CN109687840A - 低损耗小型化硅基数控衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了低损耗小型化硅基数控衰减器，属于基本电子电路的技术领域。该数控衰减器包括：输入端口、输出端口、共用大位衰减模块、小位衰减模块，通过电平控制电路向共用大位衰减模块提供不同的电平控制开关管芯的导通程度来实现不同的衰减量，小衰减量位采用传统T型或者π型衰减模块实现，共用大位衰减模块、小位衰减模块由各自对应的控制端选择不同的衰减量。本发明公开的数控衰减器使用一个共用大位衰减模块实现了传统衰减器两位或者三位大位衰减单元的功能，具有插损小、尺寸小的优势。

Description

低损耗小型化硅基数控衰减器

技术领域

本发明公开了低损耗小型化硅基数控衰减器，属于基本电子电路的技术领域。

背景技术

在电子通讯***中，数控衰减器作为信号幅度的控制元件，主要用于具有增益设定和控制功能的微波通信***，如相控阵***、空间通信收发机***。

数控衰减器的技术指标主要有：工作频带、***损耗、衰减量、衰减精度、电压驻波比、附加相移、功率容量等。传统数控衰减器一般根据衰减范围与步进决定衰减位数，不同的衰减量位采用T型、π型、桥T型、开关选择型等衰减结构的组合设计，最终的插损值为各个衰减位插损值的叠加，最终芯片的面积是各个衰减位面积的总和。一般地，大衰减位所使用的结构会占用更大的芯片面积，同时产生更大的插损。

硅基工艺可以实现微波电路与数字电路的高度集成，使得较为复杂的电平控制电路可以与微波电路的设计相辅相成，有利于实现性能更优的微波电路。本发明旨在通过基于硅基的微波单片集成电路实现一款损耗低且尺寸小的数控衰减器。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了低损耗小型化硅基数控衰减器，采用反射式衰减模块实现共用大位衰减模块电路，通过调节产生共用大位衰减模块控制电平的控制指令实现了多种衰减状态，减少了大位衰减模块的使用，同时保持了传统小位衰减模块尺寸小、插损小的优点，解决了现有数控衰减器尺寸大且插损大的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

低损耗小型化硅基数控衰减器，包括：输入端口、输出端口、共用大位衰减模块、小位衰减模块、共用大位衰减模块通过其控制端接收电平控制电路发送的控制电平，小位衰减模块通过其控制端接收其控制电路发送的指令，电平控制电路和各小位衰减模块的控制电路相互独立且与共用大位衰减模块、各小位衰减模块一同设计在硅基芯片上。其中，共用大位衰减模块使用的是反射式衰减结构，由输入端口、输出端口、传输线、Lange耦合器、电阻、开关管芯、电抗元件构成；电平控制电路由并口控制端、数字编码器、DAC构成；小位衰减模块使用的是T型或者π型或衰减模块，由输入端口、输出端口、电阻、开关管芯、传输线构成。

作为本发明低损耗小型化硅基数控衰减器的一种改进，依据数控衰减器的步进与衰减范围决定使用一个或者两个共用大位衰减模块。

作为本发明的又一种改进，共用大位衰减模块可实现四种衰减态替换两个传统大位衰减结构，或，实现八种衰减态来替换三个传统大位衰减结构。

作为本发明的更进一步改进，共用大位衰减模块和小位衰减模块中的开关管芯可由HBT管芯、MOS管芯、PIN管芯实现。

作为本发明的更进一步改进，共用大位衰减模块中Lange耦合器的实现方式包括平面结构与立体结构，电路形式分为折叠交指型Lange耦合器和非折叠交指型Lange耦合器，立体结构的Lange耦合器有利于数控衰减器的小型化设计。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明提出了低损耗小型化硅基数控衰减器，通过调节电平控制电路的并口控制端输出不同的电平调节共用大位衰减模块中开关管芯的导通程度进而实现多种衰减态，从而用一个共用大位衰减模块替换了两个或者三个传统衰减模块，明显缩减了传统数控衰减器的***损耗与尺寸；使用传统结构设计小位衰减模块，保留其尺寸小、插损小的优势。

附图说明

图1为本发明实施例1所示数控衰减器的电路结构框图。

图2为本发明共用大位衰减模块的电路拓扑图。

图3为本发明电平控制电路的原理框图。

图4(a)为T型衰减模块的电路拓扑图，图4(b)为π型衰减模块的电路拓扑图。

图5为本发明实施例2所示数控衰减器的电路结构框图。

图6为本发明实施例3所示数控衰减器的电路结构框图。

图7为本发明公开的数控衰减器的电路结构框图。

图中标号说明：TL1为第一微带线、TL2为第二微带线、TL3为第三微带线、TL4为第四微带线、T1为第一HBT管芯、T2为第二HBT管芯、Rb1为第一偏置电阻、Rb2为第二偏置电阻、R1为第一电阻、R2为第二电阻、X1为第一电抗元件、X2为第二电抗元件。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明申请文件之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请权利要求所限定的范围。

本发明公开的低损耗小型化硅基数控衰减器如图7所示，包括：输入端与输入端口连接的共用大位衰减模块1，首部与共用大位衰减模块1输出端连接的小位衰减模块串，及输入端与小位衰减模块串末端连接的共用大位衰减模块2，共用大位衰减模块2的输出端接输出端口，共用大位衰减模块1通过控制端口1接收其电平控制电路发送的控制电平，小位衰减模块1通过控制端口2接收其控制电路发送的指令，小位衰减模块N-2通过控制端口N-1接收其控制电路发送的指令，共用大位衰减模块2通过控制端口N接收其电平控制电路发送的控制电平，各电平控制电路与各小位衰减模块的控制电路相互独立且与各共用大位衰减模块及各小位衰减模块一同设计在硅基芯片上。本申请依据数控衰减器的步进与衰减范围决定使用一个或者两个共用大位衰减模块。选用两个共用大位衰减模块时，两个共用大位衰减模块串接在衰减通道的首端和末端；选用一个共用大位衰减模块时，共用大位衰减模块串接在衰减通道的首端。

实施例1：选用如图1所示的一个共用大位衰减模块和三个小位衰减模块组成的衰减通道实现衰减步进为0.5dB、衰减范围为0～15.5dB的5位数控衰减器，两个大位衰减单元4dB和8dB用同一个共用大位衰减模块1，0.5dB、1dB和2dB三个小位衰减单元采用合适的小位衰减模块实现，电平控制电路将其并口控制端接收的控制信号转为2bit并码后再转换为4种控制电平，共用大位衰减模块在4种控制电平的作用下实现0/4dB/8 dB /12 dB四种衰减状态，每个小位衰减模块采用常规设计方案即可实现0.5dB、1dB和2dB衰减状态。

共用大位衰减模块1的电路通过如图2所示的反射式衰减器实现，由信号输入端RFin、信号输出端RFout、第一微带线TL1、第二微带线TL2、第三微带线TL3、第四微带线TL4、第一HBT管芯T1、第二HBT管芯T2、Lange耦合器、第一偏置电阻Rb1、第二偏置电阻Rb2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电抗元件X1、第二电抗元件X2以及接地端组成。信号输入端口RFin和输出端口RFout分别连接第一微带线TL1和第二微带线TL2的一端，第一微带线TL1的另一端连接Lange耦合器的输入端口，第二微带线TL2的另一端连接Lange耦合器的隔离端口；第三微带线TL3的一端接Lange耦合器的耦合端口，第三微带线TL3的另一端与第一HBT管芯T1的集电极、第一电抗元件X1的一端相连接，第一HBT管芯T1的发射极接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端接至接地端，第一电抗元件X1的另一端接至接地端；第四微带线TL4的一端接Lange耦合器的直通端口，第四微带线TL4的另一端与第二HBT管芯T2的集电极、第二电抗元件X2的一端相连接，第二HBT管芯T2的发射极接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端接至接地端，第二电抗元件X2的另一端接至接地端，第一HBT管芯T1和第二HBT管芯T2的基极分别经第一偏置电阻Rb1和第二偏置电阻Rb2连接至控制端口1，电平控制电路输出的控制电平Vc1控制第一HBT管芯T1和第二HBT管芯的通断程度。第一HBT管芯T1和第二HBT管芯T2关断时，微波信号由参考态网络通过；第一HBT管芯T1和第二HBT管芯T2导通时，微波电平经衰减态网络进行幅度衰减；两种状态的插损差值即为衰减量。

共用大位衰减模块1的电平控制电路如图3所示，由并口控制端、数字编码器、DAC构成，并口控制端接入的控制指令为n bit并码，并码有2ⁿ种, n为共用的大位个数，数字编码器检测并口控制端接入的n bit并码，DAC对n bit并码进行数模转换得到共用大位衰减模块的控制电平Vc1，Vc1是以50mV步进在0～2V范围内变化的控制电平。调节电平控制电路并口控制端接入的控制指令可实现不同控制电平的输出，不同控制电平加至第一HBT管芯T1基极和第二HBT管芯T2的基极，调节管芯的导通程度，使共用大位衰减模块实现0dB、4dB、8dB和12dB四种衰减态，也即实现4dB和8dB两个大位衰减单元的共用。

0.5dB、1dB和2dB的衰减单元可采用图4（a）所示的T型衰减拓扑或图4（b）所示的π型衰减拓扑，图4（a）所示的T型衰减拓扑由第三HBT管芯T3、第四HBT管芯T4、第三偏置电阻Rb3、第四偏置电阻Rb4、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第五微带线TL5、第六微带线TL6、第七微带线TL7组成，第三HBT管芯T3基极接控制电平Vc3，第四HBT管芯T4基极接控制电平Vc4。图4（b）所示的π型衰减拓扑由第五HBT管芯T5、第六HBT管芯T6、第七HBT管芯T7、第五偏置电阻Rb5、第六偏置电阻Rb6、第七偏置电阻Rb7、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第八微带线TL8、第九微带线TL9、第十微带线TL10、第十一微带线TL11组成，第五HBT管芯T5接控制电平Vc5，第六HBT管芯T6接控制电平Vc6、第七HBT管芯T7接控制电平Vc7。这两种拓扑为传统数控衰减器的常见结构，在此不再赘述。

实施例2：选用如图5所示的一个共用大位衰减模块和两个小位衰减模块组成的衰减通道实现衰减步进为0.5dB、衰减范围为0～15.5dB的5位数控衰减器，2dB、4dB和8dB三个大位衰减单元用同一个共用大位衰减模块1，0.5dB和1dB的衰减单元则分别采用T型或者π型衰减拓扑实现，共用大位衰减模块1采用图2所示的反射式衰减结构实现，电平控制模块采用图3所示电路实现。调节电平控制电路并口控制端接入的控制指令可实现不同控制电平的输出，不同控制电平调节共用大位衰减模块1中管芯的导通程度，使该共用大位衰减模块实现0dB、2dB、4dB、6dB、8dB、10dB和12dB、14dB八种衰减态。

实施例3：选用图6所示两个共用大位衰减模块和和两个小位衰减模块组成的衰减通道实现衰减步进为0.5dB、衰减范围为0～31.5 dB的数控衰减器，8dB和16dB两个大位衰减单元用同一个共用大位衰减模块1，2dB和4dB两个大位衰减单元用另一个共用大位衰减模块2，0.5dB和1dB的衰减单元则分别采用T型或者π型衰减拓扑，共用大位衰减模块1及共用大位衰减模块2采用图2所示的反射式衰减结构实现，电平控制模块采用图3所示电路实现。调节共用大位衰减模块1和共用大位衰减模块2对应的电平控制电路并口控制端接入的控制指令可输出不同的控制电平，不同的控制电平调节管芯的导通程度，使共用大位衰减模块1实现0dB、8dB、16dB、24dB四种衰减态，共用大位衰减模块2实现0dB、2dB、4dB、6dB四种衰减态。

由上述3个实施例可以看出，相对于通过n个外部控制码控制n个衰减单元实现2ⁿ个衰减态的标准数控衰减器，本发明公开的衰减器可以通过大位衰减单元的共用使用n个外部控制码控制（n-1）个衰减单元或（n-2）个衰减单元或（n-3）个衰减单元实现2ⁿ个衰减态；相比传统数控衰减器，本申请在不改变外部控制码的前提下，对微波电路部分及其控制信号进行改进实现了减小微波电路尺寸与插损的发明目的。

Claims (7)

1.低损耗小型化硅基数控衰减器，其特征在于，包括：

共用大位衰减模块，其输入端接输入端口，其控制端接n bit控制指令对应的控制电平，对输入信号进行步进衰减后输出n bit控制指令对应的衰减信号，

小位衰减模块串，其首端接共用大位衰减模块的输出端，对共用大位衰减模块输出的信号进行小位衰减，其末端与输出端口连接，各小位衰减模块对其输入信号进行小位衰减，及，

电平控制电路，其输入端接n bit控制指令，输出n bit控制指令对应的控制电平，n为共用大位衰减模块共用的大位个数。

2.根据权利要求1所述低损耗小型化硅基数控衰减器，其特征在于，该数控衰减器还包括接在小位衰减模块串末端和输出端口之间的另一共用大位衰减模块以及向另一共用大位衰减模块提供控制电平的电平控制电路，另一共用大位衰减模块按其接收的控制电平对小位衰减模块串输出的信号进行大位衰减。

3.根据权利要求1或2所述低损耗小型化硅基数控衰减器，其特征在于，所述共用大位衰减模块包括：第一至第四微带线，耦合器、第一开关管、第二开关管、第一电抗、第二电抗、第一电阻、第二电阻，第一微带线的一端接输入信号，耦合器的输入端接第一微带线的另一端，耦合器的隔离端口接第二微带线的一端，耦合器的耦合端口接第三微带线的一端，耦合器的直流端口接第四微带线的一端，第一开关管的集电极及第一电抗的一端均与第三微带线的另一端连接，第一开关管的发射与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端、第一电感的另一端均接地，第二开关管的集电极及第二电抗的一端均与第四微带线的另一端连接，第二开关管的发射极与第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端、第二电抗的另一端均接地，第一开关管的基极、第二开关管的基极分别经偏置电阻接n bit控制指令对应的控制电平。

4.根据权利要求3所述低损耗小型化硅基数控衰减器，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管为HBT管芯或MOS管芯或PIN管。

5.根据权利要求3所述低损耗小型化硅基数控衰减器，其特征在于，所述耦合器为Lange耦合器。

6.根据权利要求5所述低损耗小型化硅基数控衰减器，其特征在于，所述Lange耦合器为立体结构的折叠交指型Lange耦合器或非折叠交指型Lange耦合器。

7.根据权利要求1所述低损耗小型化硅基数控衰减器，其特征在于，所述小位衰减模块为T型衰减模块或者π型衰减模块。