微波毫米波和太赫兹电路及相控阵的低功率波束形成方法
【技术领域】
[0001]本发明属于通信技术领域，涉及微波毫米波和太赫兹电路及相控阵的低功率波束形成方法，具体涉及一种独特的微分求积(DQ)信号发生器，另外一种有着相对较宽的带宽和小型化尺寸的Lange耦合器被广泛用于MMIC设计里面，特别用于宽带混合器、Dorhty放大器。
【背景技术】
[0002]相控阵雷达具有多功能、多目标跟踪和多种工作方式等优点，这些优点的发挥，以及相控阵雷达战术性能的提高，在很大程度上都与形成多波束能力有关。随着数字技术与大规模数字与模拟集成电路技术的进步，数字多波束形成技术已开始应用于相控阵雷达型号产品之中。超高速模拟数字变换器(ADC)、数字通道接收机、基于直接频率综合器(DDS)的多通道相关信号的产生为数字式接收与发射多波束的形成及数字阵列雷达(DAR)的发展提供了新的技术基础。先进相控阵雷达性能的进一步提高在很大程度上取决于其形成多波束的能力与实现方法。
[0003]I/Q调制信号发生器或者说90度混合耦合器是一种网络，能够提供两个同样幅值但相位差别90度的输出信号，在射频收发前端里是一种非常重要的功能模块。运用晶体管电路去实现混合耦合器的功能是可行的。然而，现在也面临着功耗低于ldB、相位与幅值之间平衡的低精确度等问题。因此，对于微波应用来说，无源网络被广泛用于I/Q调制信号发生器中，如分支线耦合器、Lange耦合器等。为了达到15%或者更高的带宽，分支线耦合器可以从一阶变到高阶。但不足的是相对较大的尺寸，尤其是一旦高阶耦合器被用到，就会增加损耗和尺寸。对IC设计来说，它不是一种有成本效益的方法。另外一种有着相对较宽的带宽和小型化尺寸的Lange耦合器被广泛用于MMIC设计里面，特别用于宽带混合器、Dorhty放大器。为了实现混合耦合器的小型化，我们可以采用在LC网络里面运用集总元件的方法。在基带处理或者混合电路的镜频抑制控制中，I/Q调制信号发生器是这些架构里面必不可少的一部分。I/Q调制信号发生器还有其他的应用，比如:六端口网络，巴特勒矩阵，波束形成等。众所周知，一个nXn的巴特勒矩阵或者线性的η元天线阵列，会产生η个正交的波束。通过混合耦合器的运用，波束形成特性和接收机特性都能够得到改进。由于60GHz短范围无线通信波束形成的需求被引起了关注，the IEEE 802.1lad在波束形成上有直接的需求。然而，对于移动通信特别是个人手持设备来说，低功率和高性能是采用60GHz波束形成系统的重要需求。
【发明内容】
[0004]本发明技术是建立在差分驱动电路之上的。由于微分求积信号发生器的基础性构件，这个微分求积信号发生器可以被诸如功放器、差分驱动移相器、巴特勒矩阵、六端口网络等新型差分电路所采用。运用本发明技术所建立的所有电路都具有低功耗和高线性度的额外优势，这是由于这些电路都是基于没有引入额外动力的无源网络来完成的。它被用于低功率设计特别是像智能手机这类手持设备是非常引人注目的。
[0005]本发明所采用的技术方案是:
[0006]一种微分求积信号发生器，包含输入端、隔离端、耦合端及直通端，所述每一端由两个差分端口构成，即输入端由[1+]端口和[1-]端口构成，隔离端由[2+]端口和[2_]端口构成，親合端由[3+]端口和[3_]端口构成，直通端由[4+]端口和[4_]端口构成，所述[1+]端口通过第一传输线与[2_]端口连接，[1-]端口通过第二传输线与[2+]端口连接，[3+]端口通过第三传输线与[4_]端口连接，[3_]端口通过第四传输线与[4+]端口连接，所述第一传输线与第四传输线之间、第二传输线与第三传输线之间、第一传输线与第三传输线之间、第二传输线与第四传输线之间均通过耦合方式传输能量。
[0007]所述四条传输线的长度均相等。
[0008]进一步的，为了便于实现，所述微分求积信号发生器采用双层结构，如图1所示，上层记为A层，下层记为B层，所述八个差分端口均设置于A层上表面便于与外部端口连接，所述第二传输线与第四传输线之间采用窄边耦合方式设置于A层上，所述第一传输线与第三传输线之间采用窄边耦合方式设置于B层上表面，所述第一传输线与第四传输线之间、第二传输线与第三传输线之间均采用宽边耦合方式，所述[1+]端口、[2_]端口、[3+]端口及[4_]端口分别通过贯穿层A的金属通孔与相应的传输线连接；所述微分求积信号发生器的输入端与直通端位于发生器的同一侧，其耦合端与隔离端同位于发生器的另一侧。
[0009]进一步的，通过对图1所示结构的改进，本发明针对所述微分求积信号发生器提出另一种可实现结构，如图2所示，所述微分求积信号发生器为双层结构，上层记为A层，下层记为B层，所述八个差分端口均设置于A层上表面便于与外部端口连接；所述第一、第二、第三及第四传输线均分为两部分，分别记为相应传输线的第一部分和第二部分，四条传输线的第一部分的长度相等；所述第一传输线靠近[1+]端口的部分记为该传输线的第一部分位于层B上表面，其靠近[2_]端口的部分即该传输线的第二部分位于层A上表面，所述第一传输线的两部分通过贯穿于层A的金属通孔连接；所述第二传输线靠近[1-]端口的部分记为该传输线的第一部分位于层A上表面，其靠近[2+]端口的部分即该传输线的第二部分位于层B上表面；
[0010]同样的，所述第三传输线靠近[3+]端口的第一部分位于层A上表面，其靠近[4_]端口的第二部分位于层B;所述第四传输线靠近[3_]端口的第一部分位于层B上表面，其靠近[4+]端口的第二部分位于层A ;所述四条传输线的第一部分各自通过一个贯穿层A的金属通孔与其相应的第二部分连接；所述[1+]端口、[2+]端口、[3_]端口及[4_]端口分别通过贯穿层A的金属通孔与相应的传输线连接；图2所示的微分求积信号发生器通过各个端口之间传输线的上、下层空间结构的转换，使得其端口的排布不同于图1所提供的微分求积信号发生器的端口排布，图2中，所述输入端与隔离端位于微分求积信号发生器的同一侧，而其耦合端与直通端同位于发生器的另一侧。
[0011]本发明提供的微分求积信号发生器是不同于传统的四端口 I/Q调制信号发生器的，它是拥有四个差分驱动端口的八端口网络。本发明提供的微分求积信号发生器的实现可基于CMOS或者BiCMOS的IC制造技术，通过运用多层金属和衬底层，形成了结构简单和良好平衡特性的电路。这四个差分驱动端口在差分驱动模式下工作。它是完全对称的，并且在这个条件下，四个不同的端口可以相应地改变。假如I端口是差分驱动输入端口，那么将会有两个相位差别90度的差分驱动输出端口(也就是说这两个差分驱动输出端口将会产生四个信号，这四个信号有同样的幅值但相位不同，分别是0°，90°，180°，270° )。左面那个端口叫做隔离端口，也是一个差分驱动端口。这个隔离端口也被用来注入信号，并且与差分驱动输入端口I有着很好的隔离性。
[0012]该8端口微分求积信号发生器是由运用CMOS或者BiCMOS技术的多金属层的多个传输耦合线组成的。耦合线的宽边耦合和边缘耦合类型在使用金属层的缺陷地结构的帮助下被吸收。多条耦合线的设计参数主要是导线宽度、耦合缝隙和控制耦合强度所选择的层数。耦合线长度是决定各个端口间的匹配与相位关系的很重要的设计参数。
[0013]这个微分求积信号发生器可以被用于结构类似于传统的90度混合耦合器中从而形成移相器、巴特勒矩阵和六端口网络。然而，所有相应的端口都是差分驱动，端口间的连接线也都是差分驱动线。它可以被用来连接到单端口设备中，但是对于单连接系统来说，这些需要巴伦把差分端口转换成单端端口。
[0014]运用本微分求积信号发生器可以产生巴特勒矩阵，本发明提到的巴特勒矩阵为4X4巴特勒矩阵和8X8巴特勒矩阵。利用这些巴特勒矩阵又可以形成4X4巴特勒矩阵通信系统、8X8巴特勒矩阵通信系统和4X8巴特勒矩阵通信系统。
[0015]运用本发明中的微分求积信号发生器，形成巴特勒矩阵，然后与差分驱动天线组合在一起，形成了一种用于相控阵的新波束形成法。
[0016]在功率放大器、移相器中内嵌本发明中的微分求积信号发生器，形成了一种新的放大器、移相器的设计方法。
[0017]所有运用了该发明的电路都有如下优点:
[0018]I)接地装置有较小的误差:在连接设备的终端，接收装置能够分辨出两个信号的不同之处。由于接收机忽略了相对于地的线电压，因此发射机与接收机间的接地电压的微小变化不会影响接收机探测信号的能力；
[0019]2)使用低压电子设备的适当性:在电子产业里，特别是针对便携式可移动设备，为了节能和减少多余的发光辐射，降低电源电压是一个可持续性的趋势。然而，一个低电源电压会引起一系列的信令问题，因为它降低了抗干扰度。微分信号技术帮助我们减少了这些问题，这是因为，对于一个给定的电源电压，它能够提供一个单端系统两倍的抗干扰度；
[0020]3)抵抗电磁干扰:这个优点不仅仅是由于微分信号技术本身，也是由于在平衡线上传输微分信号的惯例所引起的；
[0021]4)相对于单端电路来说有较低的损耗:由于低电阻率硅的使用，商业硅有较高的衬底损耗。差分驱动电路使得电路更少地依赖于有损耗的硅和地，这样虚拟接地就可能存在于差分驱动导线之间。
【附图说明】
[0022]图1是微分求积信号发生器的原理图，其中图1(a)是微分求积信号发生