移相器——有源移相器近年進展

    這是博主整理的幾篇近幾年具備表明性的有源數控移相器文章，從總體結構到細節電路作了一些分析，但願能對你們有所幫助。

2014年進展

    2014年，王巍、徐巍等人提出了一種工做在7—18GHz的4位有源數控移相器，其基本結構如圖1所示。電路工做在單端模式下，射頻信號經過低噪聲輸入巴倫，變成差分信號，再經過正交全通濾波器，分離成正交的I/Q矢量信號。兩個可變增益放大器（VGA）組成一個矢量加法器，它的做用是把I/Q信號加上適當的振幅極性，而後在輸出端進行矢量合成，輸出信號的相位爲：

圖1 王巍等人提出的基本結構

    其中DAC幅度控制電路如圖2所示，電流模DAC經過圖2中的共源共柵電流鏡設置加法器I和Q路徑的偏置電流比例。其中開關分別爲４位相位合成的DAC中PMOS開關S0，S1，S2和加法器中NMOS開關SI，SQ的控制邏輯。SnB（n=I，Q，0, 1, 2）是Sn的邏輯非。對全部相位狀態，I_QB+I_IB爲常數，並且對於全部相位狀態，能夠看到它們具備相同的振幅響應。所以，相位能夠改變，但振幅不變。

 

圖2 DAC幅度調製模塊

    總體細節電路如圖3所示，其中輸入巴倫將單端輸入變爲差分輸入，正交全通濾波器將兩路差分信號分爲四路正交信號，模擬差分加法器即矢量加法器，負責選擇極性和矢量合成，輸出巴倫負責將差分信號再轉爲單端輸出。

 

圖3 總體細節電路

    該有源數控移相器實現了7—18GHz內4位精度的相移，移相偏差小於4°，相比以前的工做，該工做已經有了較大進步。

2015年進展

    2015年，Xing Quan, Yiqi Zhuang等人提出了一種新的DAC幅度控制結構，該結構如圖4所示。

圖4 DAC幅度控制模塊結構圖

    爲了得到6位移相精度（即64個相位狀態），經過打開或關閉I路和Q路中的開關來選擇不一樣的比例的I路和Q路電流（I_I和I_Q）。 邏輯編碼器使用6個數字輸入實現，以生成16個數字輸出。 16個輸出中的2個用於控制極性，其他用於控制開關。設置6位移相精度的DAC幅度控制方案，使得對於全部相位狀態，I_I+I_Q=1010I_ref，這樣能夠獲得恆定的增益。輸出相位最終精度取決於I路和Q路的電流大小，即I_I和I_Q的比例。在他們所提出的DAC幅度控制單元中，I路和Q路中的電流被獨立地控制，這使得該結構能夠更爲精確地控制I_Q與I_I的比例。

    該DAC幅度控制結構經測試後，發現其能夠實現5—20GHz內6位精度的相移，且相位偏差小於5°。

2016年進展

    2016年，JiexiongLiang, WeiLi等人提出了一種工做在6—18GHz的6位有源數控移相器，該電路仍是單端輸入經片上巴倫轉換爲差分信號，通過正交信號產生電路，在由兩個吉爾伯特單元和DAC幅度控制模塊進行矢量合成，不一樣的是該結構採用了一種全新的正交信號產生電路，該電路結構如圖5所示。

圖5 正交信號產生電路結構圖

    經測試，該正交信號產生電路在7—16GHz相位偏差小於2°，其產生的正交信號能夠更好地輸入下一級，使得總體的相位偏差獲得提高，可是該結構各無源元件的離散值較大，不易集成，所以不是很適用於全部系統。

2017年進展

    2017年，Yan Yao, Zhiqun Li等人提出了一種工做在12—18GHz的有源數控移相器，其採用的電路結構和以前的結構相似，DAC幅度控制模塊採用的結構和2015年Xing Quan, Yiqi Zhuang等人提出的結構相似，其實現了12—18GHz內6位的移相精度，且相位偏差小於61°。

2018年進展

2018年第一篇

    2018年，Zongming Duan, Yan Wang等人提出了一種工做在12—18GHz的有源數控移相器，其結構圖如圖6所示。

圖6 有源數控移相器結構圖

    該結構同先前結構相似，可是其正交信號產生電路和DAC幅度控制模塊相比以前的結構有所不一樣。

    如圖7所示爲正交信號產生電路，該電路所有由電容電阻構成，相對來講面積有所增長，可是對電容負載不會敏感，產生正交信號的精度很高，其在12—18GHz的相位偏差進位0.5—1.8°，所以被採用做爲該有源數控移相器的正交信號產生電路。

圖7 正交信號產生電路

    如圖8爲DAC幅度控制模塊，這種結構，先用主DAC幅度控制模塊得到想要的相移，再用補償DAC幅度控制來補償增益，使其相位偏差更小，加上選擇極性的2位數字碼，由此構成6位數控移相。該結構提出了一種新的思想，不是僅僅依靠數字計算每一路的增益，而是能夠依靠補償的方法將相位偏差降到更低。

圖8 帶有補償DAC的幅度控制模塊結構圖

    經測試，該有源數控移相器完成了6—18GHz的6位精度相移，其相位偏差在1.8°—4°，雖然相位偏差不是最高，可是其正交信號產生電路無源元件離散值不大，對稱性好，適用於片上集成，且補償DAC幅度控制是一種新的方式，能夠給相位偏差的繼續減少提供新的思路。

2018年第二篇

    2018年，Xing Quan, Xiang Yi等人提出了一種工做在52—57GHz的6位數控移相器，該移相器的小步進移相採用無源元件構成，如5.625°、11.25°等，大的移相依舊採用正交信號產生電路加吉爾伯特單元等，如25°、45°等，該移相器採用了無源加有源組合，其結構圖如圖9所示。無源和有源的部分由圖10（a）和（b）所示。

圖9 移相器總體結構圖

圖10 無源和有源細節電路

    經測試，該結構實現了52—57GHz的6位精度相移，相位偏差爲3.76°，但因爲其工做在高頻區域，因此這個偏差是能夠接受的。這個結構又一次給出了新的思想，那就是DAC幅度控制模塊爲無源與有源結合，雖然依然存在功耗，可是其利用無源電路產生小相移的思想能夠爲後續繼續提高移相器精度提供新的方向。

總結

    本文依照年份順序介紹了有源數控移相器的發展示狀，目前主流的有源數控移相器基本仍是相同的結構，包括正交信號產生電路、兩個吉爾伯特單元構成的正交信號合成電路和DAC幅度控制電路。當下最新的移相器的移相精度爲6位，也就是對360°的移相範圍有64移相狀態，最小相位步進爲5.625°。每篇文章的不一樣點在於每一個模塊的細節電路設計，尤爲是正交信號產生電路和DAC幅度控制模塊，這兩個模塊的電路在將來確定還會有不一樣的結構，精度及位數在將來確定還會有更大飛躍。

參考文獻

[1] 王巍,徐巍,鍾武,林濤,袁軍,徐驊.一種基於0.18μm SiGe BiCMOS工藝的X/Ku波段數字有源移相器[J].微電子學,2014,44(01):59-63.

[2] X. Quan, Y. Zhuang, Z. Li, Y. Zhang, K. Jing and J. Zhan, "Current generator for 6-bit active phase shifter," in Electronics Letters, vol. 51, no. 15, pp. 1175-1177, 23 7 2015.

[3] Jiexiong Liang, Wei Li, Jintao Hu and Lai He, "A 6–18GHz vector-sum 6-bit active phase shifter," 2016 13th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT), Hangzhou, 2016, pp. 1537-1539.

[4] Y. Yao, Z. Li, G. Cheng and L. Luo, "A 6-bit active phase shifter for Ku-band phased arrays," 2017 9th International Conference on Wireless Communications and Signal Processing (WCSP),Nanjing, 2017, pp. 1-5.

[5] Z. Duan, Y. Wang, W. Lv, Y. Dai and F. Lin, "A 6-bit CMOS Active Phase Shifter forKu-Band Phased Arrays," in IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 28, no. 7, pp. 615-617, July 2018.

[6] X. Quan et al., "A 52–57 GHz 6-Bit Phase Shifter With Hybrid of Passive and Active Structures," in IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 28, no. 3, pp. 236-238, March 2018.