CN116647209B - 一种新型毫米波数字衰减器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型毫米波数字衰减器,包括查找表模块、单片机、高精度数模转换器以及第一支路、第二支路和可变增益衰减器;所述高精度数模转换器与可变增益衰减器之间并列设置有第一支路、第二支路;所述第一支路、第二支路分别包括低通滤波器、缓冲器。所述查找表模块用于存储可变增益衰减器所需的偏置电压值及对应的步进衰减;所述单片机用于控制高精度数模转换器输出可变增益衰减器所需的偏置电压;所述低通滤波器用于过滤高频脉动干扰信号,所述缓冲器用于使高精度数模转换器输出信号增加延时,以消除负载牵引对电路的影响。本发明有效解决了毫米波频段应用时衰减器衰减精度以及动态范围不足的情况,具有较好的实用性。
Description
技术领域
本发明属于毫米波频段衰减器的技术领域,具体涉及一种新型毫米波数字衰减器。
背景技术
当前,射频通讯***中对毫米波衰减器的应用越来越多,尤其在相控阵列雷达***中衰减器被广泛的用于调节或补偿不同通道间的增益,因此对于衰减器的精度、相位变化范围以及稳定性也提出了更高的要求。然而,传统的射频衰减器结构在毫米波频段应用时会出现精度下降,相位跳变过大,衰减动态范围变窄的情况。另外,传统的衰减器单端输入信号抗干扰能力弱、噪声大,在高频应用时会引入更多的噪声,恶化实际有效信号。其次,作为相控阵***中的一个重要组成部分,衰减器电路不同衰减态的相位变化对整体***有着重要影响,稳定的相位变化可以避免追踪错误和复杂的相位校准,减少相控阵***中移相器的负荷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型毫米波数字衰减器,旨在解决上述的问题。
本发明可以解决毫米波频段应用时衰减器衰减精度以及动态范围不足的情况。本发明基于高精度数模转换器和X型可变增益衰减器来实现电路结构,改善衰减器的精度及相位。X型可变增益衰减器中采用变压器实现了单端信号到差分信号的相互转换,从而使得实际工作中使用的信号噪声更小,信号更稳定,衰减器各衰减态也能更精确。
本发明主要通过以下技术方案实现:
一种新型毫米波数字衰减器,包括从前至后依次连接的查找表模块、单片机、高精度数模转换器以及第一支路、第二支路和可变增益衰减器;所述高精度数模转换器与可变增益衰减器之间并列设置有第一支路、第二支路;所述第一支路、第二支路分别包括从前至后依次设置的低通滤波器、缓冲器;
所述查找表模块用于存储可变增益衰减器所需的偏置电压值及对应的步进衰减;所述单片机用于控制高精度数模转换器输出可变增益衰减器所需的偏置电压;所述高精度数模转换器用于为可变增益衰减器提供准确的电压控制;所述低通滤波器用于过滤高频脉动干扰信号,所述缓冲器用于使高精度数模转换器输出信号增加延时,以消除负载牵引对电路的影响。
为了更好地实现本发明,进一步地,所述可变增益衰减器为X型衰减器结构,所述可变增益衰减器包括在差分信号路径交叉耦合的两个FET管以及在相位信号路径并联的两个FET管;所述FET管的输入端设置有变压器,用于实现单端信号到差分信号的转换,所述FET管的输出端设置有变压器,用于实现差分信号到单端的转换后输出电压。
为了更好地实现本发明,进一步地,所述可变增益衰减器包括MOS管M1-M4,所述MOS管M2、MOS管M3在差分信号路径交叉耦合,MOS管M1、MOS管M4并联的设置在相位信号路径;所述MOS管M1与MOS管M4的栅极均串联电阻R1后接偏置电压V1,所述MOS管M2与MOS管M3的栅极均串联电阻R2后接偏置电压V2;所述MOS管M1-M4的输入端连接有由两个电感线圈组成的变压器T1,用于实现单端信号到差分信号的转换,所述MOS管M1-M4的输出端连接有由两个电感线圈组成的变压器T2,用于实现差分信号到单端的转换后输出电压。
为了更好地实现本发明,进一步地,还包括压控衰减器,所述压控衰减器为T型结构,且压控衰减器的串联支路上设置有若干组MOS管,压控衰减器对应设置有若干个并联支路,所述并联支路上设置有MOS管;所述可变增益衰减器与变压器T1之间设置有两个压控衰减器,所述可变增益衰减器与压控衰减器的并联支路连接。可以适配巴伦结构。
为了更好地实现本发明,进一步地,所述MOS管的栅级电压步进为0.2V。所述控制电压步进增加不限于0.2V。优选地,所述MOS管栅级电压步进为0.2V。
为了更好地实现本发明,进一步地,所述高精度数模转换器为多输出电压范围的16比特的数模转换器芯片,16比特的数模转换器芯片包括四个通路的数模转换接口。
为了更好地实现本发明,进一步地,所述缓冲器包括若干个级联的反相器。
为了更好地实现本发明,进一步地,所述缓冲器为单位增益电压缓冲器。
为了更好地实现本发明,进一步地,所述毫米波数字衰减器的衰减步进增加小于或者等于0.5dB。优选地,所述衰减器的衰减步进为0.2dB,0.25dB,0.3dB中的任意一个。
本发明的有益效果如下:
本发明是基于高精度数模转换器和可变增益衰减器的毫米波数字衰减器结构。本发明的可变增益衰减器的核心电路中差分结构中的晶体管数量可根据实际的应用场景进行调节。所述缓冲器内部的反相器数量可调。查找表内存储可变增益衰减器的偏置电压值及对应的步进衰减;所述单片机和高精度数模转换器可以实现从目标衰减值到偏置电压的直接转换而避免过多复杂的应用和重复计算。
本发明用于精确毫米波衰减器精度和相位误差;本发明通过高精度数模转换器、查找表模块以及低通滤波器、缓冲器的设置,有效减少了毫米波衰减器实现过程中过于复杂的计算和装置。本发明的X型衰减器结构通过变压器将差分信号和单端信号相互转换,可以减小噪声提高***稳定性且无需消耗直流功率。
附图说明
图1为本发明衰减器的原理图;
图2为RC低通滤波器与缓冲器的连接原理图;
图3为可变增益衰减器的电路图;
图4为可变增益衰减器的等效的小信号模型原理图。
图5为压控衰减器与可变增益衰减器的连接结构示意图;
图6为压控衰减器的电路图。
具体实施方式
实施例1:
一种新型毫米波数字衰减器,如图1所示,包括从前至后依次连接的查找表模块、单片机、高精度数模转换器以及第一支路、第二支路和可变增益衰减器;所述高精度数模转换器与可变增益衰减器之间并列设置有第一支路、第二支路;所述第一支路、第二支路分别包括从前至后依次设置的低通滤波器、缓冲器。优选地,所述可变增益衰减器为X型衰减器结构。
优选地,如图3所示,所述可变增益衰减器包括MOS管M1-M4,所述MOS管M2、MOS管M3在差分信号路径交叉耦合,MOS管M1、MOS管M4并联的设置在相位信号路径;所述MOS管M1与MOS管M4的栅极均串联大电阻R1后接偏置电压V1,所述MOS管M2与MOS管M3的栅极均串联大电阻R2后接偏置电压V2;所述MOS管M1-M4的输入端连接有由两个电感线圈组成的变压器T1,用于实现单端信号到差分信号的转换,所述MOS管M1-M4的输出端连接有由两个电感线圈组成的变压器T2,用于实现差分信号到单端的转换后输出电压。
工作原理:如图3所示,每一个MOS管的栅极均连接相同阻值大电阻可用于保护大功率状态下的MOS管,控制电压V1和V2是幅度相同相位相位相反的,从0V开始步进为0.2V依次递增至2V。当电压V1为低电平时,V2为高电平,此时由V1控制的MOS管M2和M3关断,M1和M4打开,随着V1从0V增加至2V的过程中,MOS管M2和M3由关断状态逐渐至开启,这一过程中M2和M3对应的导通电阻也随之变化,由此不同的电压对应不同的导通电阻进而控制产生了不同的衰减量,实现了增益可变的功能。反之MOS管M2和M3由开启至关断状态,MOS管M1和M4则由关断状态逐渐至开启状态。
所述查找表模块用于存储可变增益衰减器所需的偏置电压值及对应的步进衰减;所述单片机用于控制高精度数模转换器输出可变增益衰减器所需的偏置电压;所述高精度数模转换器用于为可变增益衰减器提供准确的电压控制。优选地,查找表内存储可变增益衰减器的偏置电压值及对应的0.2dB步进衰减。所述单片机和高精度数模转换器可以实现从目标衰减值到偏置电压的直接转换,有效避免了过多复杂的应用和重复计算。
如图2所示,所述低通滤波器用于过滤高频脉动干扰信号,所述缓冲器用于使高精度数模转换器输出信号增加延时,以消除负载牵引对电路的影响
实施例2:
一种新型毫米波数字衰减器,如图1所示,包括查找表模块、单片机、高精度数模转换器、低通滤波器、缓冲器和可变增益衰减器。
所述单片机设备通过SPI(即串行***设备接口)控制高精度数模转换器,以输出可变增益衰减器所需的偏置电压,进而在毫米波频段产生精确至0.2dB的高精度衰减,避免了传统转换过程中的复杂逻辑接口。本发明可以通过选择合适的精度数模转换器芯片,实现产生0.25dB,0.3dB步进的衰减量,通过增加这种更小衰减量的步进可以使毫米波衰减器的精度进一步提高。
所述高精度数模转换器为可变增益衰减器提供准确的电压控制。优选地,本发明选择16比特的数模转换器芯片来实现电路,该芯片包含四个通路的数模转换接口,同样有多输出电压范围。例如:±2.5V,±5V,选用±2.5V电压范围。若想要得到0.2dB的精确衰减,则偏置电压就需要到1mV。
优选地,所述查找表模块用于为可变增益放大器提供所需的偏置电压,类似于一种储存转换电路,查找表内存储可变增益衰减器的偏置电压值及对应的0.2dB步进衰减。所以单片机和高精度数模转换器才可以实现从目标衰减值到偏置电压的直接转换而避免过多复杂的应用和重复计算。
优选地,所述数模转换器输出包含高频脉动干扰信号会直接导致偏置电压的抖动进而影响可变增益衰减器的稳定工作。为了解决这种输出脉动电压,在数模转换器的输出端加入RC低通滤波器(LPF)。当R C分别取值时,截止电压可以用如下公式计算得到。
F=1/(2πRC)
RC低通滤波器可以有效地过滤高频脉动干扰信号从而使该***能够更加稳定地工作。
优选地,高精度数模转换器的输出电压由输出电流负载牵引,典型变化率为78uV/mA。如图2所示,在RC低通滤波器的输出引入一种单位增益电压缓冲器。优选地,所述缓冲器内置多个反相器级联,使高精度数模转换器输出信号增加延时,可以有效地消除上述负载牵引对电路的影响。
优选地,如图3所示,所述可变增益衰减器由X型结构的MOS管实现电路,X型衰减器结构基本分别由两个FET管交叉耦合在差分信号路径,两个FET管在相位信号路径共同组成。FET管输入端用两个电感线圈组成的变压器实现单端信号到差分信号的转换。传统的单端输入信号抗干扰能力弱、噪声大在高频应用时会引入更多的噪声,恶化实际有效信号。差分输入相比单端输入有着更好的稳定性和抗干扰能力。输出端同样的用变压器实现差分信号到单端的转换后输出电压。如图4所示,可以看出电路增益变化由R1,R2间的差值来决定,相位变化则刚好相反。这种结构可以在不消耗直流功率的情况下实现较宽的增益控制范围以及低相位变换。
本发明用于精确毫米波衰减器精度和相位误差。本发明通过高精度数模转换器、查找表模块以及低通滤波器、缓冲器的设置,有效减少了毫米波衰减器实现过程中过于复杂的计算和装置。本发明的X型衰减器结构通过变压器将差分信号和单端信号相互转换,可以减小噪声提高***稳定性且无需消耗直流功率。
实施例3:
本实施例是在实施例1或实施例2的基础上进一步优化,如图5所示,还包括压控衰减器,所述可变增益衰减器的FET管输入端分别设置有压控衰减器,可在改善相移的基础上实现更大范围衰减量。优选地,所述压控衰减器内部包括若干个级联的MOS管组件。
如图6所示,压控衰减器内部结构:每个MOS管对应内部若干个MOS管串联结构实现耐功率,电路不限于图中展示的三组,相应的增加或减少组件,原理相同均在保护范围之内。衰减器基本T型结构输入输出跨接两个电阻形成桥T型,在桥T型结构基础上串联支路由三组MOS管(每组内部堆叠不同数量尺寸MOS)组成,并联支路同样三组,基本电压V3、V4、V5与电压V6、V7、V8幅度相同,相位相反,衰减器工作在参考态时V3、V4、V5控制MOS管导通,V6、V7、V8控制MOS管关断从输入到输出实现了通路;当工作在衰减态时V3、V4、V5控制MOS管关断,V6、V7、V8控制MOS管导通,不同电压控制产生不同导通电阻分别串联对地电阻来实现不同的衰减量。
本发明提出的压控衰减器与X型可变增益衰减器应用,可在改善相移的基础上实现更大范围衰减量,通过特定的模拟电路模块设计实现从电压V1到V3、V4、V5,V2到V6、V7、V8的转换,电压V1、V3、V4、V5与电压V2、V6、V7、V8幅度相同相位相反,V3、V4、V5依次相差固定电压值,当V1为低电平时,V2为高电平,相应的V3、V4、V5依次递增,V6、V7、V8依次递减,控制对应MOS管产生不同的导通电阻,从而实现不同衰减范围,图5中衰减器可在毫米波频段保证较小的附加相移时实现至少40dB衰减量。需要配合差分输入时可直接将两个压控衰减器的三组并管对应串接起来形成差分结构,差分衰减器结构可直接应用于巴伦结构并无需额外射频地。
本实施例的其他部分同实施例1或实施例2,故不再赘述。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明做任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化,均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种新型毫米波数字衰减器,其特征在于,包括从前至后依次连接的查找表模块、单片机、高精度数模转换器以及第一支路、第二支路和可变增益衰减器;所述高精度数模转换器与可变增益衰减器之间并列设置有第一支路、第二支路;所述第一支路、第二支路分别包括从前至后依次设置的低通滤波器、缓冲器;
所述查找表模块用于存储可变增益衰减器所需的偏置电压值及对应的步进衰减;所述单片机用于控制高精度数模转换器输出可变增益衰减器所需的偏置电压;所述高精度数模转换器用于为可变增益衰减器提供准确的电压控制;所述低通滤波器用于过滤高频脉动干扰信号,所述缓冲器用于使高精度数模转换器输出信号增加延时,以消除负载牵引对电路的影响;
所述可变增益衰减器为X型衰减器结构,所述可变增益衰减器包括在差分信号路径交叉耦合的两个FET管以及在相位信号路径并联的两个FET管;所述FET管的输入端设置有变压器,用于实现单端信号到差分信号的转换,所述FET管的输出端设置有变压器,用于实现差分信号到单端的转换后输出电压;
还包括压控衰减器,所述压控衰减器为T型结构,且压控衰减器的串联支路上设置有若干组MOS管,压控衰减器对应设置有若干个并联支路,所述并联支路上设置有MOS管;所述可变增益衰减器与变压器之间设置有两个压控衰减器,所述可变增益衰减器与压控衰减器的并联支路连接。
2.根据权利要求1所述的一种新型毫米波数字衰减器,其特征在于,所述可变增益衰减器包括MOS管M1-M4,所述MOS管M2、MOS管M3在差分信号路径交叉耦合,MOS管M1、MOS管M4并联的设置在相位信号路径;所述MOS管M1与MOS管M4的栅极均串联电阻R1后接偏置电压V1,所述MOS管M2与MOS管M3的栅极均串联电阻R2后接偏置电压V2;所述MOS管M1-M4的输入端连接有由两个电感线圈组成的变压器T1,用于实现单端信号到差分信号的转换,所述MOS管M1-M4的输出端连接有由两个电感线圈组成的变压器T2,用于实现差分信号到单端的转换后输出电压。
3.根据权利要求2所述的一种新型毫米波数字衰减器,其特征在于,所述MOS管的栅级电压步进为0.2V。
4.根据权利要求1所述的一种新型毫米波数字衰减器,其特征在于,所述高精度数模转换器为多输出电压范围的16比特的数模转换器芯片,16比特的数模转换器芯片包括四个通路的数模转换接口。
5.根据权利要求1所述的一种新型毫米波数字衰减器,其特征在于,所述缓冲器包括若干个级联的反相器。
6.根据权利要求1所述的一种新型毫米波数字衰减器,其特征在于,所述缓冲器为单位增益电压缓冲器。
7.根据权利要求1所述的一种新型毫米波数字衰减器,其特征在于,所述毫米波数字衰减器的衰减步进增加小于或者等于0.5dB。
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