微波毫米波和太赫茲電路及相控陣的低功率波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及微波毫米波和太赫茲電路及相控陣的低功率波束形成方法，具體涉及一種獨(dú)特的微分求積(DQ)信號(hào)發(fā)生器，另外一種有著相對(duì)較寬的帶寬和小型化尺寸的Lange耦合器被廣泛用于MMIC設(shè)計(jì)里面，特別用于寬帶混合器、Dorhty放大器。
【背景技術(shù)】
[0002]相控陣?yán)走_(dá)具有多功能、多目標(biāo)跟蹤和多種工作方式等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮，以及相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)術(shù)性能的提高，在很大程度上都與形成多波束能力有關(guān)。隨著數(shù)字技術(shù)與大規(guī)模數(shù)字與模擬集成電路技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字多波束形成技術(shù)已開(kāi)始應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)型號(hào)產(chǎn)品之中。超高速模擬數(shù)字變換器(ADC)、數(shù)字通道接收機(jī)、基于直接頻率綜合器(DDS)的多通道相關(guān)信號(hào)的產(chǎn)生為數(shù)字式接收與發(fā)射多波束的形成及數(shù)字陣列雷達(dá)(DAR)的發(fā)展提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)。先進(jìn)相控陣?yán)走_(dá)性能的進(jìn)一步提高在很大程度上取決于其形成多波束的能力與實(shí)現(xiàn)方法。
[0003]I/Q調(diào)制信號(hào)發(fā)生器或者說(shuō)90度混合耦合器是一種網(wǎng)絡(luò)，能夠提供兩個(gè)同樣幅值但相位差別90度的輸出信號(hào)，在射頻收發(fā)前端里是一種非常重要的功能模塊。運(yùn)用晶體管電路去實(shí)現(xiàn)混合耦合器的功能是可行的。然而，現(xiàn)在也面臨著功耗低于ldB、相位與幅值之間平衡的低精確度等問(wèn)題。因此，對(duì)于微波應(yīng)用來(lái)說(shuō)，無(wú)源網(wǎng)絡(luò)被廣泛用于I/Q調(diào)制信號(hào)發(fā)生器中，如分支線(xiàn)耦合器、Lange耦合器等。為了達(dá)到15%或者更高的帶寬，分支線(xiàn)耦合器可以從一階變到高階。但不足的是相對(duì)較大的尺寸，尤其是一旦高階耦合器被用到，就會(huì)增加損耗和尺寸。對(duì)IC設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，它不是一種有成本效益的方法。另外一種有著相對(duì)較寬的帶寬和小型化尺寸的Lange耦合器被廣泛用于MMIC設(shè)計(jì)里面，特別用于寬帶混合器、Dorhty放大器。為了實(shí)現(xiàn)混合耦合器的小型化，我們可以采用在LC網(wǎng)絡(luò)里面運(yùn)用集總元件的方法。在基帶處理或者混合電路的鏡頻抑制控制中，I/Q調(diào)制信號(hào)發(fā)生器是這些架構(gòu)里面必不可少的一部分。I/Q調(diào)制信號(hào)發(fā)生器還有其他的應(yīng)用，比如:六端口網(wǎng)絡(luò)，巴特勒矩陣，波束形成等。眾所周知，一個(gè)nXn的巴特勒矩陣或者線(xiàn)性的η元天線(xiàn)陣列，會(huì)產(chǎn)生η個(gè)正交的波束。通過(guò)混合耦合器的運(yùn)用，波束形成特性和接收機(jī)特性都能夠得到改進(jìn)。由于60GHz短范圍無(wú)線(xiàn)通信波束形成的需求被引起了關(guān)注，the IEEE 802.1lad在波束形成上有直接的需求。然而，對(duì)于移動(dòng)通信特別是個(gè)人手持設(shè)備來(lái)說(shuō)，低功率和高性能是采用60GHz波束形成系統(tǒng)的重要需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明技術(shù)是建立在差分驅(qū)動(dòng)電路之上的。由于微分求積信號(hào)發(fā)生器的基礎(chǔ)性構(gòu)件，這個(gè)微分求積信號(hào)發(fā)生器可以被諸如功放器、差分驅(qū)動(dòng)移相器、巴特勒矩陣、六端口網(wǎng)絡(luò)等新型差分電路所采用。運(yùn)用本發(fā)明技術(shù)所建立的所有電路都具有低功耗和高線(xiàn)性度的額外優(yōu)勢(shì)，這是由于這些電路都是基于沒(méi)有引入額外動(dòng)力的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成的。它被用于低功率設(shè)計(jì)特別是像智能手機(jī)這類(lèi)手持設(shè)備是非常引人注目的。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種微分求積信號(hào)發(fā)生器，包含輸入端、隔離端、耦合端及直通端，所述每一端由兩個(gè)差分端口構(gòu)成，即輸入端由[1+]端口和[1-]端口構(gòu)成，隔離端由[2+]端口和[2_]端口構(gòu)成，親合端由[3+]端口和[3_]端口構(gòu)成，直通端由[4+]端口和[4_]端口構(gòu)成，所述[1+]端口通過(guò)第一傳輸線(xiàn)與[2_]端口連接，[1-]端口通過(guò)第二傳輸線(xiàn)與[2+]端口連接，[3+]端口通過(guò)第三傳輸線(xiàn)與[4_]端口連接，[3_]端口通過(guò)第四傳輸線(xiàn)與[4+]端口連接，所述第一傳輸線(xiàn)與第四傳輸線(xiàn)之間、第二傳輸線(xiàn)與第三傳輸線(xiàn)之間、第一傳輸線(xiàn)與第三傳輸線(xiàn)之間、第二傳輸線(xiàn)與第四傳輸線(xiàn)之間均通過(guò)耦合方式傳輸能量。
[0007]所述四條傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度均相等。
[0008]進(jìn)一步的，為了便于實(shí)現(xiàn)，所述微分求積信號(hào)發(fā)生器采用雙層結(jié)構(gòu)，如圖1所示，上層記為A層，下層記為B層，所述八個(gè)差分端口均設(shè)置于A層上表面便于與外部端口連接，所述第二傳輸線(xiàn)與第四傳輸線(xiàn)之間采用窄邊耦合方式設(shè)置于A層上，所述第一傳輸線(xiàn)與第三傳輸線(xiàn)之間采用窄邊耦合方式設(shè)置于B層上表面，所述第一傳輸線(xiàn)與第四傳輸線(xiàn)之間、第二傳輸線(xiàn)與第三傳輸線(xiàn)之間均采用寬邊耦合方式，所述[1+]端口、[2_]端口、[3+]端口及[4_]端口分別通過(guò)貫穿層A的金屬通孔與相應(yīng)的傳輸線(xiàn)連接；所述微分求積信號(hào)發(fā)生器的輸入端與直通端位于發(fā)生器的同一側(cè)，其耦合端與隔離端同位于發(fā)生器的另一側(cè)。
[0009]進(jìn)一步的，通過(guò)對(duì)圖1所示結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，本發(fā)明針對(duì)所述微分求積信號(hào)發(fā)生器提出另一種可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，所述微分求積信號(hào)發(fā)生器為雙層結(jié)構(gòu)，上層記為A層，下層記為B層，所述八個(gè)差分端口均設(shè)置于A層上表面便于與外部端口連接；所述第一、第二、第三及第四傳輸線(xiàn)均分為兩部分，分別記為相應(yīng)傳輸線(xiàn)的第一部分和第二部分，四條傳輸線(xiàn)的第一部分的長(zhǎng)度相等；所述第一傳輸線(xiàn)靠近[1+]端口的部分記為該傳輸線(xiàn)的第一部分位于層B上表面，其靠近[2_]端口的部分即該傳輸線(xiàn)的第二部分位于層A上表面，所述第一傳輸線(xiàn)的兩部分通過(guò)貫穿于層A的金屬通孔連接；所述第二傳輸線(xiàn)靠近[1-]端口的部分記為該傳輸線(xiàn)的第一部分位于層A上表面，其靠近[2+]端口的部分即該傳輸線(xiàn)的第二部分位于層B上表面；
[0010]同樣的，所述第三傳輸線(xiàn)靠近[3+]端口的第一部分位于層A上表面，其靠近[4_]端口的第二部分位于層B;所述第四傳輸線(xiàn)靠近[3_]端口的第一部分位于層B上表面，其靠近[4+]端口的第二部分位于層A ;所述四條傳輸線(xiàn)的第一部分各自通過(guò)一個(gè)貫穿層A的金屬通孔與其相應(yīng)的第二部分連接；所述[1+]端口、[2+]端口、[3_]端口及[4_]端口分別通過(guò)貫穿層A的金屬通孔與相應(yīng)的傳輸線(xiàn)連接；圖2所示的微分求積信號(hào)發(fā)生器通過(guò)各個(gè)端口之間傳輸線(xiàn)的上、下層空間結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，使得其端口的排布不同于圖1所提供的微分求積信號(hào)發(fā)生器的端口排布，圖2中，所述輸入端與隔離端位于微分求積信號(hào)發(fā)生器的同一側(cè)，而其耦合端與直通端同位于發(fā)生器的另一側(cè)。
[0011]本發(fā)明提供的微分求積信號(hào)發(fā)生器是不同于傳統(tǒng)的四端口 I/Q調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的，它是擁有四個(gè)差分驅(qū)動(dòng)端口的八端口網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明提供的微分求積信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)可基于CMOS或者BiCMOS的IC制造技術(shù)，通過(guò)運(yùn)用多層金屬和襯底層，形成了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和良好平衡特性的電路。這四個(gè)差分驅(qū)動(dòng)端口在差分驅(qū)動(dòng)模式下工作。它是完全對(duì)稱(chēng)的，并且在這個(gè)條件下，四個(gè)不同的端口可以相應(yīng)地改變。假如I端口是差分驅(qū)動(dòng)輸入端口，那么將會(huì)有兩個(gè)相位差別90度的差分驅(qū)動(dòng)輸出端口(也就是說(shuō)這兩個(gè)差分驅(qū)動(dòng)輸出端口將會(huì)產(chǎn)生四個(gè)信號(hào)，這四個(gè)信號(hào)有同樣的幅值但相位不同，分別是0°，90°，180°，270° )。左面那個(gè)端口叫做隔離端口，也是一個(gè)差分驅(qū)動(dòng)端口。這個(gè)隔離端口也被用來(lái)注入信號(hào)，并且與差分驅(qū)動(dòng)輸入端口I有著很好的隔離性。
[0012]該8端口微分求積信號(hào)發(fā)生器是由運(yùn)用CMOS或者BiCMOS技術(shù)的多金屬層的多個(gè)傳輸耦合線(xiàn)組成的。耦合線(xiàn)的寬邊耦合和邊緣耦合類(lèi)型在使用金屬層的缺陷地結(jié)構(gòu)的幫助下被吸收。多條耦合線(xiàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)主要是導(dǎo)線(xiàn)寬度、耦合縫隙和控制耦合強(qiáng)度所選擇的層數(shù)。耦合線(xiàn)長(zhǎng)度是決定各個(gè)端口間的匹配與相位關(guān)系的很重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。
[0013]這個(gè)微分求積信號(hào)發(fā)生器可以被用于結(jié)構(gòu)類(lèi)似于傳統(tǒng)的90度混合耦合器中從而形成移相器、巴特勒矩陣和六端口網(wǎng)絡(luò)。然而，所有相應(yīng)的端口都是差分驅(qū)動(dòng)，端口間的連接線(xiàn)也都是差分驅(qū)動(dòng)線(xiàn)。它可以被用來(lái)連接到單端口設(shè)備中，但是對(duì)于單連接系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這些需要巴倫把差分端口轉(zhuǎn)換成單端端口。
[0014]運(yùn)用本微分求積信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生巴特勒矩陣，本發(fā)明提到的巴特勒矩陣為4X4巴特勒矩陣和8X8巴特勒矩陣。利用這些巴特勒矩陣又可以形成4X4巴特勒矩陣通信系統(tǒng)、8X8巴特勒矩陣通信系統(tǒng)和4X8巴特勒矩陣通信系統(tǒng)。
[0015]運(yùn)用本發(fā)明中的微分求積信號(hào)發(fā)生器，形成巴特勒矩陣，然后與差分驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)組合在一起，形成了一種用于相控陣的新波束形成法。
[0016]在功率放大器、移相器中內(nèi)嵌本發(fā)明中的微分求積信號(hào)發(fā)生器，形成了一種新的放大器、移相器的設(shè)計(jì)方法。
[0017]所有運(yùn)用了該發(fā)明的電路都有如下優(yōu)點(diǎn):
[0018]I)接地裝置有較小的誤差:在連接設(shè)備的終端，接收裝置能夠分辨出兩個(gè)信號(hào)的不同之處。由于接收機(jī)忽略了相對(duì)于地的線(xiàn)電壓，因此發(fā)射機(jī)與接收機(jī)間的接地電壓的微小變化不會(huì)影響接收機(jī)探測(cè)信號(hào)的能力；
[0019]2)使用低壓電子設(shè)備的適當(dāng)性:在電子產(chǎn)業(yè)里，特別是針對(duì)便攜式可移動(dòng)設(shè)備，為了節(jié)能和減少多余的發(fā)光輻射，降低電源電壓是一個(gè)可持續(xù)性的趨勢(shì)。然而，一個(gè)低電源電壓會(huì)引起一系列的信令問(wèn)題，因?yàn)樗档土丝垢蓴_度。微分信號(hào)技術(shù)幫助我們減少了這些問(wèn)題，這是因?yàn)?，?duì)于一個(gè)給定的電源電壓，它能夠提供一個(gè)單端系統(tǒng)兩倍的抗干擾度；
[0020]3)抵抗電磁干擾:這個(gè)優(yōu)點(diǎn)不僅僅是由于微分信號(hào)技術(shù)本身，也是由于在平衡線(xiàn)上傳輸微分信號(hào)的慣例所引起的；
[0021]4)相對(duì)于單端電路來(lái)說(shuō)有較低的損耗:由于低電阻率硅的使用，商業(yè)硅有較高的襯底損耗。差分驅(qū)動(dòng)電路使得電路更少地依賴(lài)于有損耗的硅和地，這樣虛擬接地就可能存在于差分驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線(xiàn)之間。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是微分求積信號(hào)發(fā)生器的原理圖，其中圖1(a)是微分求積信號(hào)發(fā)生