本发明主要涉及一种移相装置，特别地，涉及一种高精度移相装置。
背景技术：
移相器是一种微波网络模块，用于提供射频(rf)信号的可控相移；被广泛用于卫星通信、车载雷达、5g蜂窝通信、成像、传感等应用中。移相器通常被期望具有以下性能：宽带宽上的平坦相移、低插入损耗、高分辨率(例如，低于2°lsb)、随温度变化的稳定相移、单调的相位响应、仅仅需要正电压等等。
移相器分为模拟移相器和数字移相器两类，模拟移相器提供连续可变的相移或者时延，而数字移相器可提供一系列离散的相移或者时延。模拟移相器和数字移相器均具有各自的优劣势。模拟移相器具有低插入损耗、宽频率范围内的平坦相位响应且单调连续可调和仅需要单一的正控制电压的优势；但是模拟移相器也具有相位随温度变化的问题。传统的高分辨率数字移相器(dps)往往伴随高的插入损耗。此外，具有较高比特数的dps易于具有有限的带宽，以及在一定的频率和相位状态取值下容易发生单调误差。使用了phemt(假晶形高电子迁移率晶体管)技术的单片微波集成电路(mmic)数字移相器需要用于控制或偏置的负电压，增加了控制电路的复杂性。
因此，需要一种能够利用模拟移相器和数字移相器的优势并克服各自缺陷的高精度移相装置。
技术实现要素：
本发明涉及一种高精度移相装置，该高精度移相装置利用模拟移相器和数字移相器的优势并克服了模拟移相器和数字移相器各自的缺陷。
在部分实施例中，本发明的特点在于：一种高精度移相装置包括压控模拟移相器、微控制器(mcu)和数模转换器(dac)。模拟移相器接收射频输入信号并输出射频输出信号，对应不同控制信号的电压控制，该射频输出信号相对于射频输入信号产生不同相移。mcu产生数字控制信号，该数字控制信号通过数模转换器转化为电压控制信号，以控制模拟移相器产生所需的相移角。
在部分实施例中，数模转换器(dac)接收参考电压，参考电压的电压值决定了数模转换器的最大模拟输出值，该最大模拟输出值对应模拟移相器(aps)的最大相移(例如360°或更大)；mcu输出的数字控制信号由dac转换为电压控制信号的电压值，该电压值为参考电压的分数倍；电压控制信号的电压值与参考电压的分数倍比例由具有多个二进制位的数字控制信号的数值决定。相移的分辨率(相移的步长)由最大相移除以数字控制信号的最大数值得到。例如，360°的最大相移角，8位的数字控制信号对应的相移的分辨率为360/28＝1.4度。
在部分实施例中，mcu具有存储器，所述存储器存储有将每个所需的相移值对应存储于一个数字控制信号的特定状态的查找表中。该查找表可在移相装置测试阶段创建以及预加载在存储器中。当需要某一个相移(例如180°)时，mcu从查找表中查询出对应的数字控制信号状态取值，然后将具有该查询出的对应状态取值的数字控制信号输出到dac以产生一个所需的电压控制信号，模拟移相器接收dac产生的电压控制信号以产生所需的相移。
在部分实施例中，移相装置进一步包括温度传感器，用于温度补偿。温度传感器的输出用于修正dac的参考电压或者修正mcu输出的数字控制信号。通过对模拟移相器引入数字化控制和温度补偿，所述移相装置实现了高精度数字控制、宽频带上的平坦相移和相对于温度变化的稳定相移。
在部分实施例中，mcu能够用现场可编程门阵列(fpga)、数字信号处理器(dsp)等其他类型的控制器替换。
本发明与现有技术相比具有如下的优点和有益效果：本发明公开的移相设备具有高精度数字化控制、宽带宽上的平坦相移以及温度变化情况下的稳定相移等优点。
附图说明
附图中示出了本发明的示例性实施例以供参考，附图的作用在于说明而非限制本发明。虽然本发明大致记载于实施例中，但如此做的目的不是将本发明的保护范围限制为所描述实施例的具体技术特征，附图中：
图1示出了现有技术中最低有效位为11.25度的五位数字移相器。
图2示出了数字移相器的一种典型单调误差。
图3示出了宽频带模拟移相器的相移随温度的变化；
图4示出了本发明实施例1中的移相装置的框图；
图5示出了本发明实施例2中的移相装置在不同控制电压下的相移；
图6示出了本发明实施例2中的移相装置的工作流程；
图7示出了本发明实施例3中具有温度补偿功能的移相装置的结构框图；
图8示出了本发明实施例3中的温度传感器在不同温度下的输出电压；
图9示出了本发明实施例3中的模拟移相器在不同的控制电压和温度下的相移；
图10示出了本发明实施例3中的具有温度补偿功能的移相装置的工作流程；
图11示出了本发明实施例4中的另一种具有温度补偿功能的移相装置的结构框图；
图12示出了本发明实施例4中的另一种具有温度补偿功能的移相装置的工作流程。
图13示出了本发明实施例5中的另一种具有粗调/细调功能的移相装置的结构框图；
本领域技术人员应当认识到，根据说明书能够实施本发明的多种实施方式和实施例。所有这些实施方式和实施例均应包含在本发明的保护范围之内。
具体实施方式
在下文的描述中，为了解释本发明，将陈述本发明的具体细节以方便理解，但本发明也可以不通过这些部分或者全部所述的具体细节亦可实施。下文所述的本发明的实施例可能被包含在许多不同的电子器件、电路、设备和系统中。附图的电路框图中所示的系统和设备用以说明本发明的示例性实施例，并且不作为用于模糊本发明宽泛指导的托辞。附图中所示的元件之间的连接关系不限于直接连接，而是能够被修改、重构或者通过中间组件来改变的。
当在说明书中提到“一个实施例”或者“某个实施例”时，所表达的含义是与该实施例有关的具体特性、结构、特征或功能包含在本发明的至少一个所预期的实施例中。因此，说明书中不同位置所出现的短语“在一个实施例中”不构成对本发明单个实施例的多次引用。
图1示出了现有技术中最低有效位为11.25度的五位数字移相器。专利号为6,806,792的美国专利公开的移相器具有输入端23a和输出端23b，该数字移相器包括5个开关线型移相器230a,230b,230c,230d和230e,所有的移相器提供不同的相移。相移被定义为移相器的输入信号和输出信号的相位差。在上述构造的数字移相器中，通过一个5位的控制信号的控制，可以在11.25°～348.75°的范围内、以11.25°为相位步长改变射频输入信号的相位。为了获得更高的相位控制分辨率(更小的步长)，数字移相器需要引入更多的开关线式移相器，以及更多的比特位控制信号。然而，级联的开关线式移相器数量越多通常会带来更高的插入损耗，且限制了带宽以及在一定的频率上易于发生单调误差。
图2示出了一种具有6位控制信号的数字移相器(dps)的一种典型单调误差。该单调误差显示在数字移相器maps-010166的相移-频率(所有状态取值)图中，数字移相器maps-010166的资料可以从网页https://cdn.macom.com/datasheets/maps-010166.pdf上获得。对于数字移相器，当其控制信号增大或者减小时，相移理论上应跟随控制信号单调变化，但是在控制信号的某些特别状态取值下，数字移相器的实际相移会突然脱离单调模式且向与预期相反的方向改变，这种背离被称作为单调误差。如图2所示，该数字移相器在8.5ghz附近出现单调误差。
除了上述单调误差和插入损耗外，其他的不足也限制了传统的数字移相器的应用。例如，使用了高电子迁移率晶体管(hemt)的单片微波集成电路(mmic)数字移相器需要用于控制或偏置的负电压，提高了电路的复杂性，从而限制了其通用性。
与数字移相器相比，模拟移相器(aps)具有低插入损耗、宽频率范围内的平坦相位响应且单调连续可调和仅需要单一的正控制电压的优势；但是模拟移相器也具有相位随温度变化的问题。图3示出了一个在电压控制的宽频带模拟移相器的相移随温度变化。如图3所示，对应于控制温度为+25℃,-40℃和+85℃的相移曲线305、310和315各不相同。这种相移随温度变化需要合理的控制以实现高精度相移控制。
为了克服aps和dps各自的不足，本发明公开了一种同时利用了数字移相器和模拟移相器的各自优势的高精度移相装置。
【实施例1】
图4示出了本实施例中的移相装置的框图；移相装置100包括微控制器(mcu)110、数模转换器(dac)120、压控模拟移相器130、mcu110产生数字控制信号112，该数字控制信号112通过dac120转换为控制电压124以控制压控模拟移相器达到所需的相移角。压控模拟移相器130接收射频输入信号134并输出具有所需相移的射频输出信号136，射频输出信号136相对于射频输入信号134具有所需的相移。mcu110同样可以输出控制信号114来使能或不使能dac120。
本实施例中，dac120接收参考电压122，参考电压122的电压值决定了dac的最大模拟输出值，该最大模拟输出值与模拟移相器(aps)的最大相移(例如360°或更大)相关；mcu输出的数字控制信号112由dac转换为一个控制电压124，该控制电压的电压值为参考电压的分数倍；电压控制信号的电压值与参考电压的分数倍比例由具有多个二进制位的数字控制信号的数值决定。例如，如图4所示，数字控制信号包括8个二进制位db0～db7。相移的分辨率(相移控制的步长)由最大相移除以数字控制信号的最大数值决定。例如，对于360°的最大相移角，8位的控制信号对应的相移控制精度为360/28＝1.4度。
【实施例2】
在实施例1的基础上，本实施例中还对移相装置作如下改进：
在部分实施例中，mcu110具有存储器116，该存储器116存储有关于每个相移值(例如0°到360°，步长为2°)与数字控制信号的具体取值对应情况的查找表。该查找表可在移相装置测试阶段创建以及预加载在存储器中。测试阶段可以进行多种测试，这些测试包括仅在频率条件下的不同控制电压的测试(即，在一个频率或多个不同频率下的不同控制电压的测试)、仅在温度条件下的不同控制电压的测试(即，在一个温度或多个不同温度下的不同控制电压的测试)、同时在频率和温度条件的不同控制电压的测试(即，一个频率或多个不同频率下且在一个温度或多个不同温度下的不同控制电压的测试)；下面的表1示出了一种8位数字控制信号的选定条目的示例性的查找表。当需要某一个相移(例如180°)时，mcu从查找表中查询出对应的数字控制信号状态取值，然后将具有该查询出的对应状态取值的数字控制信号输出到dac以产生一个所需的电压控制信号(即控制电压124)，模拟移相器接收dac产生的电压控制信号以产生所需的相移。本实施例中，存储器116可以采用一个外部存储器，但是mcu可以访问该存储器实现数据读取。
表1相移与数字控制信号状态取值查找表
在本实施例中，aps130的相移与电压控制信号(即控制电压124)的控制电压值并不具有完全的线性。图5示出了本实施例中的移相装置在不同控制电压下的相移。图5包括了在8ghz、12ghz、10ghz下的关于相位随电压变化的相移曲线505、510和515；所有的相移曲线在25℃条件下测试获得的，都至少具有部分非线性变化的部分。通过图5示出的测试数据，在移相装置测试阶段皆可以创建出一个查找表并预加载到存储器中。使用该查找表查询一个所需相移对应的数字控制信号状态取值就可以对相移实施直接的线性控制。例如，为了达到一个相移范围为0～360°、步长为2°的相移控制，数字控制信号至少需要180种状态取值。因此，数字控制信号至少需要8位(对应28＝256种可用的状态取值)来满足至少180种状态取值的需要。将从256种状态取值中选出的180种状态取值与180个相移角分别关联，用于对相移进行线性控制的精确的查找表就创建了。由于上述提到的实际相移曲线中的非线性部分的存在，从256种可选的状态取值中选取出的180种状态取值可能不是线性分布或均衡分布的。如果数字控制信号的状态取值在没有查找表的情况下被线性调整，那么实际的相移控制将不是线性的。
图6示出了本实施例中的移相装置的工作流程：
步骤605：确定一个电压值足够将aps调谐到至少360°相移的参考电压作为dac的最大电压输出；
步骤610：创建查找表，查找表中使得每个特定的dac输出电压(在众多dac输出电压中的)控制下的相移值(例如从0～360°，步长为2°)与数字控制信号的状态取值相对应；
步骤615：将查找表存储到mcu内部的存储器或者能够被mcu访问的存储器中；
步骤620：mcu通过核查查找表确认所需相移所对应的数字控制信号的状态取值，并输出具有确认后的对应状态取值的数字控制信号；
步骤625：dac将数字控制信号转换为对应的控制电压，该控制电压控制aps输出具有所需相移(相对于射频输入信号)的射频输出信号。
【实施例3】
在实施例1或实施例2的基础上，在部分实施例中，移相装置进一步包括温度传感器，用于温度补偿，图7示出了本实施例中具有温度补偿功能的移相装置的结构框图。与图1中的移相装置100相比，本实施例中的移相装置700进一步包括温度传感器710和混频器720。温度传感器710检测环境温度，并输出一个表征环境温度的输出电压vout712，混频器720接收输出电压vout712和参考电压vref122以输出一个修正后的参考电压vref′722。dac120在数字控制信号112和修正后的参考电压vref′722的基础上输出一个温度补偿后的控制电压vt128。
图8示出了本实施例中的温度传感器在不同温度下的输出电压。图9示出了本实施例中的模拟移相器(aps)在不同的控制电压和温度下的相移。图9包括在10ghz频率下，分别在+25℃、+85℃、-40℃温度下获得的不同控制电压对应的相移曲线905、910和915。从图9可以看出，在相同的控制电压下，被测aps在温度较高时具有更高的相移角，因此，为使移相装置输出实际所需的相移值，这种温度变化效应需要被处理。
在本实施例中，混频器720在参考电压vref122中加上或者减去输出电压vout712以产生修正后的参考电压vref′722；前述加上或减去的运算为加权运算，如下面的公式(1)所示：
vref′＝vref+k×vout(1)。
其中，k为放大系数，用于保证最小温度变化下vref′的准确性。k可以为正值或负值，根据温度传感器的电压-温度特性和aps的温度变化而定。例如，对一个正电压-温度特性(即温度越高电压输出越大)的温度传感器和正温度变化(即温度越高相移越大)的aps，放大系数k应为负值，使得修正后参考电压vref′低于参考电压vref，这样在温度升高的情况下，温度补偿后的控制电压128才能被减小，以减小温度变化的影响。
图10示出了本实施例中的具有温度补偿功能的移相装置的工作流程：
步骤1005：温度传感器输出一个指示环境温度的输出电压；
步骤1010：混频器通过从参考电压中加上或者减去温度传感器输出的输出电压产生一个修正后的参考电压；修正前的参考电压可以通过图6中步骤605公开的相同流程确认得到；
步骤1015：dac接收修正后的参考电压与所需相移角状态取值相对应的数字控制信号；该所需相移角相对应的数字控制信号状态取值可由mcu采用图6中步骤610-620公开的相同的流程输出；
步骤1020：dac基于具有对应状态取值的数字控制信号和修正后的参考电压722输出温度补偿后的控制电压到aps；
步骤1025：aps接收温度补偿后的控制电压并产生所需的相移角。
【实施例4】
图11示出了本实施例中的另一种具有温度补偿功能的移相装置1100的结构框图；移相装置1100包括温度传感器1110和模数转换器(adc)1120，温度传感器1110检测环境温度，并输出一个表征环境温度的输出电压vout1112。adc1120接收输出电压vout1112并输出一个数字温度信号td1122。mcu110接收数字温度信号td1122，并输出调整后的数字控制信号118。dac120接收调整后的数字控制信号118和参考电压122，并输出一个温度补偿后的控制电压vt129来控制aps达到所需的相移角。aps130通过输入引脚rfin接收射频输入信号134，通过输出引脚rfout输出射频输出信号136，该射频输出信号136相对于射频输入信号134具有所需的相移。在部分实施例中，aps的射频输入端口和射频输出端口可以互换，即aps130是双向的。
图12示出了本实施例中的另一种具有温度补偿功能的移相装置1100的工作流程：
步骤1205：温度传感器输出表征环境温度的输出电压vout；
步骤1210：adc接收输出电压vout并输出一个数字化的温度信号td；
步骤1215：mcu基于数字化的温度信号td以及从查找表中查询的与所需相移角相对应的数字控制信号状态取值生成一个调整后的数字控制信号；
步骤1220：dac基于参考电压和调整后的数字控制信号输出一个温度补偿后的控制电压到aps；
步骤1225：aps接收温度补偿后的控制电压并形成所需的相移角。
【实施例5】
图13示出了本实施例中的另一种具有粗调/细调功能的移相装置1300的结构框图。移相装置1300包括mcu1310，所述mcu1310与至少2个dac耦合，例如，与第一dac1330和第二dac1340耦合，本实施例中，mcu1310输出多个比特的数字控制信号，该数字控制信号分为2组，分别为第一组控制信号1312和第二组数字控制信号1314，2组数字控制信号分别耦合到第一dac1330和第二dac1340。第一组控制信号1312为数字控制信号的最低有效位，例如8位数字控制信号中的db0～db3；第二组控制信号1314为数字控制信号的最高有效位，例如8位数字控制信号中的db4～db7。
本实施例中，第一dac1330为细调8位dac，其最高有效位输入db7:db4连接固定电位(逻辑高电平vdd或逻辑低电平gnd)，其最低有效位输入db3:db0由mcu控制以提供第一控制电压(用于细调)vt11332对第一aps1350进行细调，第一aps1350的第一射频输入端口1352接收射频输入信号rf1、第一射频输出端口1354输出第一射频输出信号rf1out，该第一射频输出信号rf1out相对于第一射频输入信号rf1具有所需的第一相移。第二dac1340为粗调8位dac，其最低有效位db3:db0连接固定电位(逻辑高电平vdd或逻辑低电平gnd)，其最高有效位db7:db4由mcu控制以提供第二控制电压(用于粗调)vt21342对第二aps1360进行粗调，第二aps1360的第二射频输入端口1362接收第一射频输出信号rf1out、第二射频输出端口1364输出第二射频输出信号rf2(最终输出)，该第二射频输出信号rf2相对于第一射频输出信号rf1out具有所需的第二相移。第一dac1330的参考电压vref1和第二dac1340的参考电压vref2可以由相同的电压源提供，这样具有相同的电压值；第一dac1330的参考电压vref1和第二dac1340的参考电压vref2也可以分别供电，有不同的电压值。第一aps1350和第二aps1360串联，提供输出信号rf2相对于输入信号rf1的所需的总体相移，该总的所需的相移为所需的第二相移和所需的第一相移的总和。本实施例中射频信号通过rf1和rf2为双向的，即：rf1作为输入信号，rf2作为输出信号；反之亦然，rf1可作为输出信号，rf2对应作为输入信号。在其他实施例中，第二dac1340和第二aps1360也可采用被mcu输出的用于粗调的4位数字控制信号(db7:db4)控制的4位dps替代。在其他实施例中，第二dac1340的比特输入个数与数字控制信号的位数相同以向第二aps1360提供一个粗调控制电压，所述数字控制信号具有1个或多个比特；例如4位的dac接收4比特的多位数字控制信号，而不是采用8位的dac，使dac的db3:db0接地。
通过指定一个aps(或dps)用于粗调，而另一个aps用于细调，移相装置1300可以实现高线性，并减少在整个相移控制中mcu的控制器预先装载的状态取值总量，这是单一的aps很难实现的。
本领域技术人员应当明白，上述温度补偿的实施方式也同样适用于移相装置1300。例如，温度传感器可以耦合到第一dac1330和/或第二dac1340来修正参考电压vref1和/或参考电压vref2以进行适当的温度补偿。这种变化也应包含在本发明的保护范围内。
通过对模拟移相器引入数字化控制和温度补偿，本发明各实施例公开的移相装置获得了高精度数字化控制、宽频带上平坦的相移以及温度变化情况下的稳定相移。
本发明的上述描述用于清楚说明和理解本发明，而不是用于将本发明限制在所公开的精确形式中，在所公开的内容上做出的各种修改也同样有可能落入本发明权利要求书的保护范围中。
本领域技术人员应当理解的是前文所述的示例和实施例是示例性的，而不是用于限制本发明的保护范围的。所有根据阅读本发明说明书及研究本发明附图后所作出的对于本领域技术人员来说显而易见的置换、增强、等同、结合和改进都应落入本发明的精神和保护范围中。
还应当注意的是，各权利要求中所提及的元件之间可以进行不同的布置，包括具有多种依赖关系、结构及组合。例如，在某些实施例中，各权利要求的主要内容可以相互结合。