CN108649922A - 一种温度补偿型移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温度补偿型移相器，包括温度检测单元，移相单元和可调器件单元，其中移相器单元输入端口连接射频输入端口，移相单元输入/输出端口连接可调器件单元输出/输入端口，移相单元输出端连接射频输出端口；温度检测单元输入端口连接电压/电流源信号输入端口，温度检测单元输出端口连接可调器件单元输入端口，温度检测单元输出控制信号，可调器件单元改变对射频信号的处理并反馈至移相器单元，移相单元综合处理射频输入信号和可调器件单元反馈信号后，输出射频信号。优点：1）对整个移相器的温度特性进行补偿，实现从‑55至125℃甚至更宽温度范围内的稳定移相特性。2）可单片集成，亦可采用分立器件搭建，应用灵活，成本较低。

Description

一种温度补偿型移相器
技术领域
本发明是一种温度补偿型移相器，属于集成电路技术领域。
背景技术
从 60 年代第一部相控阵雷达研究成功以来,相控阵天线已经广泛应用于雷达、对抗、通讯、敌我识别和探测等领域,目前各功能雷达均已采用相控阵技术，因为只有相控阵天线才能使单个雷达同时具有全固态、电扫描、多目标、多功能、作用距离大、作用时间短等各种战术要求所需要的优良性能。同时随着5G通信的到来，相控阵技术作为其关键技术，其使用将越来越广泛。移相器作为相控阵天线的核心器件，其性能对整个***起着决定性作用，因此对移相器性能优化的研究具有广阔的市场前景和应用价值。同时，雷达应用环境温度变化剧烈，本发明可以有效解决温度变化对移相器性能的影响，提高雷达在温度跨度较大环境下工作时的精度。
传统的移相器电路结构如图1（a）所示，该电路由晶体管M1、M2、M3，电感L1、L2、L3组成。晶体管M1、M2、M3均工作在开关模式，Ven为高和低时的等效电路分别如图1（b）和图1（c）所示，图中Coff2和Coff3分别为晶体管M2和M3关态下的等效电容，通过两种工作模式的差别，实现信号的移相功能。
传统的移相器电路结构具有以下缺点：1）传统的移相器由无源器件构成，晶体管工作在开关模式，温度对性能影响较大时，无法对温度影响进行补偿，不适合在高精以及温度范围变化较大的情况下应用。
发明内容
本发明提出的是一种温度补偿型移相器，其目的是为克服传统移相器电路中存在的当晶体管工作在开关模式，温度对性能影响较大时，无法对温度影响进行补偿，不适合在高精以及温度范围变化较大的情况下应用不足的缺陷，提供一种移相性能在工作温度跨度较大时保持恒定的温度补偿型移相器。
本发明的技术解决方案：一种温度补偿型移相器，包括温度检测单元，移相单元和可调器件单元，其中移相器单元的输入端连接至射频输入端口，移相单元的输入/输出端口（a）连接至可调器件单元的输出/输入端口（b），移相单元的输出端连接射频输出端口；温度检测单元输入端口连接电压/电流源信号输入端口，温度检测单元的输出端口连接可调器件单元的输入端口（c），温度检测单元根据工作温度通过输出端口输出控制信号至可调器件单元，可调器件单元根据温度检测单元输出的控制信号，调整自身参数，改变对射频信号的处理，并通过输出/输入端口反馈至移相器单元，移相单元综合处理射频输入信号和可调器件单元反馈信号后，输出射频信号至射频输出端口。
本发明的有益效果：
1）利用温度检测单元输出与温度相关的控制电压，该电压控制可调器件单元的特性，从而对整个移相器的温度特性进行补偿，可以实现从-55至125℃甚至更宽温度范围内的稳定移相特性。
2）可采用RF CMOS、GaN，GaAs、BiCMOS、SOI等多种工艺实现，可单片集成，亦可采用分立器件搭建，应用灵活，成本较低。
附图说明
附图1是传统的移相器电路原理图。
附图2是温度补偿型移相器电路方框图。
附图3是温度补偿型移相器电路原理图。
附图4是采用传统电路和温度补偿型电路实现的45°移相器温度性能比较图。
图中M1、M2、M3、M4 、P1和P2是晶体管、R1、R2、R3和R4是电阻、L1、L2和L3是电感、VC1是压控电容、C1是隔直电容、D1是二极管、VDD是电源端、Ven、Venf是控制信号端口、RFin是射频输入端口、RFou是射频输出端口、Iref是电流源信号输入端口、Vref是电压源信号输入端口，coff1、 coff2、 coff3是晶体管M1、M2和M3的关态等效电容。
具体实施方式
一种温度补偿型移相器，包括温度检测单元，移相单元和可调器件单元，其中移相器单元的输入端连接至射频输入端口，移相单元的输入/输出端口（a）连接至可调器件单元的输出/输入端口（b），移相单元的输出端连接射频输出端口；温度检测单元输入端口连接电压/电流源信号输入端口，温度检测单元的输出端口连接可调器件单元的输入端口（c），温度检测单元根据工作温度通过输出端口输出控制信号至可调器件单元，可调器件单元根据温度检测单元输出的控制信号，调整自身参数，改变对射频信号的处理，并通过输出/输入端口反馈至移相器单元，移相单元综合处理射频输入信号和可调器件单元反馈信号后，输出射频信号至射频输出端口。
移相单元包括三个晶体管：M1晶体管、M2晶体管和M3晶体管，三个电阻：R1电阻、R2电阻和R3电阻，以及三个电感：L1电感、L2电感和L3电感；其中M1晶体管的栅极和R1电阻的A端连接，M1晶体管的源极和L1电感的A端连接同时连接射频输入端口，M1晶体管的漏极与L2电感的A端连接同时连接至输出端口，R1电阻的B端连接至控制信号Ven，L1电感的B端与L2电感的B端相连，同时与M2晶体管的漏极相连；M2晶体管的栅极与R2电阻的A端相连，M2晶体管的源极与M3晶体管的漏极相连，同时与L3电感的A端、可调器件单元输出/输入端口（b）相连，R2电阻的B端与控制信号Ven相连；M3晶体管的栅极与R3电阻的A端相连，M3晶体管的源极接地；R3电阻的B端与控制电压Venf相连；电感L3的B端接地。
移相单元中的M1晶体管、M2晶体管和M3晶体管为NMOS管。
可调器件单元包括一个VC1压控电容和C1隔直电容；VC1压控电容的A端与C1隔直电容的A端相连，同时连到可调器件单元的输入端口（c），VC1压控电容的B端接地；C1隔直电容的B端与可调器件单元的输出/输入端口（b）相连。
所述的温度检测单元包括三个晶体管：M4晶体管、P1晶体管和P2晶体管，R4电阻和D1二极管；P1晶体管源极与VDD电源端相连，P1晶体管的栅极与P2晶体管的栅极以及P1晶体管的漏极相连，P1晶体管的漏极还与M4晶体管的漏极相连；P2晶体管的源极与VDD电源端相连，P2晶体管的漏极与R4电阻的A端相连，同时与可调器件单元的输入端口（c）相连；R4电阻的B端与地相连；M4晶体管的栅极与D1二极管的正极相连，M4晶体管的源极与地相连；D1二极管的负极接地。
所述的温度检测单元中M4晶体管为NMOS管，P1晶体管和P2晶体管为PMOS管。
其工作方法为：所述的Ven控制信号端口和Venf控制信号端口输出的信号是一对反相控制信号，M1晶体管、M2晶体管、M3晶体管工作在开关模式，M4晶体管为电流源，P1晶体管、P2晶体管工作在电流镜模式，当Ven控制信号端口为低电平时，M1晶体管、M2晶体管关闭，M3晶体管导通，电路工作参考状态；当Ven控制信号端口为高电平时，M1晶体管、M2晶体管打开，M3晶体管关闭（等效成关态电容Coff3），此时Coff3、L3电感和VC1压控电容组成并联谐振电路，VC1压控电容将谐振电路的温度特性调整为所需值，来补偿整个移相器的温度变化，使移相器从-55至125℃甚至更宽温度范围内的移相特性恒定。
下面结合附图对本发明技术方案进一步说明
如图2所示，一种温度补偿型移相器，其结构包括温度检测单元，移相单元和可调器件单元，其中移相器单元的输入端连接至射频输入端口，移相单元端口a连接至可调器件单元的端口b，移相单元的输出端连接射频输出端口；温度检测单元输入端口连接电压/电流源信号输入端口，温度检测单元的输出端口连接至可调器件单元的输入端口c，温度检测单元根据工作温度通过输出端口输出控制信号至可调器件单元；可调器件单元的一个端口c连接至温度检测单元的输出端，另一个端口b连接至移相器单元端口a，可调器件单元根据温度检测单元输出的控制信号，调整自身参数，改变对射频信号的处理，并通过端口b反馈至移相器单元，移相单元综合处理射频输入信号和可调器件单元反馈信号后，输出射频信号至射频输出端口。
如图3所示，所述的移相单元包括三个晶体管M1、M2和M3，三个电阻R1、R2和R3以及三个电感L1、L2和L3。其中晶体管第一个晶体管M1的栅极和电阻R1的一端连接，M1的源极和电感L1的一端连接同时连到射频输入端口，M1的漏极与电感L2的一端连接同时连接至输出端口，电阻R1的另一端连接至控制信号Ven，电感L1的另一端与电感L2的另一端相连，同时与第二个晶体管M2的漏极相连。第二个晶体管M2的栅极与电阻R2的一端相连，M2的源极与第三个晶体管M3的漏极相连，同时与电感L3的一端、可调器件单元端口b相连，电阻R2的另一端连接至控制信号Ven；第三个晶体管M3的栅极与电阻R3的一端相连，M3的源极接地；电阻R3的栅极与控制电压Venf相连；电感L3的另一端接地。
所述的可调器件单元包括一个压控电容VC1和隔直电容C1；压控电容VC1的一端与隔直电容C1一端相连，同时连到端口c，另一端接地；隔直电容C1的另一端与端口b相连。
所述的温度检测单元包括一个NMOS管M4、两个PMOS管P1和P2，电阻R4和二极管D1。第一个PMOS管P1源极与电源端VDD向连，P1的栅极与第二个PMOS管P2的栅极以及P1的漏极相连，P1的漏极还与M4的漏极相连；第二个PMOS管P2的源极与电源端VDD相连，P2的漏极与电阻R4的一端相连，同时与可调器件单元的端口c相连；电阻R4的另一端与地相连；第四个NMOS管M4的栅极与二极管D1的正极相连，M4的源极与地相连；二极管D1的负极接地。
所述的Ven控制信号端口和Venf控制信号端口输出的信号是一对反相控制信号。晶体管M1、M2、M3工作在开关模式，M4为电流源，P1、P2工作在电流镜模式。当Ven为低电平时，第一个NMOS管（M1）、第二个NMOS管（M2）关闭（等效为关态电容Coff1、Coff2），第三个NMOS管（M3）导通，电路工作参考状态；当Ven为高电平时，第一个NMOS管（M1）、第二个NMOS管（M2）打开，第三个NMOS管（M3）关闭（等效为关态电容Coff3），此时Coff3、L3和VC1（C1为隔直电容，工作时忽略）组成了并联谐振电路。温度检测单元采用电流源输入，此电流源可以采用正温度系数、负温度系数或者零温度系数的电流，根据实际需要来进行确定。本例中采用正温度系数的电流，同时采用电压具有正温度系数的二极管作为负载来产生正温度系数的电压，这个电压作用于M4以产生正温度系数的电流，电流镜P1和P2将此电流放大N（N可调，根据实际情况）倍，然后流过负载电阻R4，产生压控电容VC1的控制电压，VC1根据控制电压调整电容值，补偿移相器的温度特性，使得移相器在很大的温度跨度范围内均能实现恒定的移相性能。
如图4所示，给出了采用传统的和本发明的移相器电路在-55℃至125℃范围内的移相性能比较，从图中看出，两个移相器实现的均是45°移相功能，在-55℃至125℃范围内，传统的移相器移相度数改变了1.5°，而7位移相器的步长仅为2.8°，1.5°的变化很容易造成不同移相状态之间的交错，影响相控阵天线的性能，采用本发明的移相器在-55℃至125℃温度范围内仅变化了0.03°，解决了传统移相器性能随温度变化的问题，进而改善相控阵天线的温度性能。因此本发明具有广阔的市场前景和应用价值。

Claims (7)

1.一种温度补偿型移相器，其特征是包括温度检测单元，移相单元和可调器件单元，其中移相器单元的输入端口连接至射频输入端口，移相单元的输入/输出端口（a）连接至可调器件单元的输出/输入端口（b），移相单元的输出端连接射频输出端口；温度检测单元输入端口连接电压/电流源信号输入端口，温度检测单元的输出端口连接可调器件单元的输入端口（c），温度检测单元根据工作温度通过输出端口输出控制信号至可调器件单元，可调器件单元根据温度检测单元输出的控制信号，调整自身参数，改变对射频信号的处理，并通过输出/输入端口反馈至移相器单元，移相单元综合处理射频输入信号和可调器件单元反馈信号后，输出射频信号至射频输出端口。
2.根据权利要求1所述的一种温度补偿型移相器，其特征是所述的移相单元包括三个晶体管：M1晶体管、M2晶体管和M3晶体管，三个电阻：R1电阻、R2电阻和R3电阻，以及三个电感：L1电感、L2电感和L3电感；其中M1晶体管的栅极和R1电阻的A端连接，M1晶体管的源极和L1电感的A端连接同时连接射频输入端口，M1晶体管的漏极与L2电感的A端连接同时连接至输出端口，R1电阻的B端连接至Ven控制信号端，L1电感的B端与L2电感的B端相连，同时与M2晶体管的漏极相连；M2晶体管的栅极与R2电阻的A端相连，M2晶体管的源极与M3晶体管的漏极相连，同时与L3电感的A端、可调器件单元输出/输入端口（b）相连，R2电阻的B端与B控制信号端相连；M3晶体管的栅极与R3电阻的A端相连，M3晶体管的源极接地；R3电阻的B端与Venf控制电压端相连；L3电感的B端接地。
3.根据权利要求2所述的一种温度补偿型移相器，其特征是所述的移相单元中的M1晶体管、M2晶体管和M3晶体管为NMOS管。
4.根据权利要求1所述的一种温度补偿型移相器，其特征是所述的可调器件单元包括一个VC1压控电容和C1隔直电容；VC1压控电容的A端与C1隔直电容的A端相连，同时连到可调器件单元的输入端口（c），VC1压控电容的B端接地；C1隔直电容的B端与可调器件单元的输出/输入端口（b）相连。
5.根据权利要求1所述的一种温度补偿型移相器，其特征是所述的温度检测单元包括三个晶体管：M4晶体管、P1晶体管和P2晶体管，R4电阻和D1二极管；P1晶体管源极与VDD电源端相连，P1晶体管的栅极与P2晶体管的栅极以及P1晶体管的漏极相连，P1晶体管的漏极还与M4晶体管的漏极相连；P2晶体管的源极与VDD电源端相连，P2晶体管的漏极与R4电阻的A端相连，同时与可调器件单元的输入端口（c）相连；R4电阻的B端与地相连；M4晶体管的栅极与D1二极管的正极相连，M4晶体管的源极与地相连；D1二极管的负极接地。
6.根据权利要求5所述的一种温度补偿型移相器，其特征是所述的温度检测单元中M4晶体管为NMOS管，P1晶体管和P2晶体管为PMOS管。
7.如权利要求1所述的一种温度补偿型移相器的工作方法，其特征在于所述的Ven控制信号端口和Venf控制信号端口输出的信号是一对反相控制信号，M1晶体管、M2晶体管、M3晶体管工作在开关模式，M4晶体管为电流源，P1晶体管、P2晶体管工作在电流镜模式，当Ven控制信号端口为低电平时，M1晶体管、M2晶体管关闭，M3晶体管导通，电路工作参考状态；当Ven控制信号端口为高电平时，M1晶体管、M2晶体管打开，M3晶体管关闭等效为关态电容，此时M3晶体管、L3电感和VC1压控电容组成并联谐振电路，C1隔直电容为隔直电容，工作时忽略，VC1压控电容将谐振电路的温度特性调整为所需值，来补偿整个移相器性能的温度变化，使移相器从-55至125℃的温度范围内的移相特性恒定。
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