本申请涉及rf通信系统，并且特别地涉及相位偏移器。
背景技术：
相位偏移器在当前和下一代通信系统中具有广泛各种用途。相位偏移器例如用于调节在束形成、同相调制和功率放大器电路中的rf信号的传输相位。第五代(5g)无线系统代表用于相位偏移器的一个新兴应用。第五代(5g)无线系统使用多个天线和相位偏移以同时地发送和接收多个rf信号并且由此实现更快的下载速度、更大的带宽、频谱效率、更低的延迟等。
通常而言，相位偏移器分为两个广义类别：有源相位偏移器和无源相位偏移器。无源相位偏移器仅包括无源器件(例如电感器、传输线等)，而有源相位偏移器使用至少一个有源元件(例如晶体管、三极管等)。有源相位偏移器与无源相位偏移器相比消耗额外的功率。因此，无源相位偏移器在基站和移动装置应用中是优选的。
无源相位偏移器分为四个广义类别：切换线路相位偏移器、传输型相位偏移器、l-c集总元件相位偏移器以及反射型相位偏移器。切换线路相位偏移器在不同长度的传输线之间切换以实现所需延迟。切换线路相位偏移器可以具有高插入损耗的缺点，因为级联了更多级以增大分辨率。传输型相位偏移器通过在传输线上加载电抗性阻抗并且调谐阻抗值以改变rf信号的相位而实现。传输型相位偏移器的缺点在于，当相位在调谐时输入阻抗难以匹配，这导致高返回损耗。l-c集总元件相位偏移器使用多个集总元件(例如电容器和电感器)。为了调谐相位，可以将可变电容器替代电容器的一些或全部。该类型相位偏移器的一个缺点在于：相位偏移器的特征阻抗改变并且因此难以匹配。反射型相位偏移器可以包括具有电抗端接负载的3db耦合器。反射型相位偏移器的一个益处是非常低的返回损耗和匹配的端口阻抗。然而，由3db耦合器的特性所确定的反射型相位偏移器的大小和带宽限制它们的可应用性。
技术实现要素：
公开了一种相位偏移器。根据一个实施例，相位偏移器包括第一rf端子和第二rf端子、参考电势端子、连接至第一rf端子和第二rf端子以及参考电势端子的集总元件lc网络，以及连接至集总元件lc网络并连接至参考电势端子的第一有源半导体器件和第二有源半导体器件。第一有源半导体器件和第二有源半导体器件中的每个有源半导体器件包括控制端子以及第一输出端子和第二输出端子。集总元件lc网络代表跨第一rf端子和第二rf端子的电抗，将rf信号的相位偏移作为在第一rf端子和第二rf端子之间。第一有源半导体器件和第二有源半导体器件被配置用于通过控制跨第一rf端子和第二rf端子的电抗而调谐rf信号的相位偏移。
根据另一实施例，相位偏移器包括四端口混合耦合器，包括第一输入端口和第二输入端口以及第一输出端口和第二输出端口。四端口混合耦合器被配置用于将rf信号的相位偏移作为在第一输入端口和第二输入端口之间。相位偏移器进一步包括连接至第一输出端口和第二输出端口的第一有源半导体器件和第二有源半导体器件。第一有源半导体器件和第二有源半导体器件被配置用于基于变化的电压改变rf信号在第一输入端口和第二输入端口之间的相位偏移。
一种偏移rf信号的相位的方法。根据一个实施例，方法包括提供具有第一rf端子和第二rf端子、参考电势端子的相位偏移器，混合耦合器，以及第一有源半导体器件和第二有源半导体器件。第一rf端子和第二rf端子连接至混合耦合器的第一输入端口和第二输入端口。第一有源半导体器件和第二有源半导体器件连接至混合耦合器的第一输出端口和第二输出端口。rf信号施加在第一rf端子处并且在第二rf端子处相位偏移。通过使用第一有源半导体器件和第二有源半导体器件改变在第一rf端子和第二rf端子之间的反射阻抗而调节在第一rf端子和第二rf端子之间rf信号的相位偏移。
一旦阅读了以下详细说明书并且一旦查看了附图本领域技术人员将认识到额外的特征和优点。
附图说明
附图的元件无需按照相对于相互比例。相同的参考数字标注对应的类似部件。各个所示实施例的特征可以组合除非它们相互排斥。实施例示出在附图中并且详述在以下说明书中。
图1示出根据一个实施例的相位偏移器的高层级示意图。
图2示出根据一个实施例的相位偏移器的较低层级示意图。
图3包括图3a和图3b，其示出根据一个实施例的对于相位偏移器跨变化的漏极-源极电压范围的阻抗调谐范围。图3a示出跨调谐范围的有源半导体器件的电容变化，并且图3b示出跨调谐范围的有源半导体器件的电阻变化。
图4示出根据一个实施例的相位偏移器的电路拓扑结构。
图5包括图5a和图5b，其示出根据一个实施例的跨宽带频率范围的相位偏移器的相位调谐性能。图5a图示了相位偏移器的相位调谐范围以及图5b图示了相位偏移器的插入损耗。
具体实施方式
在此描述了具有低插入损耗的宽带小型相位偏移器的一些实施例。相位偏移器被配置作为反射型相位偏移器，但是比之前的反射型相位偏移器设计具有小型设计和更大带宽。相位偏移器包括混合耦合器和相位调谐装置。根据一个实施例，混合耦合器由高q电感器和电容器的集总元件网络提供。连接至混合耦合器的输出端口的相位调谐装置被配置用于通过改变在混合耦合器的输出端口处的阻抗，而调谐在输入端口处rf信号的反射相位偏移。根据一个实施例，相位调谐装置由两个横向扩散金属氧化物半导体(ldmos)晶体管提供。有利地，这些器件可以被配置作为可控电容器/电阻器，其中通过改变器件的漏极-源极电压而控制阻抗。这些器件的漏极-源极电容独立于频率。因此，可以跨宽带频率范围(例如在1.8ghz和2.2ghz之间)而调谐3db耦合器。根据一个实施例，考虑ldmos晶体管的寄生电容和电感而优化集总元件网络的电感和电容值，以提供跨宽带频率范围的插入损耗的低变化。
参照图1，图示了根据一个实施例的相位偏移器100的示意图。相位偏移器100包括第一rf端子102和第二rf端子104、参考电势端子106、第一电压端子108以及第二电压端子110。这些端子的每一个相互独立。相位偏移器100被配置用于在第一rf端子102处接收rf信号，并在第二rf端子104处提供rf信号的相位已偏移版本。参考电势端子106被配置用于接收固定参考电势(例如gnd)。第一电压端子108和第二电压端子均接收可以用于调谐rf信号的相位偏移的独立电压。
参照图2，图示了根据实施例的相位偏移器100的较低层级示意图。相位偏移器100包括四端口混合耦合器112以及第一有源半导体器件114和第二有源半导体器件116。四端口混合耦合器112包括第一输入端口118和第二输入端口120，以及第一输出端口122和第二输出端口124。第一输入端口118和第二输入端口120连接至相位偏移器100的第一rf端子102和第二rf端子104。第一有源半导体器件114和第二有源半导体器件116中的每一个包括控制端子126(例如栅极端子)，第一输出端子128(例如漏极端子)，以及第二输出端子130(例如源极端子)。第一有源半导体器件114和第二有源半导体器件116的控制端子126均电连接至第一电压端子108。第一有源半导体器件114和第二有源半导体器件116的第二输出端子130均电连接至参考电势端子106。第一有源半导体器件114和第二有源半导体器件116的第一输出端子128分别电连接至相位偏移器100的第一输出端口122和第二输出端口124。
相位偏移器100被配置作为所谓的反射型相位偏移器100。在该装置中，相位偏移器100使用混合耦合器112的反射特性以偏移在第一输入端口和第二输入端口118之间rf信号的相位。也即，将由混合耦合器112反射被施加至第一输入端口118的rf信号并且出现作为在第二输入端口120处的rf信号的相位偏移版本，并且反之亦然。
总体而言，混合耦合器112可以具有任何各种不同配置，例如集总元件、传输线、lange等。混合耦合器112的基本工作原理如下所述。如本领域熟知的那样，四端口混合(3db)耦合器将rf信号的功率划分为在两个端口之间。例如，如果rf信号施加至第一输入端口118，rf信号的第一1/2功率(-3db)版本出现在第一输出端口122处，且rf信号的第二1/2功率(-3db)版本出现在第二输出端口124处。此外，rf信号的第一1/2功率(-3db)版本以第一值(例如90度)与原始rf信号相位偏移，并且原始rf信号的第二1/2功率(-3db)版本以第二值(例如180度)相位偏移。通过采用电抗性阻抗(例如电容器)加载第一输出端口122和第二输出端口124，跨混合耦合器112反射回在第一输出端口122和第二输出端口124处的rf信号。名义上，反射在第一输入端口118处完全抵消并且在第二输入端口120处完全组合。结果，rf信号的相位偏移版本出现在第二输入端口120处。相位偏移的度数取决于向第一输出端口122和第二输出端口124展现的电抗性阻抗。
由第一有源半导体器件114和第二有源半导体器件116提供针对相位偏移器100调谐相位偏移。在该电路中，第一有源半导体器件114和第二有源半导体器件116连接并操作为使得可以改变向混合耦合器112的第一输出端口122和第二输出端口124展现的阻抗。更特别地，第一有源半导体器件被配置为向第一输出端口122展现变化的电容和电阻。第二有源半导体器件被配置为向第二输出端口124展现变化的电容和电阻。
总体而言，第一有源半导体器件114和第二有源半导体器件116可以是具有限定的、可控的输出阻抗的任何半导体器件。这些开关装置的示例包括功率晶体管，诸如mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)、dmos(双扩散金属氧化物半导体)器件、ganhemt(氮化镓高电子迁移率晶体管)、ganmesfet(氮化镓金属半导体场效应晶体管)、ldmos(横向扩散金属氧化物半导体)晶体管等。
参照图3，示出了对于ldmos器件的示例性的阻抗调谐范围。在这些附图中，ldmos器件被关断(也即维持在零栅极偏置)，改变ldmos器件的漏极-源极电压，并且测量阻抗响应。如可以看到，在关断状态中，ldmos器件表现为电容性电阻器，其中电容和电阻取决于施加至器件的漏极－源极电压。如图3a中可见，施加至ldmos器件的漏极和源极端子的电压跨0v-20v范围，跨ldmos器件的漏极和源极端子的电容从大约2.2pf(皮法)变至大约0.5pf。如图3b中可见，施加至ldmos器件的漏极和源极端子的电压跨0v-20v的范围，跨ldmos器件的漏极和源极端子的电阻从大约200欧姆变至大约2400欧姆。
因此，ldmos器件中上述漏极-源极电压/阻抗相关性可以用于改变呈现至第一输出端口122和第二输出端口124的阻抗。因此，可以通过改变ldmos器件的漏极-源极电压而改变在第一rf端子102和第二rf端子104之间的相位偏移程度。
参照图4，图示了根据实施例的对于相位偏移器100的示例性电路拓扑结构。在该实施例中，混合耦合器112被配置作为集总元件lc网络并且第一有源半导体器件114和第二有源半导体器件116被配置作为mosfet器件。
在所示的实施例中，集总元件lc网络包括第一串联分支132和第二串联分支134。第一串联分支132串联连接在第一rf端子102与第一有源半导体器件114的第一输出端子128之间，以及第二串联分支串联连接在第二rf端子104与第二有源半导体器件116的第一输出端子128之间。“串联连接”涉及在串联连接的端子(例如第一rf端子102和第一输出端子128)之间流动的电流必须穿过串联连接分支的每个元件的事实。
在所示的实施例中，集总元件lc网络额外地包括第一并联分支136、第二并联分支138和第三并联分支140。第一并联分支136、第二并联分支138和第三并联分支140均与参考电势端子106并联连接。“并联连接”涉及在并联连接的端子之间流动的电流可以从多个并联连接分支的任意一个穿过元件的事实。
第一串联分支132包括串联连接在第一rf端子102和第一有源半导体器件114的第一输出端子128之间的电容性元件。第二串联分支134包括串联连接在第二rf端子104和第二有源半导体器件116的第一输出端子128之间的电容性元件。在所示的实施例中，第一串联分支132和第二串联分支134均包括直接连接在第一并联分支136和第二并联分支138之间的第一电容器142。此外，第一串联分支132和第二串联分支134均包括直接连接在第二并联分支138和第三并联分支140之间的第二电容器144。
第一并联分支136、第二并联分支138和第三并联分支140均包括连接至参考电势端子106的电感性元件。更特别地，第一并联分支136包括直接连接在第一串联分支132和参考电势端子106之间的第一电感器146，以及直接连接在第二串联分支134和参考电势端子106之间的第二电感器148。第二并联分支138包括直接连接在第一串联分支132和参考电势端子106之间的第三电感器150，以及直接连接在第二串联分支134和参考电势端子106之间的第四电感器152。第三并联分支包括直接连接在第一串联分支132和参考电势端子106之间的第五电感器154，以及直接连接在第二串联分支134和参考电势端子106之间的第六电感器156。
第一并联分支136、第二并联分支138和第三并联分支140均包括电容性元件。更特别地，第一并联分支136包括直接连接在第一串联分支132和第二串联分支134之间的第三电容器158。第二并联分支138包括直接连接在第一串联分支132和第二串联分支134之间的第四电容器160。第三并联分支140包括直接连接在第一串联分支132和第二串联分支134之间的第五电容器162。
根据实施例，第一rf扼流圈164和第二rf扼流圈166分别连接在第一有源半导体器件114和第二有源半导体器件116的第一输出端子128与第二电压端子110之间。此外，根据一个实施例，第一dc阻断电容器166和第二dc阻断电容器168连接在第一有源半导体器件114和第二有源半导体器件116的第一输出端子128与第一串联分支132和第二串联分支134之间。如本领域技术人员应该知晓的那样，rf扼流圈阻断高频信号(也即a/c信号)而允许较低频率的信号(也即dc信号)通过。此外，串联连接的电容器相反，也即允许高频信号(也即a/c信号)通过而阻断dc信号。以该方式，频率独立的dc电压可以分别施加至第一有源半导体器件114和第二有源半导体器件116的第一输出端子128，并且该dc电压可以与集总元件lc网络隔离。
根据一个实施例，第三rf扼流圈170和第四rf扼流圈172分别连接在第一有源半导体器件114和第二有源半导体器件116的控制端子126与第一电压端子108之间。以该方式，第三rf扼流圈170和第四rf扼流圈172向rf信号展现高阻抗并向dc控制电压展现低阻抗。
以下描述一种用于确定集总元件lc网络的电感器和电容器的参值以便于提供具有低插入损耗变化的宽带频率响应的方法。
混合耦合器112的反射系数γl由以下给出：
其中zt是从第一输入端口118和第二输入端口120向混合耦合器112中看去的阻抗，zl是从第一输入端口118和第二输入端口120向混合耦合器112外看去的阻抗，cp是第一有源半导体器件114和第二有源半导体器件116的电容值，rp是第一有源半导体器件114和第二有源半导体器件116的电阻值，并且w＝2πf0，其中f0是rf信号的中心频率。
假设在第一输入端口118和第二输入端口120处阻抗是z0，并且z0＝γzt，其中γ是耦合器的阻抗变换率，相位偏移器100的散射参数s21由以下给出：
其中α表示混合耦合器112的损耗，其由集总元件电感器和电容器的q因子得到。
相位偏移器100的相位∠s21由以下给出：
相位偏移器100的相位调谐范围δφ由以下给出：
相位偏移器100的插入损耗il由以下给出：
在诸如无线基站应用中的doherty功率放大器分配器电路之类的应用中需要50°的相位调谐范围。名义上而言，相位偏移器100的插入损耗可以跨相位偏移rf信号的宽带频率范围而尽可能少的改变。基于对于相位偏移器100的两个需求，发现γ是可以在等式(4)和(5)中可以优化的唯一参数。
一旦确定了γ，就可以如下所述地确定集总元件网络的参数值。
第一电容器142的电容值cm1由下式给出：
第二电容器144的电容值cm2由下式给出：
第三电容器158的电容值c1由下式给出：
第四电容器160的电容值c2由下式给出：
第五电容器162的电容值c3由下式给出：
第一电感器146和第二电感器146的电感值l1由下式给出：
第三电感器152和第四电感器152的电感值l2由下式给出：
第五电感器156和第六电感器156的电感值由下式给出：
其中在以上等式(6)-(13)中
参照图5，根据上述方法，相位偏移器100的相位调谐性能是确定了集总元件lc网络的电感器和电容器的参值。图5a图示了相位偏移器100在0-28v的变化输出电压vds范围内的相位调谐范围δφ。各个频率从1.8ghz的中心频率f0绘制至2.15ghz的中心频率f0。如图可见，对于每个频率点，获得了大约40度的一致性相位偏移。因此，相位偏移器100具有跨1.8ghz至2.15ghz的宽带频率范围的相位调谐范围δφ。
参照图5b，在0-28v的变化输出电压vds的范围内图示了相位偏移器100的插入损耗il。各个频率从1.8ghz的中心频率f0绘制至2.15ghz的中心频率f0。如图可见，对于每个频率点而言，插入损耗是一致的并且在调谐范围内不变化。
如在此所使用，“集总元件lc网络”涉及包括电感器和电容器的电路拓扑结构。这些电感器和分立电容器分别具有已知的电感值和电容值，实质上对寄生效应占优势以限定了网络的阻抗响应。集总元件lc网络可以采用作为分立部件的这些电感器和电容器的每一个而实施，例如使用印刷电路板和在分立部件之间的导电连接。备选地，电感器和电容器的一些或全部可以是集成电路的一部分。
如在此使用的术语诸如“相同”、“匹配”意在意味着等同、近似等同或近似因此预期了一些合理变化量而并未脱离本发明的精神。术语“恒定”意味着不改变或变化，或者再次轻微改变或变化，因此预期了一些合理的变化量而并未脱离本发明的精神。进一步，术语诸如“第一”、“第二”等用于描述各个元件、区域、区段等并且并非意在是限定性的。相同的术语遍及说明书涉及相同的元件。
术语“直接地电连接”或“以直接电接触”描述了在电连接的元件之间永久低欧姆连接，例如在有关元件之间的引线连接。
如在此所使用，术语“具有”、“包含”、“包括”、“含有”等是开放式术语，其指示了所述元件或特征的存在，但是并未排除额外的元件或特征。冠词“一”、“某”和“该”意在包括复数以及单数，除非上下文明确给出相反指示。
应该理解的是在此所述的各个实施例的特征可以相互组合，除非另外具体标注。
尽管已经在此图示并描述了具体实施例，本领域技术人员应该知晓的是，各种备选和/或等价实施方式可以替代所示和所述的具体实施例而并未脱离本发明的范围。本申请意在覆盖在此所讨论具体实施例的任何修改例或变形例。因此，有意设计的是本发明仅由权利要求及其等价形式而限定。