一种基于负群延时补偿的实时延时移相器的制造方法
【专利摘要】本发明属于宽带相控技术领域，具体为一种基于负群延时补偿的实时延时移相器电路。本发明实时延时移相器电路为差分结构，由两个差分放大器和一个可调谐负群延时单元组成。负群延时补偿的原理，是利用具有负群延时特征的电路，将其与常规的具有正群延时特征的电路级联，从而互相抵消，在一定频率范围内获得总体的平坦群延时特征。通过调整负群延时补偿的强度，可以改变群延时的值，从而实现对实时延时状态的控制。与传统的开关式实时延时移相器相比，这种电路为有源差分电路，在信号波长较长的情形下可以有效减小电路尺寸，并且可以降低损耗，具有较强的实用价值。
【专利说明】
-种基于负群延时补偿的实时延时移相器
技术领域
[0001] 本发明属于宽带相控技术领域，具体设及一种实时延时移相器。
【背景技术】
[0002] 实时延时移相器是宽带相控阵系统中最重要的一个特色模块。相控阵系统中的常 规移相器，在信号带宽变大的情形下，由于不同频率成分延时不同，会导致孔径效应的出 现。解决办法是将移相器设计为实时延时移相器，因此其延时范围和精度、实现难度、电路 尺寸等是宽带相控阵系统的关键问题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提出一种延时范围宽、精度高，能够对群延时进行控制的实时 延时移相器。
[0004] 首先简述本发明，接着描述可调谐负群延时单元及其控制方法与精度，然后具体 说明负群延时补偿原理。
[0005] 本发明提出的实时延时移相器，是基于基于负群延时补偿的。具体而言，是指具有 正群延时特性的放大器，与负群延时(NGD)电路串联，从而抵消放大器的正群延时特性，使 电路整体呈现出平坦的群延时特性，其中，所述的负群延时电路在结构上是由电感、电容、 电阻的并联组成，参见图2所示。
[0006] 本发明提出的基于负群延时补偿的实时延时移相器，其电路结构如图1所示。电路 为差分结构，包括两个差分放大器和一个可调谐负群延时单元；其输入端是input +和 input-，首先连接到一个差分放大器，接着连接到可调谐负群延时单元(虚线部分），然后连 接到另一个差分放大器，最后是电路输出端OU化Ut+和OU化ut-。两个差分放大器为常规电 路所W未画出具体结构。两个常规差分放大器具有正群延时特性，可调谐负群延时单元具 有负群延时特性，他们级联W后将获得可调谐的平坦化群延时。基于运种"负群延时补偿" 的实时延时移相器，在工作原理上区别于传统的开关式实时延时移相器，后者是让信号通 过不同电长度的信号路径来实现。
[0007] 电长度与信号波长相关，因此对于波长未达毫米波的电路而言，传统实时延时移 相器的尺寸过大，运一缺点在集成电路设计方面尤为明显。本发明提出实时延时移相器，不 设及与波长相关的不同电长度信号路径，因此具有尺寸较小的优点。由于电路中需要放大 器来完成负群延时补偿，提供了一定增益，所W具有损耗较小的优点。
[0008] 负群延时单元的原理如图2所示，运是由电容C、电阻R、电感L组成的并联谐振腔， 输入端input和输出端OU化Ut分别位于两侧。使用时与上下级电路串联，该单元会展现出负 群延时特性。
[0009] 本发明提出的可调谐负群延时单元(如图1中的虚线部分所示），具体可由固定电 阻R、M0S管Ml和M2、可变电容Cvar、固定电容CU固定电感L组成（即固定电阻R，M0S管M1，M0S 管M2,可变电容Cvar和固定电容Cl(运两者串联），固定电感L依次并联）dM0S管Ml和M2具有 可变电阻的特性，其控制电压分别为NGDRESI和NGDRES2 ;可变电容Cvar的控制电压为 NGDCAP，施加在可变电容Cvar、固定电容Cl之间。
[0010] 等效电容是通过固定电容与可变电容串联来实现的，两种电容的取值可W决定总 体等效电容的容值变化范围和变容精度。不同延时状态下负群延时补偿的中屯、频点可能偏 移，运可W通过调节可变电容的控制电压来解决。其表达式为：
其中，Ceqn为等效电容，Ccst为固定电容的容值，Cvar为可变电容的容值，Cmax和Cmin 分别为可变电容的最大值和最小值，x=v/l. 2定义为可变电容控制电压V与其电压控制范围 (0-1.2V)的比值。
[0011] Wx=UO代入，可W得到等效电容的最大和最小容值为：
可见固定电容的串联作用使得等效电容的最大和最小容值降低了。等效电容的变容范 围为：
相比可变电容的变容范围Cmax-Cmin，等效电容的变容范围也降低了。运种情况下，相 同的控制电压变化将导致更小的等效电容变化，换句话说控制精度相应提高，控制精度是 由变容范围决定的。因此，根据电路设计所需要的最大容值、最小容值、变容精度，可W确定 出可变电容、定值电容的取值。
[0012] 等效电阻是通过线性区MOS管实现的，如图1中Ml、M2所示。由于直流被电感短路， 所WMOS管工作在线性区，改变其偏置电压来获得不同的等效电阻。与定值电阻并联后，两 者的巧估化吿总化望满由阳的阳估巧化茄雨巧变阻精度。等效电阻表达式为；
其中，y是迁移率，Cox是单位面积栅氧化层电容，W/L是MOS管宽长比，Vgs是栅极到源极 电压，Vth是阔值电压，Vgt是过驱动电压，k用来概括公式中除电压W外的常数。该式表明控 制电巧台尊泌由阳成巧比羊系。总、由阳尊干商宙由阳与两个等效电阻的并联，其表达式为：
其中，Reqn是总电阻，Rest是固定电阻，公式中包含两个用线性区MOS管等效的电阻Rml 和Rm2,他们与各自的控制电压成比例关系，比例系数分别为kl和k2。运表明总电阻最大值 是Rest,最小值在两个MOS管控制电压都达到最大时取得。利用总电阻的跨导形式：
假设MOS管M2不变，得到总跨导和总电阻的变化量：
MOS管Ml也作类似分析。运表明总电阻的控制精度与控制电压的变化量成反比关系。
[0013] 现在可W用总等效电阻、总等效电容和固定电感来分析负群延时单元的特性。对 于串联支路形式的电感、电容、电阻电路，写出其导纳表达式：
其中，Lcst是固定电感。如果设定了系统参考阻抗Z0(-般为50欧)或与之对应的参考 导纳Y0,就可W通过散射矩阵与阻抗导纳的变换公式得到负群延时单元的传输特性：
进一步得到传输特性的相位特性：
可W看到在IX谐振点，相位为零。在谐振点两侧的频段内，相位变化将呈现等值反号的 特征，因此W谐振点群延时为基准，比它小的群延时将被增大，比它大的群延时将被减小， 从而形成一定频段内的平坦群延时。
[0014] 图3W25-G化频段附近为例，定性示意了负群延时补偿的效果。其中（a)表示在频 段内具有负群延时特性的电路，曲线上扬即表示群延时为负；（b)表示常规高频放大器的群 延时特性，曲线下降即表示群延时为正；（C)表示a、b两个单元串联后的补偿效果，从全频段 来看仍是下降的，然而在25-G化频段附近呈现出近似斜线的下降趋势，在运一频段将曲线 向频率零点方向外推，会看到相位特性曲线交于零点，表明在25-G化频段附近实现了恒定 群延时。
[0015] 上文已经说明了负群延时补偿的原理。在使用中，总等效电阻很大，导致信号大部 分从电感和电容通过时，负群延时补偿的效果很强;总等效电阻很小，导致信号大部分从电 阻通过时，负群延时补偿的效果很弱。根据运一现象实现了对群延时的控制。运一调谐作用 是通过改变总等效电阻和总等效电容来实现的，前面已经分析过它们的控制方法和精度。
[0016] 本发明的突出改进方面在于，有效降低了实时延时移相器的电路尺寸。传统实时 延时移相器需要让信号通过与波长相关的真实物理延时线，在毫米波频段附近及更低频段 内波长仍然达到十毫米量级，对于集成电路而言运是过大的尺寸。另一方面，本发明的电路 集成有辅助放大器，再加上尺寸小也能有效降低实时延时移相器的损耗，运是本发明的优 势之处。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明提出的实时延时移相器结构图，其中放大器为常规结构，故未画出。
[0018] 图2为本发明所使用的负群延时单元原理图。
[0019] 图3为负群延时单元与正群延时单元串联之后，实现负群延时补偿效果的过程说 明。
[0020] 图4将该方法用在24.25-26.65-G化频段内的实时延时移相器，版图后仿真结果 证明了 11个状态的群延时控制功能。群延时变化范围达到17-ps，带内各状态的群延时抖动 最大为2-ps。
[0021] 图5是图4的电路的群延时后仿真结果。
[0022] 图6是图4的电路的S21后仿真结果。
【具体实施方式】
[0023] 本发明基于负群延时补偿的原理，通过正群延时单元与负群延时单元的串联，实 现相互抵消从而在一定频段内获得平坦的群延时特性，运一过程如图3所示。通过调谐等效 电阻和等效电容，控制了负群延时补偿强度，从而实现了不同的群延时状态，达到实时延时 移相器的功能。
[0024] 图4是一个基于负群延时补偿的实时延时移相器设计实例，工作频段为24.25- 26.65-G化，采用TSMC-65nm CMOS-LP工艺。图中已经标注了两个放大器W及中间负群延时 单元的MOS管尺寸W及无源器件值。该电路的PCB、bonding-wire、matching等与核屯吨路无 关的辅助部分未画出，改变NGDRES1、NGDRES2、NGDCAP等控制电压的值可W获得12组延时状 态。图5是该电路的群延时后仿真结果，12组状态可W实现最大17-PS的相对延时(群延时状 态之差），且相对延时精度最低达到1.5-PS，在24.25-26.65-G监频段内相对延时及群延时 相对平坦，最大抖动2-PS左右。图6是该电路的S21后仿真结果，可W看到由于串联放大器的 加入，所有状态的损耗不超过-7.5地。
【主权项】
1. 一种基于负群延时补偿的实时延时移相器，其特征在于，电路为差分结构，包括两个 差分放大器和一个可调谐负群延时单元;其输入端是input-和input-，与第一差分放大器 连接，第一差分放大器与可调谐负群延时单元连接，可调谐负群延时单元输出与第二差分 放大器连接，最后是电路输出端output-和output-;所述可调谐负群延时单元由电感、电 容、电阻的并联组成。2. 根据权利要求1所述的基于负群延时补偿的实时延时移相器，其特征在于，所述可调 谐负群延时单元，具体由固定电阻R、2个M0S管Ml和M2、可变电容Cvar、固定电容C1、固定电 感L组成；2个M0S管Ml和M2具有可变电阻的特性，其控制电压分别为NGDRES1和NGDRES2;可 变电容Cvar的控制电压为NGDCAP，施加在可变电容Cvar、固定电容C1之间。
【文档编号】H03H11/20GK105978531SQ201610298226
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】李巍, 何涞
【申请人】复旦大学