一种Ku波段CMOS六比特位数控移相器的制作方法

本发明涉及一种射频微波集成电路技术领域，尤其涉及一种ku波段cmos六比特位数控移相器。

背景技术：

移相器广泛应用于微波通信、雷达和测量系统中的一种信号控制功能模块，主要用于改变输入信号和输出信号之间的相位差。数控移相器尤其是有源相控阵的重要器件，可以提供电子波束扫描的功能，而且采用无源结构，功耗极低。

传统ku波段cmos无源移相器有以下问题：1、该频段寄生参量影响较大，移相精度低；2、移相范围无法覆盖0度至360度；3、工作带宽窄；4、使用电感较多，芯片面积大；5、每级电路需要提供正负端控制，控制端多。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种移相范围覆盖0度至360度，工作带宽较宽，能覆盖ku波段，面积较小，易于集成在cmos系统芯片中的高移相精度六比特位数控移相器。

对此本发明提出一种ku波段cmos六比特位数控移相器，其包括5.625度移相电路、11.25度移相电路、22.5度移相电路、45度移相电路、90度移相电路和180度移相电路；上述电路均依次串行连接，5.625度移相电路输出端连接11.25度移相电路输入端，11.25度移相电路输出端连接22.5度移相电路输入端，22.5度移相电路输出端连接45度移相电路输入端，45度移相电路输出端连接90度移相电路输入端，90度移相电路输出端连接180度移相电路输入端；移相控制端包括第一控制端、第二控制端、第三控制端、第四控制端、第五控制端和第六控制端，控制电路包括第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器和第六反相器。

其中，5.625度移相电路包括第一场效应管，第二场效应管，第一微带线，第一电容，第一电阻，第二电阻，第一反相器；所述第一电容一端与第一场效应管漏极连接构成信号输入端，第一场效应管源极、第二场效应管漏极、第一电容另一端和第一微带线一端连接在一起，第一微带线另一端与第二场效应管源极一起构成信号输出端，第一电阻一端连接第一场效应管栅极，第一电阻另一端连接第一控制端，同时连接第一反相器正端，第二电阻一端连接第二场效应管栅极，另一端连接第一反相器负端；当第一控制端电压置低时，电路工作状态为参考态，第一场效应管关断，第二场效应管栅极电压控制信号经过第一反相器和第二电阻后为高，第二场效应管导通，输入射频信号由第一电容和第二场效应管通过，相位超前，输出信号相位为x1i；当第一控制端(v1)电压置高时，电路工作状态为移相态，第一场效应管导通，第二场效应管栅极电压控制信号经过反相器和电阻后为低，第二场效应管关断，输入射频信号由第一场效应管和第一电感通过，相位滞后，输出信号相位为x1o；参考态和移相态相位差为x1o-x1i＝5.625度，从而完成移相功能。

其中，11.25度移相电路采用桥t型高低通型移相电路结构，所述11.25度移相电路包括场第三效应管，第四场效应管，第五场效应管，第一电感，第二电容，第二微带线，第三微带线，第三电阻，第四电阻，第五电阻，第二反相器；所述第三场效应管漏极与第二微带线一端连接在一起构成信号输入端，第三场效应管源极与第三微带线一端连接在一起构成信号输出端，第二微带线另一端连接第三微带线另一端，同时连接第四场效应管漏极，第四场效应管源极、第五场效应管漏极、第一电感一端与第二电容一端连接到一起，第一电感另一端、第二电容另一端、第五场效应管源极同时连接到地，第五电阻一端与第二反相器正端一起连接到第二控制端，第五电阻另一端连接第五场效应管栅极，第三电阻另一端连接第三场效应管栅极，第三电阻一端与第四电阻一端一起连接到第二反相器负端，第四电阻另一端连接第四场效应管栅极；当第二控制端电压置低时，电路工作状态为参考态，第三场效应管导通，第四场效应管栅极电压为低，第四场效应管关断，第五场效应管导通，输出信号相位为x2i；当第二控制端电压置高时，电路工作状态为移相态，第三场效应管关断，第四场效应管导通，第五场效应管关断，输出信号相位为x2o；参考态和移相态相位差为x2o-x2i＝11.25度，从而完成移相功能。

其中，22.5度移相电路和45度移相电路结构与11.25度移相电路结构相同，分别完成22.5度移相功能和45度移相功能。

其中，90度移相电路采用t型或π型高低通型移相电路结构，所述90度移相电路包括第十二场效应管，第十三场效应管，第十四场效应管，第十五场效应管，第十六场效应管，第十七场效应管，第十八场效应管，第十九场效应管，第四电感，第五电感，第五电容，第六电容，第七电容，第八电容，第十二电阻，第十三电阻，第十四电阻，第十五电阻，第十六电阻，第十七电阻，第十八电阻，第十九电阻，第五反相器。所述第十二场效应管漏极与第十三场效应管漏极连接在一起构成信号输入端，第十二场效应管源极连接第十六场效应管漏极，同时连接第五电容一端，第五电容另一端连接第六电容一端，同时连接第四电感一端，第四电感另一端接地，第六电容另一端接第十四场效应管源极，同时连接第十八场效应管漏极，第十四场效应管漏极与第十五场效应管漏极连接在一起构成信号输出端，第十三场效应管源极、第七电容一端、第五电感一端与第十七场效应管漏极连接，第五电感另一端、第八电容一端、第十五场效应管源极与第十九场效应管漏极连接，第七电容另一端、第八电容另一端、第十六场效应管源极、第十七场效应管源极、第十八场效应管源极、第十九场效应管源极均接地，第十二电阻一端接第十二场效应管栅极，第十四电阻一端接第十四场效应管栅极，第十七电阻一端接第十七场效应管栅极，第十九电阻一端接第十九场效应管栅极，第十二电阻另一端、第十四电阻另一端、第十七电阻另一端、第十九电阻另一端连接第五反相器正端，同时连接第五控制端，第十三电阻一端接第十三场效应管栅极，第十五电阻一端接第十五场效应管栅极，第十六电阻一端接第十六场效应管栅极，第十八电阻一端接第十八场效应管栅极，第十三电阻另一端、第十五电阻另一端、第十六电阻另一端、第十八电阻另一端连接第五反相器负端。当第五控制端电压置高时，电路工作状态为参考态，第十二场效应管导通，第十四场效应管导通，第十七场效应管导通，第十九场效应管导通，第十三场效应管关断，第十五场效应管关断，第十六场效应管关断，第十八场效应管关断，输出信号相位为x5i；当第五控制端电压置低时，电路工作状态为移相态，第十二场效应管关断，第十四场效应管关断，第十七场效应管关断，第十九场效应管关断，第十三场效应管导通，第十五场效应管导通，第十六场效应管导通，第十八场效应管导通，输出信号相位为x5o，参考态和移相态相位差为x5o-x5i＝90度，从而完成移相功能。

其中，所述180度移相电路(6)采用t型或π型高低通型移相电路结构，用于完成180度移相。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：采用六比特位数字控制电路，移相范围可以覆盖0度至360度，最小移相步进为5.625度；5.625度移相电路采用电容或电感并联开关型高低通型结构，结构简单，没有电感，11.25度移相电路、22.5度移相电路和45度移相电路都只使用了1个电感，90度移相电路和180度移相电路都只使用了2个电感，整体电路电感较少，面积较小；本发明的电路结构充分考虑了ku波段寄生参量，工作频带较宽，移相精度高。控制电路加入反相器，每级电路只连接1个控制端，减少了控制端数量。

附图说明

图1是本发明的ku波段cmos六比特位数控移相器原理方框图；

图2是本发明中5.625度移相电路原理示意图；

图3是本发明中11.25度移相电路原理示意图；

图4是本发明中90度移相电路原理示意图；

图5是本发明64个移相态下插入损耗仿真结果图；

图6是本发明64个移相态下移相仿真结果图。

1.5.625°移相电路2.11.25°移相电路3.22.5°移相电路4.45°移相电路5.90°移相电路6.180°移相电路

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式做出详细说明。

如图1所示，本发明的ku波段cmos六比特位数控移相器电路包括5.625度移相电路1、11.25度移相电路2、22.5度移相电路3、45度移相电路4、90度移相电路5和180度移相电路6。电路均串行连接，5.625度移相电路1输出端连接11.25度移相电路2输入端，11.25度移相电路2输出端连接22.5度移相电路3输入端，22.5度移相电路3输出端连接45度移相电路5输入端，45度移相电路5输出端连接90度移相电路5输入端，90度移相电路5输出端连接180度移相电路6输入端。5.625度移相电路1输入端为信号输入端，180度移相电路6输出端为信号输出端，移相控制端为v1～v6，控制电路包括6个反相器inv1～inv6。

如图2所示，5.625度移相电路1采用电容或电感并联开关型高低通型移相电路结构，包括第一场效应管m1，第二场效应管m2，第一微带线w1，第一电容c1，第一电阻r1，第二电阻r2，第一反相器i1。所述第一电容c1一端与第一场效应管m1漏极连接，一起构成信号输入端，第一场效应管m1源极、第二场效应管m2漏极、第一电容c1另一端和第一微带线w1一端连接在一起，第一微带线w1另一端与第二场效应管m2源极一起构成信号输出端，第一电阻r1一端连接第一场效应管m1栅极，第一电阻r1另一端连接第一控制端v1，同时连接第一反相器inv1正端，第二电阻r2一端连接第二场效应管m2栅极，另一端连接第一反相器inv1负端。当第一控制端v1电压置低时，电路工作状态为参考态，第一场效应管m1关断，第一场效应管m1等效电路近似为一个几十千欧姆电阻，第二场效应管m2栅极电压控制信号经过第一反相器inv1和第二电阻r2后为高，第二场效应管m2导通，输入射频信号由第一电容c1和第二场效应管m2通过，相位超前，输出信号相位为x1i。当第一控制端v1电压置高时，电路工作状态为移相态，第一场效应管m1导通，第二场效应管m2栅极电压控制信号经过反相器和电阻后为低，第二场效应管m2关断，第二场效应管m2等效电路近似为一个几十千欧姆电阻，输入射频信号由第一场效应管m1和第一电感l1通过，相位滞后，输出信号相位为x1o。参考态和移相态相位差为x1o-x1i＝5.625度，从而完成移相功能。

如图3所示，11.25度移相电路采用桥t型高低通型移相电路结构，11.25度移相电路包括场第三效应管m3，第四场效应管m4，第五场效应管m5，第一电感l1，第二电容c2，第二微带线w2，第三微带线w3，第三电阻r3，第四电阻r4，第五电阻r5，第二反相器inv2。所述第三场效应管m3漏极与第二微带线w2一端连接在一起构成信号输入端，第三场效应管m3源极与第三微带线w3一端连接在一起构成信号输出端，第二微带线w2另一端连接第三微带线w3另一端，同时连接第四场效应管m4漏极，第四场效应管m4源极、第五场效应管m5漏极、第一电感l1一端与第二电容c2一端连接到一起，第一电感l1另一端、第二电容c2另一端、第五场效应管m5源极同时连接到地，第五电阻r5一端与第二反相器inv2正端一起连接到第二控制端v2，第五电阻r5另一端连接第五场效应管m5栅极，第三电阻r3另一端连接第三场效应管m3栅极，第三电阻r3一端与第四电阻r4一端一起连接到第二反相器inv2负端，第四电阻r4另一端连接第四场效应管m4栅极。当第二控制端v2电压置低时，电路工作状态为参考态，第三场效应管m3导通，第四场效应管m4栅极电压为低，第四场效应管m4关断，第五场效应管m5导通，输出信号相位为x2i。当第二控制端v2电压置高时，电路工作状态为移相态，第三场效应管m3关断，第四场效应管m4导通，第五场效应管m5关断，输出信号相位为x2o。参考态和移相态相位差为x2o-x2i＝11.25度，从而完成移相功能。22.5度移相电路和45度移相电路结构与11.25度移相电路结构相同，分别完成22.5度移相功能和45度移相功能。

如图4所示，90度移相电路采用t型或π型高低通型移相电路结构，90度移相电路包括第十二场效应管m12，第十三场效应管m13，第十四场效应管m14，第十五场效应管m15，第十六场效应管m16，第十七场效应管m17，第十八场效应管m18，第十九场效应管m19，第四电感l4，第五电感l5，第五电容c5，第六电容c6，第七电容c7，第八电容c8，第十二电阻r12，第十三电阻r13，第十四电阻r14，第十五电阻r15，第十六电阻r16，第十七电阻r17，第十八电阻r18，第十九电阻r19，第五反相器inv5。所述第十二场效应管m12漏极与第十三场效应管m13漏极连接在一起构成信号输入端，第十二场效应管m12源极连接第十六场效应管m16漏极，同时连接第五电容c5一端，第五电容c5另一端连接第六电容c6一端，同时连接第四电感l4一端，第四电感l4另一端接地，第六电容c6另一端接第十四场效应管m14源极，同时连接第十八场效应管m18漏极，第十四场效应管m14漏极与第十五场效应管m15漏极连接在一起构成信号输出端，第十三场效应管m13源极、第七电容c7一端、第五电感l5一端与第十七场效应管m17漏极连接，第五电感l5另一端、第八电容c8一端、第十五场效应管m15源极与第十九场效应管m19漏极连接，第七电容c7另一端、第八电容c8另一端、第十六场效应管m16源极、第十七场效应管m17源极、第十八场效应管m18源极、第十九场效应管m19源极均接地，第十二电阻r12一端接第十二场效应管m12栅极，第十四电阻r14一端接第十四场效应管m14栅极，第十七电阻r17一端接第十七场效应管m17栅极，第十九电阻r19一端接第十九场效应管m19栅极，第十二电阻r12另一端、第十四电阻r14另一端、第十七电阻r17另一端、第十九电阻r19另一端连接第五反相器inv5正端，同时连接第五控制端v5，第十三电阻r13一端接第十三场效应管m13栅极，第十五电阻r15一端接第十五场效应管m15栅极，第十六电阻r16一端接第十六场效应管m16栅极，第十八电阻r18一端接第十八场效应管m18栅极，第十三电阻r13另一端、第十五电阻r15另一端、第十六电阻r16另一端、第十八电阻r18另一端连接第五反相器inv5负端。当第五控制端v5电压置高时，电路工作状态为参考态，第十二场效应管m12导通，第十四场效应管m14导通，第十七场效应管m17导通，第十九场效应管m19导通，第十三场效应管m13关断，第十五场效应管m15关断，第十六场效应管m16关断，第十八场效应管m18关断，输出信号相位为x5i。当第五控制端v5电压置低时，电路工作状态为移相态，第十二场效应管m12关断，第十四场效应管m14关断，第十七场效应管m17关断，第十九场效应管m19关断，第十三场效应管m13导通，第十五场效应管m15导通，第十六场效应管m16导通，第十八场效应管m18导通，输出信号相位为x5o。参考态和移相态相位差为x5o-x5i＝90度，从而完成移相功能。180度移相电路和90度移相电路结构相同，可以完成180度移相功能。

如图5和图6所示，根据仿真结果，本发明一种ku波段cmos六比特位数控移相器电路在14ghz至18ghz工作频带内移相可以覆盖0度至360度，rms移相精度小于4°，插入损耗小于14.4db。

采用六比特位数字控制电路，移相范围可以覆盖0度至360度，最小移相步进为5.625度；5.625度移相电路采用电容或电感并联开关型高低通型结构，结构简单，没有电感，11.25度移相电路、22.5度移相电路和45度移相电路都只使用了1个电感，90度移相电路和180度移相电路都只使用了2个电感，整体电路电感较少，面积较小；本发明的电路结构充分考虑了ku波段寄生参量，工作频带较宽，移相精度高。控制电路加入反相器，每级电路只连接1个控制端，减少了控制端数量。