ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ВЕКТОРНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ Российский патент 2018 года по МПК H01P1/18 

Изобретение относится к областям радиотехники и связи и может быть использовано при разработке высокочастотных монолитных интегральных схем фазовращателей.

Известен фазовращатель [патент FR №2984638, МПК Н03Н 11/20, H04L 27/10, опубликованный 21.06.2013], состоящий из двух усилителей с переменным коэффициентом усиления в виде ячеек Гильберта, нагрузки и преобразователей частоты. Фазовый сдвиг осуществляется за счет перемножения высокочастотного сигнала с квадратурными опорными сигналами и переносом на промежуточную частоту. Недостатком данной схемы является увеличенная ошибка установки фазы, зависящая от амплитудно-фазового дисбаланса опорного колебания.

Известен фазовращатель [патент US №8687968, МПК Н04В 10/00, Н04В 10/50, опубликованный 01.04.2014], состоящий из фазосдвигающей цепи с двумя входами, двух усилителей с переменным коэффициентом усиления, сумматора и схемы управления. В качестве фазосдвигающей цепи предложено использование схемы из нескольких дифференциальных усилителей или полифазного RC-фильтра с дифференциальным входом. При этом для работы фазовращателя необходим входной дифференциальный сигнал, что требует введения в схему симметрирующего устройства для преобразования входного небалансного сигнала. Недостатком данной схемы являются увеличенная ошибка установки фазы и массогабаритные характеристики фазовращателя, снабженного симметрирующим устройством.

Известен фазовращатель [патент RU №2510980, МПК Н01Р 1/18, опубликованный 10.04.2012], выбранный за прототип, который включает полифазный RC-фильтр с двумя входами, аналоговый квадратурный дифференциальный сумматор, состоящий из двух дифференциальных усилителей с переменным коэффициентом усиления в виде ячеек Гильберта и нагрузки, источник питания, цифроаналоговый преобразователь, источник напряжений смещения, преобразователь дифференциального сигнала в небалансный. Выходы полифазного RC-фильтра соединены со входами аналогового квадратурного дифференциального сумматора. Выходы сумматора подключены к входам преобразователя дифференциального сигнала в небалансный. Для работы фазовращателя требуется входной дифференциальный сигнал, формируемый из небалансного сигнала внешним входным симметрирующим устройством с одним входом и двумя выходами. Первый выход симметрирующего устройства подключен к первому входу полифазного RC-фильтра, второй выход симметрирующего устройства подключен ко второму входу полифазного RC-фильтра. Недостатком данной схемы является увеличение ошибки установки фазы из-за использования внешнего входного симметрирующего устройства, поскольку амплитудно-фазовый дисбаланс симметрирующего устройства непосредственно влияет на амплитуды и фазы сигналов, в результате сложения которых формируется выходной сигнал фазовращателя. Кроме этого, схема с внешними элементами имеет худшие массогабаритные характеристики по сравнению с полностью интегральным решением.

Технической проблемой изобретения является создание фазовращателя с небалансным входом, уменьшенной ошибкой установки фазы и улучшенными массогабаритными характеристиками за счет исключения внешнего входного симметрирующего устройства.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что аналогично прототипу высокочастотный векторный фазовращатель включает полифазный RC-фильтр, первый вход которого является входом фазовращателя, аналоговый квадратурный дифференциальный сумматор, состоящий из двух дифференциальных усилителей с переменным коэффициентом усиления в виде ячеек Гильберта и нагрузки, подключенной к шине питания, цифроаналоговый преобразователь, источник напряжений смещения, преобразователь дифференциального сигнала в небалансный. В отличие от прототипа второй вход полифазного RC-фильтра заземлен. Дополнительно фазовращатель содержит блок ослабления синфазной составляющей, имеющий дифференциальный вход, соединенный с аналоговым квадратурным дифференциальным сумматором, два входа напряжений смещения, подключенные к выходам источника напряжений смещения, дифференциальный выход, соединенный с преобразователем дифференциального сигнала в небалансный.

Блок ослабления синфазной составляющей, в частном случае, может содержать первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой конденсаторы, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой резисторы, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой МОП-транзисторы, первую и вторую катушки индуктивности.

Первый конденсатор подключен к истоку первого МОП-транзистора, стоку второго МОП-транзистора и второму конденсатору. Третий конденсатор подключен к истоку третьего МОП-транзистора, стоку четвертого МОП-транзистора и четвертому конденсатору. Исток второго МОП-транзистора и исток четвертого МОП-транзистора соединены. Затвор второго МОП-транзистора и затвор четвертого МОП-транзистора соединены. Затвор первого МОП-транзистора подключен к первому резистору и четвертому конденсатору. Затвор третьего МОП-транзистора подключен ко второму резистору и второму конденсатору. Первый резистор и второй резистор соединены. Сток первого МОП-транзистора подключен к истоку пятого МОП-транзистора и пятому конденсатору. Сток третьего МОП-транзистора подключен к истоку шестого МОП-транзистора и шестому конденсатору. Затвор пятого МОП-транзистора подключен к третьему резистору и шестому конденсатору. Затвор шестого МОП-транзистора подключен к четвертому резистору и пятому конденсатору. Сток пятого МОП-транзистора подключен к первой катушке индуктивности и пятому резистору. Сток шестого МОП-транзистора подключен ко второй катушке индуктивности и шестому резистору. Первая и вторая катушка индуктивности, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы соединены.

Дифференциальный вход блока ослабления синфазной составляющей состоит из положительного и отрицательного входов. Положительный вход блока ослабления синфазной составляющей подключен к первому конденсатору. Отрицательный вход блока ослабления синфазной составляющей подключен к третьему конденсатору. Исток второго МОП-транзистора и исток четвертого МОП-транзистора заземлены. Затвор второго МОП-транзистора и затвор четвертого МОП-транзистора подключены к первому входу напряжения смещения. Первый резистор и второй резистор подключены ко второму входу напряжения смещения. Третий, четвертый, пятый, шестой резисторы, первая и вторая катушки индуктивности подключены к шине питания. Дифференциальный выход блока ослабления синфазной составляющей состоит из первого и второго выходов. Положительный выход блока ослабления синфазной составляющей подключен к первой катушке индуктивности, пятому резистору и стоку пятого МОП-транзистора. Отрицательный выход блока ослабления синфазной составляющей подключен ко второй катушке индуктивности, шестому резистору и стоку шестого МОП-транзистора.

Введение блока ослабления синфазной составляющей позволяет подключить небалансный выход источника сигнала напрямую к первому входу полифазного RC-фильтра, заземлив второй вход. При небалансном входном сигнале с выхода полифазного RC-фильтра на входы аналогового квадратурного дифференциального сумматора поступают непротивофазные сигналы с различными амплитудами и фазами. Из-за низкого коэффициента ослабления синфазной составляющей дифференциальных усилителей, входящих в состав аналогового квадратурного дифференциального сумматора, выходной сигнал сумматора содержит как разностную, так и синфазную компоненты. Блок ослабления синфазной составляющей увеличивает коэффициент ослабления синфазной составляющей. В результате отсутствует потребность во внешнем входном симметрирующем устройстве, существенно увеличивающем ошибку установки фазы из-за собственного амплитудно-фазового дисбаланса. При этом достигается уменьшение массогабаритных характеристик за счет полностью интегрального исполнения фазовращателя.

Блок ослабления синфазной составляющей также может быть реализован на основе трансформатора, например, по патенту US №20140225698, МПК H01F 27/29, H01F 41/04, опубликованному 01.04.2014, или дифференциального усилителя, например, по патенту US №3970950, МПК H03F 3/45, опубликованному 20.07.1976.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется графическими материалами, представленными на фиг. 1-4:

на фиг. 1 изображена структурная схема фазовращателя;

на фиг. 2 изображена принципиальная схема частного случая реализации блока ослабления синфазной составляющей;

на фиг. 3 представлена векторная диаграмма полифазного RC-фильтра с небалансным входом;

на фиг. 4 представлены зависимости среднеквадратичного отклонения ошибки установки фазы от частоты для фазовращателя, снабженного симметрирующим устройством, и предлагаемого фазовращателя.

Высокочастотный векторный фазовращатель (фиг. 1) включает полифазный RC-фильтр 1, цифроаналоговый преобразователь 2, аналоговый квадратурный дифференциальный сумматор 3, дифференциальные усилители 4 и 5, нагрузку 6, блок 7 ослабления синфазной составляющей, преобразователь 8 дифференциального сигнала в небалансный, источник 9 напряжений смещения, шину питания 10. При этом высокочастотный небалансный вход полифазного RC-фильтра 11 является входом фазовращателя, входы цифроаналогового преобразователя 2 являются входами 12 цифровых управляющих сигналов фазовращателя, выход преобразователя 8 дифференциального сигнала в небалансный является высокочастотным небалансным выходом 13 фазовращателя.

К выходам полифазного RC-фильтра 1 подключены высокочастотные входы аналогового квадратурного дифференциального сумматора 3, который состоит из двух одинаковых дифференциальных усилителей 4 и 5 с переменным коэффициентом усиления на основе ячейки Гильберта. Управляющий дифференциальный вход каждого усилителя 4 и 5 подключен к одной из двух пар дифференциальных выходов цифроаналогового преобразователя 2. Дифференциальные выходы усилителей 4 и 5 подключены к выводам нагрузки 6, которая обеспечивает питание усилителей 4 и 5 от шины питания 10, и к дифференциальному входу блока 7 ослабления синфазной составляющей. Дифференциальный вход преобразователя 8 дифференциального сигнала в небалансный подключен к дифференциальному выходу блока 7 ослабления синфазной составляющей. Выходы источника 9 напряжений смещения подключены к входам напряжений смещения блока 7 ослабления синфазной составляющей.

Принципиальная схема частного случая реализации блока ослабления синфазной составляющей изображена на фиг. 2 и состоит из первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого конденсаторов, первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого резисторов, первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого МОП-транзисторов, первой и второй катушек индуктивности, соединенных следующим образом: первый конденсатор 14 подключен к истоку первого МОП-транзистора 15, стоку второго МОП-транзистора 16 и второму конденсатору 17. Третий конденсатор 18 подключен к истоку третьего МОП-транзистора 19, стоку четвертого МОП-транзистора 20 и четвертому конденсатору 21. Исток второго МОП-транзистора 16 и исток четвертого МОП-транзистора 20 соединены. Затвор второго МОП-транзистора 16 и затвор четвертого МОП-транзистора 20 соединены. Затвор первого МОП-транзистора 15 подключен к первому резистору 22 и четвертому конденсатору 21. Затвор третьего МОП-транзистора 19 подключен ко второму резистору 23 и второму конденсатору 17. Первый резистор 22 и второй резистор 23 соединены. Сток первого МОП-транзистора 15 подключен к истоку пятого МОП-транзистора 24 и пятому конденсатору 25. Сток третьего МОП-транзистора 19 подключен к истоку шестого МОП-транзистора 26 и шестому конденсатору 27. Затвор пятого МОП-транзистора 24 подключен к третьему резистору 28 и шестому конденсатору 27. Затвор шестого МОП-транзистора 26 подключен к четвертому резистору 29 и пятому конденсатору 25. Сток пятого МОП-транзистора 24 подключен к первой катушке индуктивности 30 и пятому резистору 31. Сток шестого МОП-транзистора 26 подключен ко второй катушке индуктивности 32 и шестому резистору 33. Третий резистор 28, четвертый резистор 29, пятый резистор 31, шестой резистор 33, первая катушка индуктивности 30, вторая катушка индуктивности 32 соединены.

Дифференциальный вход блока 7 ослабления синфазной составляющей состоит из положительного входа 34 и отрицательного входа 35. Положительный вход 34 блока 7 ослабления синфазной составляющей подключен к первому конденсатору 14. Отрицательный вход 35 блока 7 ослабления синфазной составляющей подключен к третьему конденсатору 18. Исток второго МОП-транзистора 16 и исток четвертого МОП-транзистора 20 заземлены. Затвор второго МОП-транзистора 16 и затвор четвертого МОП-транзистора 20 подключены к первому входу 36 напряжения смещения. Первый резистор 22 и второй резистор 23 подключены ко второму входу 37 напряжения смещения. Третий 28, четвертый 29, пятый 31, шестой 33 резисторы, первая 30 и вторая 32 катушки индуктивности подключены к шине питания 10. Дифференциальный выход блока 7 ослабления синфазной составляющей состоит из положительного выхода 38 и отрицательного выхода 39. Положительный выход 38 блока 7 ослабления синфазной составляющей подключен к первой катушке индуктивности 30, пятому резистору 31 и стоку пятого МОП-транзистора 24. Отрицательный выход 39 блока 7 ослабления синфазной составляющей подключен ко второй катушке индуктивности 32, шестому резистору 33 и стоку шестого МОП-транзистора 26.

Фазовращатель работает следующим образом. Входной небалансный сигнал U_вх поступает на вход 11 фазовращателя и, проходя через полифазный RC-фильтр 1, преобразуется в четыре выходных сигнала полифазного RC-фильтра U_Ip, U_Qp, U_In, U_Qn (фиг. 3), которые поступают на аналоговый квадратурный дифференциальный сумматор 3.

Пара сигналов U_Ip и U_In поступает на дифференциальный усилитель 4, где при вычитании формируется сигнал, содержащий разностную U_dI и синфазную U_cI составляющие. Пара сигналов U_Qp и U_Qn поступает на дифференциальный усилитель 5, где при вычитании формируется сигнал, содержащий разностную U_dQ и синфазную U_cQ составляющие. Выходные сигналы усилителей 4 и 5, амплитуды которых определяются сигналами на дифференциальных выходах цифроаналогового преобразователя 2, складываются в общей нагрузке 6. В результате на выходе квадратурного дифференциального сумматора 3 формируется выходной дифференциальный сигнал, содержащий противофазный сигнал с требуемым фазовым сдвигом, и паразитный синфазный сигнал. Сигналы с выходов аналогового квадратурного дифференциального сумматора 3 поступают на входы 34 и 35 блока 7 ослабления синфазной составляющей, где происходит подавление паразитного синфазного сигнала.

Сигнал, поступающий на вход 34 блока 7 ослабления синфазной составляющей через конденсатор 14, подается на исток МОП-транзистора 15 и через конденсатор 17 - на затвор МОП-транзистора 19. Сигнал, поступающий на вход 35 блока 7 ослабления синфазной составляющей через конденсатор 18, подается на исток МОП-транзистора 19 и через конденсатор 21 - на затвор МОП-транзистора 15.

Для противофазного сигнала при увеличении напряжения на истоке МОП-транзистора 15 и затворе МОП-транзистора 19 происходит уменьшение напряжения на истоке МОП-транзистора 19 и затворе МОП-транзистора 15, при уменьшении напряжения на истоке МОП-транзистора 15 и затворе МОП-транзистора 19 происходит увеличение напряжения на истоке МОП-транзистора 19 и затворе МОП-транзистора 15. Таким образом, на одном полупериоде МОП-транзистор 15 уменьшает протекающий ток, а МОП-транзистор 19 увеличивает протекающий ток, в то время как на другом полупериоде МОП-транзистор 19 уменьшает протекающий ток, а МОП-транзистор 15 увеличивает протекающий ток, что приводит к появлению выходного сигнала на выходах 38 и 39 блока 7.

Для синфазного сигнала при увеличении напряжения на истоке МОП-транзистора 15 и затворе МОП-транзистора 19 происходит увеличение напряжения на истоке МОП-транзистора 19 и затворе МОП-транзистора 15, при уменьшении напряжения на истоке МОП-транзистора 15 и затворе МОП-транзистора 19 происходит уменьшение напряжения на истоке МОП-транзистора 19 и затворе МОП-транзистора 15. Таким образом, напряжение затвор-исток МОП-транзисторов 15 и 19, ток через МОП-транзисторы 15 и 19 и выходной сигнал не изменяются, что приводит к ослаблению синфазной составляющей входного сигнала.

Для увеличения коэффициента ослабления синфазной составляющей последовательно включена еще одна пара МОП-транзисторов 24 и 26 в аналогичном режиме работы. При этом сигнал со стока МОП-транзистора 15 поступает на затвор МОП-транзистора 26 через конденсатор 25, а сигнал со стока МОП-транзистора 19 поступает на затвор МОП-транзистора 24 через конденсатор 27.

МОП-транзисторы 16 и 20 задают рабочие токи схемы. Катушки индуктивности 30 и 32 компенсируют паразитные емкости МОП-транзисторов. Смещение рабочих точек МОП-транзисторов 16, 20 осуществляется через вход 36 источником 9 напряжений смещения. Смещение рабочих точек МОП-транзисторов 15, 19 осуществляется через вход 37 источником 9 напряжений смещения через резисторы 22, 23. Смещение рабочих точек МОП-транзисторов 24, 26 осуществляется шиной питания 10 через резисторы 28 и 29. Сигнал с выходов 38 и 39 блока 7 ослабления синфазной составляющей поступает на вход преобразователя 8, где преобразуется из дифференциальной формы в небалансную и поступает на выход фазовращателя 13 с требуемым фазовым сдвигом.

Для подтверждения решения технической проблемы проведено компьютерное моделирование двух схем шестиразрядных фазовращателей. Первая схема состояла из симметрирующего устройства на основе RLC-цепи, полифазного RC-фильтра с двумя входами, квадратурного дифференциального сумматора, преобразователя дифференциального сигнала в небалансный, цифроаналогового преобразователя, источника нпряжений смещения. Вторая схема состояла из полифазного RC-фильтра с одним входом, второй вход заземлен, квадратурного дифференциального сумматора, блока подавления синфазной составляющей, преобразователя дифференциального сигнала в небалансный, цифроаналогового преобразователя, источника напряжений смещения. В качестве цифроаналогового преобразователя и источника напряжений смещения в обоих случаях были использованы идеальные источники для исключения влияния ошибок этих блоков. Моделирование зависимостей абсолютной ошибки установки фазы от частоты в полосе 9,0-11,0 ГГц для каждого значения управляющего сигнала проводилось при одинаковых высокочастотных и цифровых управляющих сигналах. На фиг. 4 представлены зависимости среднеквадратичного отклонения ошибки установки фазы от частоты, вычисленные на основе значений абсолютной ошибки установки фазы, для схемы с симметрирующим устройством (а) и для предлагаемого технического решения (б). Как видно из приведенных зависимостей, применение предлагаемого технического решения позволяет уменьшить ошибку установки фазы более чем в два раза при отстройке на 1 ГГц от центральной частоты диапазона. При этом чем шире полоса рабочих частот и хуже характеристики симметрирующего устройства, тем значительнее уменьшение ошибки установки фазы фазовращателя за счет применения предложенного технического решения.

Предложенное схемотехническое решение позволило синтезировать схему фазовращателя с небалансным входом без использования дополнительного симметрирующего устройства, что позволило снизить ошибку установки фазы фазовращателя за счет исключения амплитудно-фазового дисбаланса симметрирующего устройства и уменьшить массогабаритные характеристики за счет полностью интегрального исполнения без использования внешних элементов.

Изобретение относится к областям радиотехники и связи. Сущность заявленного устройства заключается в том, что высокочастотный векторный фазовращатель включает полифазный RC-фильтр, первый вход которого является входом фазовращателя, а второй вход заземлен, аналоговый квадратурный дифференциальный сумматор, состоящий из двух дифференциальных усилителей с переменным коэффициентом усиления в виде ячеек Гильберта и нагрузки, подключенной к шине питания, цифроаналоговый преобразователь, источник напряжений смещения, преобразователь дифференциального сигнала в небалансный, выход которого является выходом фазовращателя. Дополнительно фазовращатель содержит блок ослабления синфазной составляющей, включенный между аналоговым квадратурным дифференциальным сумматором и преобразователем дифференциального сигнала в небалансный и подключенный к источнику напряжений смещения. Технический результат от реализации заявленного изобретения направлен на разработку высокочастотного векторного фазовращателя с небалансным входом для уменьшения ошибки установки фазы и снижения массогабаритных характеристик устройства. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Высокочастотный векторный фазовращатель, включающий полифазный RC-фильтр, первый вход которого является входом фазовращателя, аналоговый квадратурный дифференциальный сумматор, состоящий из двух дифференциальных усилителей с переменным коэффициентом усиления в виде ячеек Гильберта и нагрузки, подключенной к шине питания, преобразователь дифференциального сигнала в небалансный, выход которого является выходом фазовращателя, цифроаналоговый преобразователь, источник напряжений смещения, отличающийся тем, что дополнительно содержит блок ослабления синфазной составляющей, имеющий дифференциальный вход, соединенный с аналоговым квадратурным дифференциальным сумматором, два входа напряжений смещения, подключенные к выходам источника напряжений смещения, дифференциальный выход, соединенный с преобразователем дифференциального сигнала в небалансный, при этом второй вход полифазного RC-фильтра заземлен.

2. Фазовращатель по п. 1, отличающийся тем, что блок ослабления синфазной составляющей содержит первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой конденсаторы, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой резисторы, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой МОП-транзисторы, первую и вторую катушки индуктивности, первый конденсатор подключен к истоку первого МОП-транзистора, стоку второго МОП-транзистора и второму конденсатору, третий конденсатор подключен к истоку третьего МОП-транзистора, стоку четвертого МОП-транзистора и четвертому конденсатору, исток второго МОП-транзистора и исток четвертого МОП-транзистора соединены, затвор второго МОП-транзистора и затвор четвертого МОП-транзистора соединены, затвор первого МОП-транзистора подключен к первому резистору и четвертому конденсатору, затвор третьего МОП-транзистора подключен ко второму резистору и второму конденсатору, первый резистор и второй резистор соединены, сток первого МОП-транзистора подключен к истоку пятого МОП-транзистора и пятому конденсатору, сток третьего МОП-транзистора подключен к истоку шестого МОП-транзистора и шестому конденсатору, затвор пятого МОП-транзистора подключен к третьему резистору и шестому конденсатору, затвор шестого МОП-транзистора подключен к четвертому резистору и пятому конденсатору, сток пятого МОП-транзистора подключен к первой катушке индуктивности и пятому резистору, сток шестого МОП-транзистора подключен ко второй катушке индуктивности и шестому резистору, первая и вторая катушка индуктивности, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы соединены, положительный вход блока ослабления синфазной составляющей подключен к первому конденсатору, отрицательный вход блока ослабления синфазной составляющей подключен к третьему конденсатору, исток второго МОП-транзистора и исток четвертого МОП-транзистора заземлены, затвор второго МОП-транзистора и затвор четвертого МОП-транзистора подключены к первому входу напряжения смещения, первый резистор и второй резистор подключены ко второму входу напряжения смещения, третий, четвертый, пятый, шестой резисторы, первая и вторая катушки индуктивности подключены к шине питания, положительный выход блока ослабления синфазной составляющей подключен к первой катушке индуктивности, пятому резистору и стоку пятого МОП-транзистора, отрицательный выход блока ослабления синфазной составляющей подключен ко второй катушке индуктивности, шестому резистору и стоку шестого МОП-транзистора.