一种低功耗宽带无源移相器及相控阵装置的制作方法

1.本发明属于集成电路技术领域，具体的说是涉及一种低功耗宽带无源移相器及相控阵装置。


背景技术：

2.近年来，中小型无人机发展迅速，如快递运输无人机、森林消防无人机、科考无人机等。这类无人机飞行半径可达几十公里上百公里，控制指令仅依靠地面信号盲区很大，如果再要求实时远距离图像传输，则通过卫星通信系统实现是最合适的手段。
3.实时图像传输需要宽带数据收发功能，全向天线实现高功率较为困难，使用动中通天线更为合适，其波束能时刻指向卫星方向。传统车载、船载动中通天线主要是机械式，但重量和体积不适用于机载场景。因此，机载场景主要使用相控阵动中通天线，体积小，相控调整波束，无需机械结构，重量轻。
4.相控阵天线是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状，控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，达到波束扫描的目的，也可以通过加权优化控制副瓣电平、最小值位置等参数。卫星在轨道上不停地快速运动，相控阵天线可保持跟踪，并能很快地从跟踪一颗卫星切换到另一颗。
5.半导体移相器作为相控阵系统中的重要组成器件, 是一种可以改变射频信号相位的装置，其性能优劣直接影响着整体系统的性能。在微波毫米波集成电路发展初期,以砷化镓为代表的
ⅲ‑ⅴ
族工艺是高频电路设计领域主要应用技术,但由于工艺复杂,使得该工艺产能不稳定,成本居高不下。而基于硅材料的工艺具有成本低、集成度高等优势,随着特征尺寸的逐步减小,器件的工作频率和射频性能有了很大的提高,越来越多的用来制造射频集成电路。
6.半导体移相器采用无源结构，电路简单体积小，能双向传播信号，且不消耗直流功耗，因此适用于无人机这类对体积和功耗有特殊要求的场景。但是相对有源移相器的缺点是带宽较窄，难以覆盖宽带应用，特别是在宽带卫星通信所在的26.5~40ghz频段。


技术实现要素：

7.针对上述问题，本发明提出一种低功耗宽带无源移相器及相控阵装置，主要将覆盖29~30ghz和18~20.5ghz双频段的两个无源移相器集成到一个电路中，用开关实现两个频段切换，可以解决宽带覆盖的问题。
8.本发明的技术方案为：一种低功耗宽带无源移相器，包括多个依次串联的移相子单元，所述移相子单元包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电容和第二电容；其中，第一开关的一端和第一电感的一端连接，作为移相子单元的一端，第一开关的另一端和第四电感的一端连接，作为移相子单元的另一端；第一电感的另一端和第二开关的一端、第二电感的一端连接；第二电感的另一端和第一电容的一端、第二电
容的一端以及第三电感的一端连接；第一电容的另一端通过第三开关后接地，第二电容的另一端通过第四开关后接地；第三电感的另一端和第二开关的另一端、第四电感的另一端连接；所述移相子单元均覆盖29~30ghz和18~20.5ghz两个频段。
9.进一步的，所述无源移相器的移相精度与移相子单元的数量相对应。
10.进一步的，所述无源移相器是2位精度，则移相子单元的数量为2，分别是180
°
和90
°
移相量。
11.进一步的，所述无源移相器是5位精度，则移相子单元的数量为5，分别是180
°
、90
°
、45
°
、22.5
°
和12.5
°
移相量。
12.一种相控阵装置，包括通道控制器、功分器/功合器模块、多个相控阵通道，每个相控阵通道均分别与通道控制器和功分器/功合器模块连接；所述相控阵通道包括相控阵天线模块、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、低噪声放大器、功率放大器和移相器；所述相控阵天线模块连接第一单刀双掷开关的第一端，第一单刀双掷开关的第二端连接低噪声放大器的输入端，第一单刀双掷开关的第三端连接功率放大器的输出端；低噪声放大器的输出端连接第二单刀双掷开关的第二端，功率放大器的输入端连接第二单刀双掷开关的第三端，第二单刀双掷开关的第一端连接移相器的一端，移相器的另一端连接功分器/功合器模块；所述通道控制器用于接收外部控制信号，并将控制信号发送到每个相控阵通道，从而控制相控阵通道中的单刀双掷开关和移相器；所述第一单刀双掷开关的第一端和第二单刀双掷开关的第一端为使能端，其余两端为固定端；其中移相器为前述方案中的任意一种低功耗宽带无源移相器。
13.本发明的有益效果是：本发明将覆盖29~30ghz和18~20.5ghz双频段的两个无源移相器集成到一个电路中，用开关实现两个频段切换，解决宽带覆盖的问题，同时实现了芯片低功耗、体积小的特点，可以延长电池使用时间，减轻无人机载重。
附图说明
14.图1为相控阵装置结构示意图。
15.图2为双频复用无源移相器结构示意图。
具体实施方式
16.下面结合附图对本发明进行详细描述。
17.如图1所示，图中是相控阵装置结构示意图。
18.其中201是一个通道，包括天线、单刀双掷开关（spdt）、低噪声放大器（lna）、功率放大器（pa）、移相器（phase shifter）等模块以及连接模块的导线。
19.203是通道控制器模块，接收控制信号210，然后将信号211分别发送到各个通道中，控制移相器或者单刀双掷开关等模块。控制信号的频率通常小于50mhz，幅度介于地和电源电压之间，占空比通常是50%。
20.204是相控阵天线模块，把传输线上的电信号变成空间中传播的电磁波，或者进行相反的变换，既用作发射，也用作接收，节省空间。天线模块主要考虑信号幅度、相位分布和单元阻抗，尺寸由波束宽度最窄时的宽度值和副瓣决定，相位分布由波束决定，宽带卫星通信时频率要覆盖29~30ghz和18~20.5ghz两个频段。
21.205是单刀双掷开关模块，由半导体晶体管、无源器件和传输线组成，可以控制输入信号从两个不同的方向输出，因此可以从时间上将发射和接收过程分开。
22.206是低噪声放大器模块，是一种噪声系数很低的放大器，放置在相控阵天线接收端的后级，可以放大微弱的接收信号，以提高输出信噪比。
23.207是功率放大器模块，利用半导体晶体管的放大作用将电源的功率转换为跟随输入信号变化的功率，放置在相控阵天线发射端的最后一级，将输入信号放大到需求功率输出。
24.208与205相同。
25.209是移相器模块，为相控阵中的射频信号提供可控相位差，用于改变双端口网络的传输相位角，可通过模拟信号或数控信号以磁性、机械或电气的方式实现。
26.202是功分器/功合器模块，功分器将一路输入信号能量分成两路或多路输出，反过来将多路信号能量合成一路输出，就是功合器。功分器/功合器分有源、无源两种，一般每分一路都有几db的衰减，信号频率不同，衰减也不同。
27.图2是本发明描述的低功耗宽带无源移相器结构。
28.所述无源移相器由若干个移相子单元组成，子单元包括4个l1~l4电感，4个开关s1~s4，2个电容c1~c2。输入输出端口是p1和p2，可以互换。
29.所述无源移相器根据移相精度决定使用移相子单元的数量，如果是2位精度，则需要2个子单元，分别是180
°
和90
°
移相量；如果是5位精度，分别是180
°
、90
°
、45
°
、22.5
°
和12.5
°
移相量，每个子单元都覆盖29~30ghz和18~20.5ghz两个频段。
30.所述移相子单元以180
°
移相量举例，当信号工作于18~20.5ghz频段时，s1、s2、s4开关处于关断状态，s3处于导通状态。此时，l1~l4为串联形式，信号从l1往l4传输，或者从l4往l1传输，同时电容c1参与阻抗匹配。当信号工作于29~30ghz频段时，s1、s3开关处于关断状态，s2、s4处于导通状态。此时，l1和l4为串联形式，l2和l3被短路，信号从l1往l4传输，或者从l4往l1传输，同时电容c2参与阻抗匹配。当开关s1导通时，无论其余开关是否导通，信号在两个频段上均为直通状态，移相量为0
°
。
31.所述电感值计算公式为：l2=z0*tan(|φ/2|)*(ω2-ω1)/( ω2*ω1)l1=z0*tan(|φ/2|)/ω2其中，z0是特征阻抗，通常为50或者75欧姆；φ是移相量；ω1和ω2分别代表工作的第一和第二频段的中心频点。