[0001] 本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种有源移相器、芯片及相控阵设备。

[0002] 近年来，随着现代通信技术的不断发展，5G通信的应用在国内已经基本普及，而与5G通信相关的核心技术如相控阵也随之不断革新迭代。移相器在相控阵系统工作时主要起到了波束成形和波束指向控制的作用，是相控阵系统最为关键的模块，它的性能会直接影响整个相控阵系统的性能。移相器根据是否有直流功耗可以分为无源移相器和有源移相器，有源移相器采用矢量合成方法，相比于无源移相器，有源移相器面积更小，损耗低。目前，有源移相器的研究是一大热点。

[0003] 有源移相器一般由正交信号发生器、可变增益放大器和矢量合成器依次构成，在上述结构中，可变增益放大器在不同的增益状态下输出阻抗变化很大，导致在一个足够宽的频率范围内，输出信号的相对相位随频率的变化会产生比较大的波动，造成较大的相位误差，这就是有源移相器的宽带相位一致性问题；同时普通的有源移相器结构采用耦合器作为正交信号发生器，会带来幅度误差大、带宽窄的缺点；综上，现有的有源移相技术会存在以下问题：

[0004] 1、基于耦合器的正交信号发生器输出相位幅度误差较大，带宽较窄；

[0005] 2、传统的移相器结构存在宽带相位一致性的问题；

[0006] 3、作为相控阵系统的核心模块，移相器的噪声性能对整个系统的影响会比较大。

[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

[0040] 实施例一

[0041] 参阅图1，本发明实施例提供了一种有源移相器，包括低噪声增益调制器和多相滤波器，其中，

[0042] 低噪声增益调制器，用于对输入的第一差分信号进行增益调制和噪声匹配，得到第二差分信号和第三差分信号，低噪声增益调制器包括两个结构相同的第一低噪放大单元和第二低噪放大单元，两个结构相同的第一增益调制单元和第二增益调制单元，第一低噪放大单元的输入端连接第一差分信号的第一信号，第二低噪放大单元的输入端连接第一差分信号的第二信号。低噪声增益调制器可以将输入的差分信号分化成两个差分信号，并且可以控制两对差分信号的增益。

[0043] 多相滤波器，可以使输入的第二差分信号和第三差分信号产生预设相位差，同时对第二差分信号和第三差分信号进行矢量合成，最终得到所需要的相对相位的信号。

[0044] 需要说明的是，预设相位差理想情况下是90°相位差，在90°相位差可接受的误差范围内均可理解为预设相位差，可接受的误差范围根据实际情况确定，本实施例不做具体限制。

[0045] 这一结构将移相合成单元后置，增益调制器前移，可以改善宽带相位一致性问题。

[0046] 参阅图2，第一低噪放大单元和第二低噪放大单元分别对第一差分信号(RFin+、RFin‑)进行噪声匹配和放大，得到差分信号(ViL+、ViL‑)。第一低噪放大单元和第二低噪放大单元的电路结构相同，作用相同。第一增益调制单元和第二增益调制单元结构相同，第一增益调制单元和第二增益调制单元的输入端均连接差分信号(ViL+、ViL‑)。

[0047] 参阅图2，低噪声增益调制器的第一增益调制单元对差分信号(ViL+、ViL‑)进行调幅得到第二差分信号(V1+、V1‑)，低噪声增益调制器的第二增益调制单元对第三差分信号(ViL+、ViL‑)进行调幅得到第四差分信号(V2+、V2‑)。

[0048] 参阅图2，第二差分信号(V1+、V1‑)和第三差分信号(V2+、V2‑)在多相滤波器中产生90°相位差，并进行矢量合成，得到目标差分信号(Vout+、Vout‑)。

[0049] 第一低噪放大单元包括第一变压器、第一晶体管对、第一电阻；第一晶体管对包括第一P型晶体管和第一N型晶体管，第一P型晶体管的栅极和第一N型晶体管的栅极连接，第一P型晶体管的漏极和第一N型晶体管的漏极连接，第一P型晶体管的源极与供电电源连接，第一N型晶体管的源极接地；第一电阻的一端连接第一晶体管对的栅极和第一变压器的第二端，第一电阻的另一端连接第一晶体管对的漏极和第一变压器的第三端，第一变压器的第一端为输入端，第一变压器的第四端为输出端。

[0050] 第一晶体管对可以提高跨导，从而获得高增益和低噪声系数；第一电阻可以实现电路的自偏置。

[0051] 需要说明的是，第二低噪放大单元的元器件和连接关系可以根据第一低噪放大单元进行类推。

[0052] 第一变压器包括第一电感和第二电感，第一差分信号的第一信号连接第一电感的负端，第一晶体管对的栅极连接第一电感的正端，第一晶体管对的漏极连接第二电感的正端，第二电感的负端作为第二差分信号的第一信号的输出端。

[0053] 需要说明的是，第一变压器可以输入阻抗匹配和噪声匹配。

[0054] 参阅图3，第一差分信号RFin+和RFin‑作为输入，RFin+与第一电感L1的负端连接，第一电感L1的正端连接第一电阻R1的一端、第一P型晶体管M1p的栅极和晶体管M1n的栅极，第二电感L2的正端连接第一电阻R1的另一端、第一P型晶体管M1p的漏极和第一N型晶体管M1n的漏极，第一N型晶体管M1p的源极与供电电压源VDD、第一旁路电容Cby1的一端连接，第一旁路电容Cby1的另一端接地，第一N型晶体管M1n的源极接地，第一电感L1与第二电感L2同向耦合，耦合系数为k1。

[0055] 同理，RFin‑与第三电感L3的负端连接，第三电感L3的正端连接第二电阻R2的一端、第二P型晶体管M2p的栅极和第二N型晶体管M2n的栅极，第四电感L4的正端连接第二电阻R2的另一端、第二P型晶体管M2p的漏极和第二N型晶体管M2n的漏极，第二P型晶体管M2p的源极与供电电压源VDD、第二旁路电容Cby2的一端连接，第二旁路电容Cby2的另一端接地，第二N型晶体管M2n的源极接地，第三电感L3与第四电感L4同向耦合，耦合系数为k2。

[0056] 第一低噪放大单元和第二低噪放大单元分别通过晶体管对M1p和M1n、M2p和M2n来提高跨导，从而获得高增益和低噪声系数；为了便于偏置电路的设计，使用大电阻R1和R2来实现晶体管对的自偏置。另外，加入耦合电感L1和L2、L3和L4，通过调谐耦合电感和晶体管对的参数，可以在高频区域实现在噪声匹配，从而得到平缓的NF噪声系数。

[0057] 第一增益调制单元包括共源极晶体管、共栅极晶体管阵列单元组、第三变压器、第四变压器、第三电阻和第五电阻；共源极晶体管包括第一晶体管和第二晶体管，共栅极晶体管阵列包括第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管和第八晶体管；第一晶体管的漏极连接第五晶体管的源极和第六晶体管的源极，第二晶体管的漏极连接第七晶体管的源极和第八晶体管的源极，第一晶体管的源极和第二晶体管的源极均接地端，第五晶体管的漏极、第八晶体管的漏极与第三变压器的一端相接，第六晶体管的漏极、第七晶体管的漏极与第四变压器的一端相接，第三电阻的一端、第五电阻的一端连接第一调制电压，第三电阻的另一端连接第一晶体管的栅极，第五电阻的另一端连接第二晶体管的栅极，第五晶体管的栅极和第七晶体管的栅极连接第一控制电压源，第六晶体管的栅极和第八晶体管的栅极连接第二控制电压源。

[0058] 需要说明的是，调节第一调制电压可以对第一增益调制单元的增益进行调制，第一控制电压元和第二控制电压源可以控制共栅极晶体管阵列中四条支路的关断，使第一增益调制单元具有相位反转的功能。

[0059] 第三变压器包括第五电感和第六电感，第四变压器包括第七电感和第八电感，第五电感的正端连接第六电感的负端，第七电感的正端连接第八电感的负端，第六电感的正端连接第五晶体管的漏极和第八晶体管的漏极，第八电感的正端连接第六晶体管的漏极和第七晶体管的漏极，第五电感的负端和第七电感的负端与供电电源连接。

[0060] 需要说明的是，第三变压器和第四变压器可以实现频带拓宽以及级间匹配。

[0061] 需要说明的是，第二增益调制单元的具体结构可以根据第一增益调制单元的结构进行类推。

[0062] 参阅图3，第二电感L2的负端与第一电容C1连接，第一电容C1的另一端与第三电阻R3的一端、第一晶体管M1的栅极连接，第三电阻R3的另一端与第一调制电压源Vt1相连，第一晶体管M1的源极接地。第一晶体管M1的漏极连接第五晶体管M5和第六晶体M6的源极。第一控制电压源K1连接第五晶体管M5的栅极，第二控制电压源K2连接第六晶体管M6栅极。

[0063] 电感L2的负端与电容C1‑C2的一端连接，电感L4的负端和电容C3‑C4的一端连接，电容C1‑C4的另一端分别与电阻R3‑R6的一端、晶体管M1‑M4的栅极连接，电阻R3、R5的另一端与第一调制电压源Vt1相连，电阻R4、R6的另一端与第二调制电压源Vt2相连，晶体管M1‑M4的源极接地。

[0064] 晶体管M1的漏极连接晶体管M5‑M6的源极，晶体管M2的漏极连接晶体管M7‑M8的源极，晶体管M3的漏极连接晶体管M9‑M10的源极，晶体管M4的漏极连接晶体管M11‑M12的源极。

[0065] 第一控制电压源K1连接晶体管M5、M7的栅极，第二控制电压源K2连接晶体管M6、M8的栅极，第三控制电压源电压源K3连接晶体管M9、M11的栅极，第四控制电压源K4连接晶体管M10、晶体管M12的栅极。

[0066] 第五晶体管M5的漏极连接第六电感L6的正端，第六电感L6的负端连接第五电感L5的正端，第五电感L5的负端连接供电电压源VDD。

[0067] 电感L6的正端连接晶体管M5、M8的漏极，电感L8的正端连接晶体管M6、M7的漏极，电感L10的正端连接晶体管M9、M12的漏极，电感L12的正端连接晶体管M10、M11的漏极。

[0068] 电感L5、L7、L9、L11分别与电感L6、L8、L10、L12同向耦合，耦合系数分别为k3‑k6。

[0069] 通过两个增益调制单元可以实现增益调谐，并可以通过四对共栅极晶体管模块交替工作来实现相位反转。在增益调制单元中，可以通过控制Vt1和Vt2的电压控制放大器的增益。当K1‑K4分别切换到VON(VOFF)和VOFF(VON)，可以控制任一对共栅极晶体管工作，最终得到工作在不同象限的矢量，实现全相移。例如，如果K1和K2分别切换到VON和VOFF，则晶体管M5和M7所在的支路能够正常工作，而由于M6和M8所在的支路无法工作，相当于被断开了，通过M6和M8的电流是可忽略的，这时，四个晶体管M1、M2、M6和M8组成具有负放大差分共源共栅放大电路；同理，当K1和K2分别切换到VOFF和VON时，晶体管M6和M8所在的支路能够正常工作，M5和M7所在的支路无法工作，上述两种情况输出的差分信号相位相反。以此类推，我们可以通过控制K1‑K4、Vt1和Vt2，得到两对增益可调制、相位能够实现翻转的差分信号。通过矢量合成的原理可知，利用上述的两对差分信号，在理论上可以实现0°‑360°范围内任意相位的矢量。另外，在可变增益放大单元的输出端分别连接有耦合电感，这种结构进一步拓宽整个移相器电路的频率范围，可变增益放大器的每一路电路可以看成一个在输出端连接了耦合电感的共源共栅结构，这种结构与前面的低噪放大器连接，可以获得更加平稳的NF噪声系数。

[0070] 参阅图3，第一级间匹配网络包括电容C5‑C7，第二级间匹配网络包括电容C8‑C10。电容C5的一端与电容C6、电感L5的正端、电感L6的负端连接，电容C5的另一端与电容C7、电感L7的正端、电感L8的负端连接。同理，电容C8的一端与电容C9、电感L11的正端、电感L12的负端连接，电容C8的另一端与电容C10、电感L9的正端、电感L10的负端连接。

[0071] 低噪声增益调制器通过调谐电感L1和L2、电感L3和L4分别耦合得到的变压器与晶体管对的参数，得到平坦且较低的噪声系数。同时，可变增益放大单元中每一个支路都可以看成共源共栅放大器，这种结构可以进一步得到更为平坦的噪声系数，同时输出端连接的变压器可以使整个电路有更大的带宽，从而构成一个低噪声增益调制器。

[0072] 可选地，多相滤波器包括第一级多相滤波电路和第二级多相滤波电路，所述第二差分信号和所述第三差分信号连接所述第一级多相滤波电路，所述第一级多相滤波电路连接所述第二级多相滤波电路。

[0073] 第一级多相滤波电路和第二级多相滤波电路均由电阻和电感组成。

[0074] 参阅图3，第一级多相滤波电路包括电阻R7‑R10以及电感L13‑L16，第二级多相滤波电路包括电阻R11‑R14以及电感L17‑L20。电容C6‑C7、C9‑C10分别与电阻R7‑R10的输入端相连，电感L13的两端分别连接电阻R7的输出端与电阻R8的输入端，电感L14的两端分别连接电阻R8的输出端与电阻R9的输入端，电感L15的两端分别连接电阻R9的输出端与电阻R10的输入端，电感L16的两端分别连接电阻R10的输出端与电阻R7的输入端。电阻R7‑R10的输出端分别连接电阻R11‑R14的输入端，电感L17的两端分别连接电阻R11的输出端与电阻R12的输入端，电感L18的两端分别连接电阻R12的输出端与电阻R13的输入端，电感L19的两端分别连接电阻R13的输出端与电阻R14的输入端，电感L20的两端分别连接电阻R14的输出端与电阻R11的输入端。同时，电阻R11的输出端连接电阻R12的输出端，输出信号RFout+；电阻R13的输出端连接电阻R14的输出端，输出信号RFout‑。

[0075] 多相滤波器从可变增益放大器得到的两对增益调谐的差分信号，通过C5‑C10的级间匹配网络，输入到两级RL多相滤波器中，输出得到两对差分信号正交合成后的差分信号。

[0076] 本发明实施例是一种超宽带低噪高精度移相器，这款移相器主要的电路组件有低噪声增益调制器和RL多相滤波器，通过将矢量合成单元和正交信号发生器后置，增益调制器前置的方法，改善传统移相器宽带相位一致性带来的性能恶化。

[0077] 为了满足低噪应用的需求，例如无源毫米波成像，首先，在低噪声增益调制器拓扑结构的第一级设计了一个低噪放大单元，将低噪放大单元放在电路的输入级可以有效地改善电路的噪声性能；差分信号RFin+和RFin‑经过低噪放大后，会进入到增益调制单元中，同时增益调制单元中每一个信号通路都可以看成共栅共源放大电路，配合第三至第六变压器可以进一步改善电路的噪声性能。

[0078] 另外，增益调制单元可以实现增益调谐和180°相位反转，得到两对幅值受调控的差分信号V1+和V1‑，V2+和V2‑，这两对幅值受调控的差分信号通过所设计的RL多相滤波器，就可以实现矢量合成得到想要的相位，不需要设计额外的正交信号发生器，从而简化了有源移相器的结构。同时，相较于RC多相滤波器，RL多相滤波器更适合毫米波设计，具有损耗小、宽带宽、插入损耗低的特点。

[0079] 在本发明实施例的低噪放大单元中，通过晶体管对M1p和M1n、M2p和M2n来提高跨导，从而获得高增益和低噪声系数；为了便于偏置电路的设计，这里使用大电阻R1和R2来实现晶体管对的自偏置。另外，加入耦合电感L1和L2、L3和L4，通过调谐耦合电感和晶体管对的参数，可以在高频区域实现在噪声匹配，从而得到平缓的NF噪声系数。

[0080] 在本发明实施例的增益调制单元中，由两对差分共源共栅放大器组成，这种结构可以实现矢量增益调谐和相位反转，第二级的四对共栅极晶体管交替工作。在增益调制单元中，可以通过控制Vt1和Vt2的电压控制放大器的增益。当K1‑K4分别切换到VON(VOFF)和VOFF(VON)，可以控制任一对共栅极晶体管工作，最终得到工作在不同象限的矢量，实现全相移。例如，如果K1和K2分别切换到VON和VOFF，则晶体管M5和M7所在的支路能够正常工作，而由于M6和M8所在的支路无法工作，相当于被断开了，通过M6和M8的电流是可忽略的，这时，四个晶体管M1、M2、M6和M8组成具有负放大差分共源共栅放大电路；同理，当K1和K2分别切换到VOFF和VON时，晶体管M6和M8所在的支路能够正常工作，M5和M7所在的支路无法工作，上述两种情况输出的差分信号相位相反。以此类推，我们可以通过控制K1‑K4、Vt1和Vt2，得到两对增益可调制、相位能够实现翻转的差分信号。通过矢量合成的原理可知，利用上述的两对差分信号，在理论上可以实现0°‑360°范围内任意相位的矢量。另外，在可变增益放大单元的输出端分别连接有耦合电感，这种结构进一步拓宽整个移相器电路的频率范围，可变增益放大器的每一路电路可以看成一个在输出端连接了耦合电感的共源共栅结构，这种结构与前面的低噪放大器连接，可以获得更加平稳的NF噪声系数。

[0081] 在本发明实施例中，多相滤波器采用RL多相滤波器，从可变增益放大器得到的两对增益调谐的差分信号，通过C5‑C10的级间匹配网络，输入到两级RL多相滤波器中，输出得到两对差分信号正交合成后的差分信号。

[0082] 本发明实施例采用RL多相滤波器作为移相器电路的输出，实现正交信号发生器和矢量合成器的作用，RL多相滤波器具有宽带宽、较低插入损耗的特点；同时，采用低噪声增益调制器，从而使得整体电路的噪声系数和带宽有所提升。如图4‑图8所示，有源移相器的工作频率在24GHz～45GHz范围内，移相器的噪声系数在工作频率内的范围为3.49dB～6.59dB，S11在工作频率内均小于12dB，最大增益为5.17dB，最大平均增益为2.85dB，幅度误差在0.89dB～1.15dB，相位误差为0.69°～2.6°。本发明实施例的有源移相器能够工作在5G毫米波通信频段，适用于5G毫米波相控阵系统中。

[0083] 实施例二

[0084] 参阅图9的电路原理图，本发明实施例仍采用RL多相滤波器作为有源移相器的第三级电路，与实施例一的区别在于：

[0085] 多相滤波器的第二级多项滤波电路中，电阻R11和电阻R12的输出端不再连接，电阻R11的输出端输出信号RFout+，电阻R13和电阻R14的输出端不再连接，电阻R13的输出端输出信号RFout‑。仍然可以实现电路的功能和优点。

[0086] 实施例三

[0087] 参阅图10的电路原理图，在多相滤波器的第二多相滤波电路中，电阻R11的输入端连接R7的输出端和电感L18的一端，电阻R11的输出端与电阻R8的输出端、电感L17的一端连接，输出RFout+；电阻R12的输入端与电阻R9的输出端、电感L17的另一端连接，电阻R12的输出端与电阻R10的输出端、电感L18的另一端连接，输出RFout‑，得到一个新型的多相滤波器，该滤波器可以使整个有源移相器电路的面积缩小。

[0088] 本发明实施例还提供了一种芯片，包括上述的有源移相器。

[0089] 具体地，芯片包括上述的有源移相器电路以及其他辅助或功能电路，如芯片还包括电源电路等。

[0090] 本发明实施例还提供了一种相控阵设备，包括上述的有源移相器。

[0091] 具体地，相控阵设备包括上述的有源移相器电路、其他辅助或功能电路以及外壳部件等。

[0092] 以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。