)到十毫米量級，對于集成電路而言運(yùn)是過大的尺寸。另一方面，本發(fā)明的電路 集成有輔助放大器，再加上尺寸小也能有效降低實(shí)時(shí)延時(shí)移相器的損耗，運(yùn)是本發(fā)明的優(yōu) 勢之處。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明提出的實(shí)時(shí)延時(shí)移相器結(jié)構(gòu)圖，其中放大器為常規(guī)結(jié)構(gòu)，故未畫出。
[0018] 圖2為本發(fā)明所使用的負(fù)群延時(shí)單元原理圖。
[0019] 圖3為負(fù)群延時(shí)單元與正群延時(shí)單元串聯(lián)之后，實(shí)現(xiàn)負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償效果的過程說 明。
[0020] 圖4將該方法用在24.25-26.65-G化頻段內(nèi)的實(shí)時(shí)延時(shí)移相器，版圖后仿真結(jié)果 證明了 11個(gè)狀態(tài)的群延時(shí)控制功能。群延時(shí)變化范圍達(dá)到17-ps，帶內(nèi)各狀態(tài)的群延時(shí)抖動(dòng) 最大為2-ps。
[0021] 圖5是圖4的電路的群延時(shí)后仿真結(jié)果。
[0022] 圖6是圖4的電路的S21后仿真結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 本發(fā)明基于負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)脑?，通過正群延時(shí)單元與負(fù)群延時(shí)單元的串聯(lián)，實(shí) 現(xiàn)相互抵消從而在一定頻段內(nèi)獲得平坦的群延時(shí)特性，運(yùn)一過程如圖3所示。通過調(diào)諧等效 電阻和等效電容，控制了負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)了不同的群延時(shí)狀態(tài)，達(dá)到實(shí)時(shí)延時(shí) 移相器的功能。
[0024] 圖4是一個(gè)基于負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)延時(shí)移相器設(shè)計(jì)實(shí)例，工作頻段為24.25- 26.65-G化，采用TSMC-65nm CMOS-LP工藝。圖中已經(jīng)標(biāo)注了兩個(gè)放大器W及中間負(fù)群延時(shí) 單元的MOS管尺寸W及無源器件值。該電路的PCB、bonding-wire、matching等與核屯噸路無 關(guān)的輔助部分未畫出，改變NGDRES1、NGDRES2、NGDCAP等控制電壓的值可W獲得12組延時(shí)狀 態(tài)。圖5是該電路的群延時(shí)后仿真結(jié)果，12組狀態(tài)可W實(shí)現(xiàn)最大17-PS的相對延時(shí)(群延時(shí)狀 態(tài)之差），且相對延時(shí)精度最低達(dá)到1.5-PS，在24.25-26.65-G監(jiān)頻段內(nèi)相對延時(shí)及群延時(shí) 相對平坦，最大抖動(dòng)2-PS左右。圖6是該電路的S21后仿真結(jié)果，可W看到由于串聯(lián)放大器的 加入，所有狀態(tài)的損耗不超過-7.5地。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)延時(shí)移相器，其特征在于，電路為差分結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè) 差分放大器和一個(gè)可調(diào)諧負(fù)群延時(shí)單元;其輸入端是input-和input-，與第一差分放大器 連接，第一差分放大器與可調(diào)諧負(fù)群延時(shí)單元連接，可調(diào)諧負(fù)群延時(shí)單元輸出與第二差分 放大器連接，最后是電路輸出端output-和output-;所述可調(diào)諧負(fù)群延時(shí)單元由電感、電 容、電阻的并聯(lián)組成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)群延時(shí)補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)延時(shí)移相器，其特征在于，所述可調(diào) 諧負(fù)群延時(shí)單元，具體由固定電阻R、2個(gè)M0S管Ml和M2、可變電容Cvar、固定電容C1、固定電 感L組成；2個(gè)M0S管Ml和M2具有可變電阻的特性，其控制電壓分別為NGDRES1和NGDRES2;可 變電容Cvar的控制電壓為NGDCAP，施加在可變電容Cvar、固定電容C1之間。
【文檔編號】H03H11/20GK105978531SQ201610298226
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月9日
【發(fā)明人】李巍, 何淶
【申請人】復(fù)旦大學(xué)