СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДВУХРАЗРЯДНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ Российский патент 2023 года по МПК H03H11/16 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к технологии радиочастотных СВЧ интегральных схем микроэлектроники и твердотельной электроники, в частности, к сверхширокополосному двухразрядному фазовращателю.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Фазовращатель является ключевым компонентом современных фазированных антенных решеток и систем СВЧ связи, который используется для управления изменением фазы СВЧ сигнала, чтобы управлять сканированием луча антенны и осуществлять поиск и сопровождение цели. Объем, точность фазового сдвига, стоимость, рабочая температура и возможность массового производства фазовращателя напрямую связаны с производительностью всего радара с фазированной решеткой, при этом диапазон частот фазовращателя представляет собой общую проблему приемопередающей системы.

В настоящее время монолитные интегральные схемы фазовращателей в основном включают тип линии передачи, отражательный тип и тип частотно-независимой цепи на основе электромагнитной связи. Фазовращатели типа "линия передачи" обычно имеют узкий рабочий диапазон частот. Для расширения диапазона частот обычно используется многоступенчатое последовательное соединение, что увеличивает площадь схемы и повышает вносимые потери схемы, а диапазон частот с трудом достигает 9 октав. Фазовращатели отражательного типа могут расширить диапазон частот, но ограничены линиями четвертьволновой длины, а площадь схемы относительно велика, что затрудняет снижение размера микросхем. Хотя рабочий диапазон фазовращателя с частотно-независимой цепью на основе электромагнитной связи может достигать нескольких октав, достигнутая степень сдвига фазы ограничена.

СУЩНОСТЬ

Целью настоящего изобретения является создание сверхширокополосного двухразрядного фазовращателя с высокой точностью сдвига фазы, хорошим балансом амплитуды, простым режимом управления и высокой степенью интеграции.

Технические решения для реализации целей настоящего изобретения заключаются в следующем: сверхширокополосный двухразрядный фазовращатель включает активный согласующий трансформатор, три дифференциальных усилителя, переключающую матрицу, ортогональную RC-сеть и однополюсный двухпозиционный переключатель.

Активный согласующий трансформатор принимает односторонний сигнал и преобразует его в пару дифференциальных сигналов, два выходных порта имеют асимметричную структуру, а два выходных сигнала соответственно направляются на два входных порта первого дифференциального усилителя.

Первый дифференциальный усилитель осуществляет формирование волны и компенсацию усиления двух принятых сигналов и выбирает различные участки цепи с помощью переключающей матрицы для реализации сдвига фазы на 180 градусов.

Дифференциальные сигналы генерируют две пары ортогональных сигналов через каскадную ортогональную RC-сеть и попадают на второй и третий дифференциальные усилители соответственно.

Однополюсный двухпозиционный переключатель выбирает различные участки цепи второго и третьего дифференциальных усилителей для получения фазового сдвига на 90 градусов, тем самым реализуя фазовый сдвиг на 90 градусов, фазовый сдвиг на 180 градусов и фазовый сдвиг на 270 градусов.

Кроме того, односторонний сигнал передается на активный согласующий трансформатор через входную согласующую сеть.

Кроме того, входная согласующая сеть включает девятый последовательный конденсатор, девятый параллельный индуктор, десятый последовательный индуктор и пятый параллельный резистор; девятый последовательный конденсатор и девятый параллельный индуктор соединены последовательно от входного порта до выходного порта входной согласующей сети, а общий порт девятого последовательного конденсатора и девятого параллельного индуктора заземлен через десятый последовательный индуктор; выходной порт входной согласующей сети заземлен через пятый параллельный резистор, с одной стороны, и подключен к входному порту активного согласующего трансформатора, с другой стороны.

Кроме того, активный согласующий трансформатор включает одиннадцатый индуктор, первый резистор, первый транзистор, второй транзистор, первый конденсатор, второй конденсатор, первый индуктор и второй индуктор.

Истоки первого и второго транзисторов соединены друг с другом, а общий порт первого и второго транзисторов соединен с первым резистором и одиннадцатым индуктором последовательно с заземлением; затвор первого транзистора соединен с выходным портом входной согласующей сети, а затвор второго транзистора заземлен; сток первого транзистора соединен с первым конденсатором и первым индуктором последовательно, чтобы служить в качестве первого дифференциального выходного порта активного согласующего трансформатора, а сток второго транзистора соединен со вторым конденсатором и вторым индуктором последовательно для использования в качестве второго дифференциального выходного порта активного согласующего трансформатора.

Кроме того, первый дифференциальный усилитель включает в себя третий транзистор, четвертый транзистор, третий конденсатор, четвертый конденсатор, третий индуктор, четвертый индуктор, второй резистор и двенадцатый индуктор.

Первый дифференциальный выходной порт активного согласующего трансформатора подключен к затвору третьего транзистора первого дифференциального усилителя, а второй дифференциальный выходной порт подключен к затвору четвертого транзистора первого дифференциального усилителя.

Исток третьего транзистора соединен с истоком четвертого транзистора, а общий порт третьего транзистора и четвертого транзистора соединен со вторым резистором и двенадцатым индуктором последовательно с заземлением; сток третьего транзистора соединен последовательно с третьим резистором и третьим индуктором, чтобы служить первым дифференциальным выходным портом первого дифференциального усилителя, а сток четвертого транзистора соединен последовательно с четвертым резистором и четвертым индуктором для использования в качестве второго дифференциального выходного порта первого дифференциального усилителя.

Кроме того, переключающая матрица включает переключающие транзисторы с девятого по двадцатый, с последовательным соединением переключающих транзисторов с девятого по двенадцатый, а также с последовательным соединением переключающих транзисторов с тринадцатого по шестнадцатый.

Общий порт девятого переключающего транзистора и десятого переключающего транзистора соединен с одним портом семнадцатого переключающего транзистора через микрополосковую линию, другой порт семнадцатого переключающего транзистора служит первым выходным портом переключающей матрицы и соединен с одним портом восемнадцатого переключающего транзистора, а другой порт восемнадцатого переключающего транзистора соединен с общим портом тринадцатого переключающего транзистора и четырнадцатого переключающего транзистора через микрополосковую линию; общий порт пятнадцатого переключающего транзистора и шестнадцатого переключающего транзистора соединен с одним портом двадцатого переключающего транзистора через микрополосковую линию, другой порт двадцатого переключающего транзистора служит в качестве второго выходного порта переключающей матрицы и соединен с одним портом девятнадцатого переключающего транзистора, а другой порт девятнадцатого переключающего транзистора соединен с общим портом одиннадцатого переключающего транзистора и двенадцатого переключающего транзистора через микрополосковую линию; первый дифференциальный выходной порт первого дифференциального усилителя соединен с общим портом десятого переключающего транзистора и одиннадцатого переключающего транзистора, второй дифференциальный выходной порт первого дифференциального усилителя соединен с общим портом четырнадцатого переключающего транзистора и пятнадцатого переключающего транзистора.

Кроме того, второй дифференциальный усилитель включает пятый транзистор, шестой транзистор, пятый резистор, шестой резистор, пятый индуктор, шестой индуктор и третий резистор; третий дифференциальный усилитель включает седьмой транзистор, восьмой транзистор, седьмой резистор, восьмой резистор, седьмой индуктор, восьмой индуктор и четвертый резистор.

Порт опорной фазы и 180-градусный порт ортогональной RC-сети соответственно подключены к затворам пятого транзистора и шестого транзистора второго дифференциального усилителя; 270-градусный порт и 90-градусный порт ортогональной RC-сети соответственно подключены к затворам седьмого транзистора и восьмого транзистора второго дифференциального усилителя.

Исток пятого транзистора и исток шестого транзистора соединены друг с другом, а общий порт пятого транзистора и шестого транзистора соединен с третьим резистором последовательно с заземлением; сток пятого транзистора соединен последовательно с пятым резистором и пятым индуктором для использования в качестве первого дифференциального выходного порта второго дифференциального усилителя, а сток шестого транзистора соединен последовательно с шестым резистором и шестым индуктором для использования в качестве второго дифференциального выходного порта второго дифференциального усилителя; первый дифференциальный выходной порт второго дифференциального усилителя подключен к первому 50-омному терминирующему резистору, а второй дифференциальный выходной порт второго дифференциального усилителя подключен к участку цепи однополюсного двухпозиционного переключателя последующего каскада.

Исток седьмого транзистора и исток восьмого транзистора соединены друг с другом, а общий порт седьмого транзистора и восьмого транзистора соединен с четвертым резистором последовательно с заземлением; сток седьмого транзистора соединен последовательно с седьмым резистором и седьмым индуктором, чтобы служить вторым дифференциальным выходным портом третьего дифференциального усилителя, сток восьмого транзистора соединен последовательно с восьмым резистором и восьмым индуктором для использования в качестве первого дифференциального выходного порта третьего дифференциального усилителя, первый дифференциальный выходной порт третьего дифференциального усилителя подключен ко второму 50-омному терминирующему резистору, а второй дифференциальный выходной порт третьего дифференциального усилителя подключен к другому участку цепи однополюсного двухпозиционного переключателя последующего каскада.

Кроме того, девятый переключающий транзистор, одиннадцатый переключающий транзистор, четырнадцатый переключающий транзистор, шестнадцатый переключающий транзистор, восемнадцатый переключающий транзистор и девятнадцатый переключающий транзистор имеют одинаковый уровень управления; десятый переключающий транзистор, двенадцатый переключающий транзистор, тринадцатый переключающий транзистор, пятнадцатый переключающий транзистор, семнадцатый переключающий транзистор и двадцатый переключающий транзистор имеют одинаковый уровень управления, который противоположен уровню управления девятого переключающего транзистора, одиннадцатого переключающего транзистора, четырнадцатого переключающего транзистора, шестнадцатого переключающего транзистора, восемнадцатого переключающего транзистора и девятнадцатого переключающего транзистора.

Кроме того, сдвиг фазы на 180 градусов осуществляется путем включения или выключения девятого переключающего транзистора и двадцатого переключающего транзистора.

Кроме того, сдвиг фазы на 90 градусов осуществляется путем включения или выключения одного из двух участков цепи однополюсного двухпозиционного переключателя.

По сравнению с предшествующим уровнем техники, настоящее изобретение имеет следующие преимущества: (1) После того, как односторонний сигнал сдвинут по фазе на 180 градусов через активные согласующие трансформаторы, дифференциальное усиление и переключающую матрицу, он попадает в RC-сеть для генерации ортогональных сигналов, и, наконец, дифференциально усиливается и выводится однополюсным двухпозиционным переключателем для реализации сверхширокополосного двухразрядного фазовращателя с шагом сдвига фазы 90 градусов. (2) Баланс фазы и амплитуды хороший, электрические характеристики высокие, интеграция высокая, вносимые потери низкие, метод управления простой и легкий в использовании, таким образом, сверхширокополосный двухразрядный фазовращатель может быть запущен в массовое производство.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СХЕМ

На ФИГ. 1 показана схема конструкции сверхширокополосного двухразрядного фазовращателя, описанного в настоящем изобретении.

На ФИГ. 2 показана схема электрики настоящего изобретения.

На ФИГ. 2 показана схема электрики переключающей матрицы настоящего изобретения.

На ФИГ. 4 показана схема ортогональной RC-сети третьего порядка настоящего раскрытия.

На ФИГ. 5 показана схема сверхширокополосного двухразрядного фазовращателя на 2-18 ГГц в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.

На ФИГ. 6 показана кривая сдвига фазы на 90 градусов сверхширокополосного двухразрядного фазовращателя 2-18 ГГц в варианте реализации настоящего изобретения.

На ФИГ. 7 показана кривая сдвига фазы на 180 градусов сверхширокополосного двухразрядного фазовращателя 2-18 ГГц в варианте реализации настоящего изобретения.

На ФИГ. 8 показана кривая сдвига фазы на 270 градусов сверхширокополосного двухразрядного фазовращателя 2-18 ГГц в варианте реализации настоящего изобретения.

На ФИГ. 9 показана кривая параметров входных возвратных потерь сверхширокополосного двухразрядного фазовращателя 2-18 ГГц в исходном состоянии и состояниях сдвига фазы на 90 градусов, 180 градусов и 270 градусов в варианте реализации настоящего изобретения.

На ФИГ. 10 показана кривая параметров вносимых потерь сверхширокополосного двухразрядного фазовращателя 2-18 ГГц в исходном состоянии и состояниях сдвига фазы на 90 градусов, 180 градусов и 270 градусов в варианте реализации настоящего раскрытия.

На ФИГ. 11 показана кривая параметров выходных возвратных потерь сверхширокополосного двухразрядного фазовращателя 2-18 ГГц в исходном состоянии и состояниях фазового сдвига на 90, 180 и 270 градусов в варианте реализации настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сверхширокополосный двухразрядный фазовращатель, описанный в настоящем изобретении, включает активный согласующий трансформатор, первый дифференциальный усилитель, второй дифференциальный усилитель, третий дифференциальный усилитель, переключающую матрицу, ортогональную RC-сеть и однополюсный двухпозиционный переключатель. Односторонний сигнал реализует выход дифференциального сигнала через активный согласующий трансформатор, а затем первая цепь дифференциального усилителя осуществляет формирование сигнала и компенсацию усиления. Различные участки сети выбираются переключающей матрицей для достижения сдвига фазы на 180 градусов, и ортогональный сигнал генерируется путем каскадирования ортогональной сети RC. Последующие этапы каскадируются со вторым дифференциальным усилителем и третьим дифференциальным усилителем соответственно. Наконец, различные участки цепи выбираются однополюсным двухпозиционным переключателем для создания шага сдвига фазы на 90 градусов и достижения сдвига фазы на 90 градусов, 180 градусов и 270 градусов. Фазовращатель обладает такими характеристиками, как сверхширокополосность, высокая точность фазового сдвига, хороший баланс амплитуды, простой метод управления и высокая степень интеграции. Настоящее изобретение более подробно описывается ниже, со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На ФИГ. 1, в настоящем изобретении представлен сверхширокополосный двухразрядный фазовращатель. Сверхширокополосный двухразрядный фазовращатель включает активный согласующий трансформатор, дифференциальные усилители с первого по третий, переключающую матрицу, ортогональную RC-сеть и однополюсный двухпозиционный переключатель.

Активный согласующий трансформатор принимает односторонний сигнал и преобразует его в пару дифференциальных сигналов, два выходных порта имеют асимметричную структуру, а два выходных сигнала соответственно направляются на два входных порта первого дифференциального усилителя.

Первый дифференциальный усилитель осуществляет формирование волны и компенсацию усиления двух принятых сигналов и выбирает различные участки цепи с помощью переключающей матрицы для реализации сдвига фазы на 180 градусов.

Дифференциальные сигналы генерируют две пары ортогональных сигналов через каскадную ортогональную RC-сеть и попадают на второй и третий дифференциальные усилители соответственно.

Однополюсный двухпозиционный переключатель выбирает различные участки цепи второго и третьего дифференциальных усилителей для получения фазового сдвига на 90 градусов, тем самым реализуя фазовый сдвиг на 90 градусов, фазовый сдвиг на 180 градусов и фазовый сдвиг на 270 градусов.

См. ФИГ. 2, односторонний сигнал передается на активный согласующий трансформатор через входную согласующую сеть. Входная согласующая сеть включает последовательно подключённый девятый конденсатор (C9), девятый индуктор (L9), последовательно подключённый десятый индуктор (L10) и пятый резистор (R5); девятый конденсатор (C9) и девятый индуктор (L9) соединены последовательно от входного порта к выходному порту входной согласующей сети, а общий порт девятого конденсатора (C9) и девятого индуктора (L9) заземлён через десятый индуктор (L10); выходной порт входной согласующей сети заземлен через пятый резистор (R5) с одной стороны, и соединен с входным портом активного согласующего трансформатора с другой стороны.

Конкретный пример: активный согласующий трансформатор включает одиннадцатый индуктор L11, первый резистор R1, первый транзистор AF1, второй транзистор AF2, первый конденсатор C1, второй конденсатор C2, первый индуктор L1 и второй индуктор L2.

Истоки первого транзистора AF1 и второго транзистора AF2 соединены друг с другом, а общий порт первого транзистора и второго транзистора соединен с первым резистором R1 и одиннадцатым индуктором L11 последовательно с заземлением; затвор первого транзистора AF1 соединен с выходным портом входной согласующей сети, а затвор второго транзистора AF2 заземлен; сток первого транзистора AF1 соединен с первым конденсатором C1 и первым индуктором L1 последовательно, чтобы служить в качестве первого дифференциального выходного порта активного согласующего трансформатора, а сток второго транзистора AF2 соединен со вторым конденсатором C2 и вторым индуктором L2 последовательно, соответственно, для использования в качестве второго дифференциального выходного порта активного согласующего трансформатора.

Конкретный пример: первый дифференциальный усилитель включает в себя третий транзистор AF3, четвертый транзистор AF4, третий конденсатор C3, четвертый конденсатор C4, третий индуктор L3, четвертый индуктор L4, второй резистор R2 и двенадцатый индуктор L12.

Первый дифференциальный выходной порт активного согласующего трансформатора подключен к затвору третьего транзистора AF3 первого дифференциального усилителя, а второй дифференциальный выходной порт подключен к затвору четвертого транзистора AF4 первого дифференциального усилителя.

Исток третьего транзистора AF3 соединен с истоком четвертого транзистора AF4, а общий порт третьего транзистора AF3 и четвертого транзистора AF4 соединен со вторым резистором R2 и двенадцатым индуктором L12 последовательно с заземлением. Сток третьего транзистора AF3 соединен последовательно с третьим конденсатором C3 и третьим индуктором L3, для использования в качестве первого дифференциального выходного порта первого дифференциального усилителя, а сток четвертого транзистора AF4 соединен последовательно с четвертым конденсатором C4 и четвертым индуктором L4, для использования в качестве второго дифференциального выходного порта первого дифференциального усилителя.

Конкретный пример: переключающая матрица включает переключающие транзисторы с девятого AF9 по двадцатый AF20, при этом переключающие транзисторы с девятого AF9 по двенадцатый AF12 соединены последовательно, с тринадцатого AF13 по шестнадцатый AF16 соединены также последовательно.

Общий порт девятого переключающего транзистора AF9 и десятого переключающего транзистора AF10 соединен с одним портом семнадцатого переключающего транзистора AF17 через микрополосковую линию, другой порт семнадцатого переключающего транзистора AF17 служит первым выходным портом переключающей матрицы и соединен с одним портом восемнадцатого переключающего транзистора AF18, а другой порт восемнадцатого переключающего транзистора AF18 соединен с общим портом тринадцатого переключающего транзистора AF13 и четырнадцатого переключающего транзистора AF14 через микрополоску; общий порт пятнадцатого переключающего транзистора AF15 и шестнадцатого переключающего транзистора AF16 соединен с одним портом двадцатого переключающего транзистора AF20 через микрополоску, другой порт двадцатого переключающего транзистора AF20 служит в качестве второго выходного порта переключающей матрицы и соединен с одним портом девятнадцатого переключающего транзистора AF19, а другой порт девятнадцатого переключающего транзистора AF19 соединен с общим портом одиннадцатого переключающего транзистора AF11 и двенадцатого переключающего транзистора AF12 через микрополосковую линию; первый дифференциальный выходной порт первого дифференциального усилителя соединен с общим портом десятого переключающего транзистора AF10 и одиннадцатого переключающего транзистора AF11, а второй дифференциальный выходной порт первого дифференциального усилителя соединен с общим портом четырнадцатого переключающего транзистора AF14 и пятнадцатого переключающего транзистора AF15.

В качестве конкретного примера, второй дифференциальный усилитель включает пятый транзистор AF5, шестой транзистор AF6, пятый конденсатор C5, шестой конденсатор C6, пятый индуктор L5, шестой индуктор L6 и третий резистор R3. Третий дифференциальный усилитель включает седьмой транзистор AF7, восьмой транзистор AF8, седьмой конденсатор C7, восьмой конденсатор C8, седьмой индуктор L7, восьмой индуктор L8 и четвертый резистор R4.

Порт опорной фазы и порт -180 градусов ортогональной RC-сети соответственно подключены к затворам пятого транзистора AF5 и шестого транзистора AF6 второго дифференциального усилителя; порт 270 градусов и порт-90 градусов ортогональной RC-сети соответственно подключены к затворам седьмого транзистора AF7 и восьмого транзистора AF8 второго дифференциального усилителя.

Исток пятого транзистора AF5 и исток шестого транзистора AF6 соединены друг с другом, а общий порт пятого транзистора AF5 и шестого транзистора AF6 соединен с третьим резистором R3 последовательно с заземлением; сток пятого транзистора AF5 соединен последовательно с пятым резистором C5 и пятым индуктором L5 для использования в качестве первого дифференциального выходного порта второго дифференциального усилителя, сток шестого транзистора AF6 соединен последовательно с шестым конденсатором C6 и шестым индуктором L6 для использования в качестве второго дифференциального выходного порта второго дифференциального усилителя; первый дифференциальный выходной порт второго дифференциального усилителя подключен к первому 50-омному терминирующему резистору RL1, а второй дифференциальный выходной порт второго дифференциального усилителя подключен к участку цепи однополюсного двухпозиционного переключателя последующего каскада.

Исток седьмого транзистора AF7 и исток восьмого транзистора AF8 соединены друг с другом, а общий порт седьмого транзистора AF7 и восьмого транзистора AF8 соединен с четвертым резистором R4 последовательно с заземлением; сток седьмого транзистора AF7 соединен последовательно с седьмым конденсатором C7 и седьмым индуктором L7 для использования в качестве второго дифференциального выходного порта третьего дифференциального усилителя, сток восьмого транзистора AF8 соединен последовательно с восьмым резистором C8 и восьмым индуктором L8, и первый дифференциальный выходной порт третьего дифференциального усилителя подключен ко второму 50-омному терминирующему резистору RL2, а второй дифференциальный выходной порт третьего дифференциального усилителя подключен к другому участку цепи однополюсного двухпозиционного переключателя последующего каскада.

В качестве конкретного примера, девятый переключающий транзистор AF9, одиннадцатый переключающий транзистор AF11, четырнадцатый переключающий транзистор AF14, шестнадцатый переключающий транзистор AF16, восемнадцатый переключающий транзистор AF18 и девятнадцатый переключающий транзистор AF19 имеют одинаковый уровень управления; десятый переключающий транзистор AF10, двенадцатый переключающий транзистор AF12, тринадцатый переключающий транзистор AF13, пятнадцатый переключающий транзистор AF15, семнадцатый переключающий транзистор AF17 и двадцатый переключающий транзистор AF20 имеют одинаковый уровень управления, который противоположен уровню управления девятого переключающего транзистора AF9, одиннадцатого переключающего транзистора AF11, четырнадцатого переключающего транзистора AF14, шестнадцатого переключающего транзистора AF16, восемнадцатого переключающего транзистора AF18 и девятнадцатого переключающего транзистора AF19.

Кроме того, сдвиг фазы на 180 градусов осуществляется путем управления включением и выключением девятого переключающего транзистора и двадцатого переключающего транзистора (AF9 - AF20).

Более того, сдвиг фазы на 90 градусов осуществляется путем управления включением и выключением двух участков цепи однополюсного двухпозиционного переключателя.

Настоящее изобретение будет более подробно описано ниже в сочетании с конкретными вариантами осуществления.

Вариант осуществления

Вариантом осуществления изобретения является сверхширокополосный двухпозиционный фазовращатель, работающий на частоте 2-18 ГГц, блок-схема которого показана на ФИГ. 1. Фазовращатель включает активный согласующий трансформатор, схемы дифференциального усилителя с первой по третью, переключающую матрицу , ортогональную RC-сеть и однополюсный двухпозиционный переключатель.

Активный согласующий переключатель реализует преобразование сигнала из одностороннего в дифференциальный, в котором стоки транзисторов AF1 и AF2 напрямую смещены резисторами, а два выходных порта имеют асимметричную структуру для улучшения их баланса. Как показано на ФИГ. 2, конденсатор C1 и индуктор L1 соединены последовательно со стоком AF1, а конденсатор C2 и индуктор L2 соединены последовательно со стоком AF2. Истоки AF1 и AF2 соединены друг с другом, а резистор R1 и индуктор L0 соединены последовательно между AF1 и AF2 с заземлением, для реализации самовозбуждения дифференциального транзистора и улучшения дифференциальных характеристик активного согласующего трансформатора.

Для формирования сигнала и компенсации усиления выходного сигнала два выходных порта активного согласующего трансформатора соответственно подключаются к затворам дифференциального усилителя, например, затворам транзисторов AF3 и AF4 на ФИГ. 2. Стоки AF3 и AF4 также напрямую смещены резистором, а исток соединен последовательно с резистором R2 и индуктором L0 с заземлением для реализации самостоятельного смещения и улучшения дифференциальных характеристик. Выходной порт использует последовательную структуру из конденсатора C3 и индуктора L3 для реализации согласования широкополосного выходного сигнала.

После прохождения одностороннего сигнала через активный согласующий трансформатор и дифференциальный усилитель создается пара дифференциальных сигналов с идеальным балансом амплитуды и фазы. Для достижения сдвига фазы на 180 градусов разработана переключающая матрица, как показано на Фиг. 3. Среди них переключающий транзистор эквивалентен маленькому резистору, когда он включен, и эквивалентен маленькому конденсатору, когда он выключен. Когда Vcon находится на высоком уровне, а на низком уровне, сигнал идет от порта 1 к порту 3 через AF10 и AF17, а другой сигнал идет от порта 2 к порту 4 через AF15 и AF20; когда Vcon находится на низком уровне, а на высоком, сигнал идет от порта 1 к порту 4 через AF11 и AF19, а другой сигнал идет от порта 2 к порту 3 через AF14 и AF18. Таким образом, при синхронном управлении Vcon и , осуществляется обмен сигнальными путями, тем самым реализуя сдвиг фазы на 180 градусов.

После достижения сдвига фазы на 180 градусов дифференциальный сигнал поступает в ортогональную RC-сеть третьего порядка, каскадированную на последующем этапе, для генерации четырех выходов ортогонального сигнала, как показано на ФИГ. 4. Среди них порты 0 градусов и -180 градусов подключены к затворам AF5 и AF6, соответственно; порты -90 градусов и -270 градусов подключены к затворам AF8 и AF7, соответственно. Дифференциальный усилитель последующего каскада состоит из AF5, AF6, C4, L4 и R3, а другой дифференциальный усилитель последующего каскада состоит из AF8, AF7, C4, L4 и R3. Один из двух выходных портов дифференциального усилителя подключен к импедансу нагрузки, а другой порт подключен к однополюсному двухпозиционному переключателю последующего каскада. Фазовый сдвиг на 90 градусов может быть реализован путем выбора двух ветвей однополюсного двухпозиционного переключателя, а затем фазовый сдвиг на 90, 180 и 270 градусов может быть реализован путем совместного управления матрицей переключателей и однополюсным двухпозиционным переключателем.

Схема сверхширокополосного двухразрядного фазовращателя 2-18 ГГц настоящего изобретения показана на ФИГ. 5, при этом схема в основном состоит из транзисторов GaAs PHEMT, микрополосковых линий, резисторов, конденсаторов, отверстий заземления, портов смещения постоянного тока и радиочастотных портов. Односторонний сигнал поступает из входного порта 1, преобразуется в дифференциальный сигнал для вывода через активный согласующий трансформатор 2, затем поступает в схему дифференциального усилителя 3 через согласующую сеть, после усиления сигнал поступает на переключающую матрицу 4 с двойным входом и двойным выходом для реализации фазового сдвига сигнала на 180 градусов, затем дифференциальный сигнал вводится в RC-сеть 5 на последующем этапе для создания двух пар ортогональных сигналов, и две пары сигналов поступают в дифференциальный усилитель 6 для формирования и усиления сигнала, а затем выбирают путь с помощью однополюсного переключателя 7 для достижения 90-градусного, 180-градусного и 270-градусного фазового сдвига, и, наконец, выводятся из выходного порта сигнала 8. Первый порт 9, второй порт 10, третий порт 11 и четвертый порт 12 являются портами смещения постоянного тока и логического управления схемы.

На ФИГ. 6-11 показаны результаты измерений сверхширокополосного двухразрядного фазовращателя 2-18 ГГц настоящего раскрытия, на ФИГ. 6 показана кривая сдвига фазы на 90 градусов, на ФИГ. 7 показана кривая сдвига фазы на 180 градусов, на ФИГ. 8 показана кривая сдвига фазы на 270 градусов, а на ФИГ. 9-11 показаны кривые параметров матрицы рассеяния опорного состояния и каждого из состояний сдвига фазы. Из рисунков видно, что в полосе частот 2-18 ГГц точность сдвига фазы каждого из фазосдвигающих состояний в этой микросхеме фазовращателя составляет менее 5 градусов, что обеспечивает такие преимущества, как малые потери сигнала, высокая точность сдвига фазы и большая рабочий диапазон частот.

Изобретение относится к технологии радиочастотных СВЧ интегральных схем микроэлектроники и твердотельной электроники. Техническим результатом является обеспечение высокой точности сдвига фазы. Обеспечиваемый технический результат достигается тем, что фазовращатель состоит из первого дифференциального усилителя, второго дифференциального усилителя, третьего дифференциального усилителя, переключающей матрицы, ортогональной RC-сети, однополюсного двухпозиционного переключателя и активного согласующего трансформатора, который принимает односторонний сигнал и преобразует его в пару дифференциальных сигналов. Эти два сигнала направляются на два входных порта первого дифференциального усилителя, который формирует волну и компенсацию усиления принятых сигналов и реализует сдвиг фазы на 180 градусов. Дифференциальные сигналы с помощью каскадной ортогональной RC-сети генерируют две пары ортогональных сигналов, которые каскадируются на второй и третий дифференциальные усилители. Однополюсный двухпозиционный переключатель выбирает ветви второго и третьего дифференциальных усилителей, реализуя сдвиг фазы на 90, 180 и 270 градусов. 9 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Сверхширокополосный двухразрядный фазовращатель, включающий в себя активный согласующий трансформатор, дифференциальные усилители с первого по третий, переключающую матрицу, ортогональную RC-сеть и однополюсный двухпозиционный переключатель, при этом:

активный согласующий трансформатор принимает односторонний сигнал и преобразует его в пару дифференциальных сигналов, два выходных порта имеют асимметричную структуру, а два выходных сигнала соответственно направляются на два входных порта первого дифференциального усилителя;

первый дифференциальный усилитель осуществляет формирование волны и компенсацию усиления двух принятых сигналов и выбирает различные участки цепи с помощью переключающей матрицы для реализации сдвига фазы на 180 градусов,

дифференциальные сигналы генерируют две пары ортогональных сигналов через каскадную ортогональную RC-сеть и попадают на второй и третий дифференциальные усилители соответственно,

однополюсный двухпозиционный переключатель выбирает различные участки цепи второго и третьего дифференциальных усилителей для получения фазового сдвига на 90 градусов, тем самым реализуя фазовый сдвиг на 90 градусов, фазовый сдвиг на 180 градусов и фазовый сдвиг на 270 градусов.

2. Сверхширокополосный двухразрядный фазовращатель по п. 1, отличающийся тем, что односторонний сигнал передается на активный согласующий трансформатор через входную согласующую сеть.

3. Сверхширокополосный двухразрядный фазовращатель по п. 2, отличающийся тем, что входная согласующая сеть включает последовательно подключённый девятый конденсатор (C9), девятый индуктор (L9), последовательно подключённый десятый индуктор (L10) и пятый резистор (R5); девятый конденсатор (C9) и девятый индуктор (L9) соединены последовательно от входного порта к выходному порту входной согласующей сети, а общий порт девятого конденсатора (C9) и девятого индуктора (L9) заземлён через десятый индуктор (L10); выходной порт входной согласующей сети заземлен через пятый резистор (R5) с одной стороны и соединен с входным портом активного согласующего трансформатора с другой стороны.

4. Сверхширокополосный двухразрядный фазовращатель по пп. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что активный согласующий трансформатор включает в себя одиннадцатый индуктор (L11), первый резистор (R1), первый транзистор (AF1), второй транзистор (AF2), первый конденсатор (C1), второй конденсатор (C2), первый индуктор (L1) и второй индуктор (L2);

истоки первого транзистора (AF1) и второго транзистора (AF2) соединены друг с другом, а общий порт первого транзистора (AF1) и второго транзистора (AF2) соединен с первым резистором (R1) и одиннадцатым индуктором (L11) последовательно с заземлением; затвор первого транзистора (AF1) соединен с выходным портом входной согласующей сети, а затвор второго транзистора (AF2) заземлен; сток первого транзистора (AF1) соединен с первым конденсатором (C1) и первым индуктором (L1) последовательно, чтобы служить в качестве первого дифференциального выходного порта активного согласующего трансформатора, а сток второго транзистора (AF2) соединен со вторым конденсатором (C2) и вторым индуктором (L2) последовательно, соответственно, для использования в качестве второго дифференциального выходного порта активного согласующего трансформатора.

5. Сверхширокополосный двухразрядный фазовращатель по п. 4, отличающийся тем, что первый дифференциальный усилитель включает в себя третий транзистор (AF3), четвертый транзистор (AF4), третий конденсатор (C3), четвертый конденсатор (C4), третий индуктор (L3), четвертый индуктор (L4), второй резистор (R2) и двенадцатый индуктор (L12);

первый дифференциальный выходной порт активного согласующего трансформатора подключен к затвору третьего транзистора (AF3) первого дифференциального усилителя, а второй дифференциальный выходной порт подключен к затвору четвертого транзистора (AF4) первого дифференциального усилителя;

исток третьего транзистора (AF3) соединен с истоком четвертого транзистора (AF4), а общий порт третьего транзистора (AF3) и четвертого транзистора (AF4) соединен со вторым резистором (R2) и двенадцатым индуктором (L12) последовательно с заземлением; сток третьего транзистора (AF3) соединен последовательно с третьим конденсатором (C3) и третьим индуктором (L3) для использования в качестве первого дифференциального выходного порта первого дифференциального усилителя, а сток четвертого транзистора (AF4) соединен последовательно с четвертым конденсатором (C4) и четвертым индуктором (L4) для использования в качестве второго дифференциального выходного порта первого дифференциального усилителя.

6. Сверхширокополосный двухразрядный фазовращатель по п. 5, отличающийся тем, что переключающая матрица включает переключающие транзисторы с девятого (AF9) по двадцатый (AF20), при этом переключающие транзисторы с девятого (AF9) по двенадцатый (AF12) соединены последовательно, а переключающие транзисторы с тринадцатого (AF13) по шестнадцатый (AF16) также соединены последовательно;

общий порт девятого переключающего транзистора (AF9) и десятого переключающего транзистора (AF10) соединен с одним портом семнадцатого переключающего транзистора (AF17) через микрополосковую линию, другой порт семнадцатого переключающего транзистора (AF17) служит первым выходным портом переключающей матрицы и соединен с одним портом восемнадцатого переключающего транзистора (AF18), а другой порт восемнадцатого переключающего транзистора (AF18) соединен с общим портом тринадцатого переключающего транзистора (AF13) и четырнадцатого переключающего транзистора (AF14) через микрополосковую линию; общий порт пятнадцатого переключающего транзистора (AF15) и шестнадцатого переключающего транзистора (AF16) соединен с одним портом двадцатого переключающего транзистора (AF20) через микрополосковую линию, другой порт двадцатого переключающего транзистора (AF20) служит в качестве второго выходного порта переключающей матрицы и соединен с одним портом девятнадцатого переключающего транзистора AF19, а другой порт девятнадцатого переключающего транзистора (AF19) соединен с общим портом одиннадцатого переключающего транзистора (AF11) и двенадцатого переключающего транзистора (AF12) через микрополосковую линию; первый дифференциальный выходной порт первого дифференциального усилителя соединен с общим портом десятого переключающего транзистора (AF10 и одиннадцатого переключающего транзистора (AF11), а второй дифференциальный выходной порт первого дифференциального усилителя соединен с общим портом четырнадцатого переключающего транзистора (AF14) и пятнадцатого переключающего транзистора (AF15).

7. Сверхширокополосный двухразрядный фазовращатель по п. 5 или 6, отличающийся тем, что второй дифференциальный усилитель включает пятый транзистор (AF5), шестой транзистор (AF6), пятый конденсатор (C5), шестой конденсатор (C6), пятый индуктор (L5), шестой индуктор (L6) и третий резистор (R3); третий дифференциальный усилитель включает в себя седьмой транзистор (AF7), восьмой транзистор (AF8), седьмой конденсатор (C7), восьмой конденсатор (C8), седьмой индуктор (L7), восьмой индуктор (L8) и четвертый резистор (R4);

порт опорной фазы и порт 180 градусов ортогональной RC-сети соответственно подключены к затворам пятого транзистора (AF5) и шестого транзистора (AF6) второго дифференциального усилителя; порт 270 градусов и порт 90 градусов ортогональной RC-сети соответственно подключены к затворам седьмого транзистора (AF7) и восьмого транзистора (AF8) второго дифференциального усилителя;

исток пятого транзистора (AF5) и исток шестого транзистора (AF6) соединены друг с другом, а общий порт пятого транзистора (AF5) и шестого транзистора (AF6) соединен с третьим резистором (R3) последовательно с заземлением; сток пятого транзистора (AF5) соединен последовательно с пятым конденсатором (C5) и пятым индуктором (L5) для использования в качестве первого дифференциального выходного порта второго дифференциального усилителя, сток шестого транзистора (AF6) соединен последовательно с шестым конденсатором (C6) и шестым индуктором (L6) для использования в качестве второго дифференциального выходного порта второго дифференциального усилителя; первый дифференциальный выходной порт второго дифференциального усилителя подключен к первому 50-омному терминирующему резистору (RL1), а второй дифференциальный выходной порт второго дифференциального усилителя подключен к участку цепи однополюсного двухпозиционного переключателя последующего каскада;

исток седьмого транзистора (AF7) и исток восьмого транзистора (AF8) соединены друг с другом, а общий порт седьмого транзистора (AF7) и восьмого транзистора (AF8) соединен с четвертым резистором (R4) последовательно с заземлением; сток седьмого транзистора (AF7) соединен последовательно с седьмым конденсатором (C7) и седьмым индуктором (L7) для использования в качестве второго дифференциального выходного порта третьего дифференциального усилителя, сток восьмого транзистора (AF8) соединен последовательно с восьмым конденсатором (C8) и восьмым индуктором (L8), и первый дифференциальный выходной порт третьего дифференциального усилителя подключен ко второму 50-омному терминирующему резистору (RL2), а второй дифференциальный выходной порт третьего дифференциального усилителя подключен к другому участку цепи однополюсного двухпозиционного переключателя последующего каскада.

8. Сверхширокополосный двухразрядный фазовращатель по п. 6, отличающийся тем, что девятый переключающий транзистор (AF9), одиннадцатый переключающий транзистор (AF11), четырнадцатый переключающий транзистор (AF14), шестнадцатый переключающий транзистор (AF16), восемнадцатый переключающий транзистор (AF18) и девятнадцатый переключающий транзистор (AF19) имеют одинаковый уровень управления; десятый переключающий транзистор (AF10), двенадцатый переключающий транзистор (AF12), тринадцатый переключающий транзистор (AF13), пятнадцатый переключающий транзистор (AF15), семнадцатый переключающий транзистор (AF17) и двадцатый переключающий транзистор (AF20) имеют одинаковый уровень управления, который противоположен уровню управления девятого переключающего транзистора (AF9), одиннадцатого переключающего транзистора (AF11), четырнадцатого переключающего транзистора (AF14), шестнадцатого переключающего транзистора (AF16), восемнадцатого переключающего транзистора (AF18) и девятнадцатого переключающего транзистора (AF19).

9. Сверхширокополосный двухразрядный фазовращатель по п. 8, отличающийся тем, что сдвиг фазы на 180 градусов осуществляется путем включения или выключения девятого переключающего транзистора и двадцатого переключающего транзистора (AF9 - AF20).

10. Сверхширокополосный двухразрядный фазовращатель по п. 8 или 9, отличающийся тем, что сдвиг фазы на 90 градусов осуществляется путем включения или выключения одного из двух участков цепи однополюсного двухпозиционного переключателя.