一种低附加相移的毫米波宽带衰减器

1.本发明属于微波毫米波技术领域，涉及一种毫米波宽带衰减器，尤其涉及一种低附加相移的毫米波宽带衰减器。


背景技术：

2.衰减器是相控阵系统中的关键器件，其性能对于整个相控阵系统有着重要的影响。衰减器的主要性能指标包括带宽、插入损耗、衰减步进与衰减精度、输入输出电压驻波比、附加相移、线性度等。在毫米波频段，由于场效应管存在寄生电容和衬底耦合效应，使得衰减器在参考态和衰减态之间存在相位差，即引入了附加相移。对于相控阵收发系统来说，衰减器的附加相移将严重影响相控阵收发系统的性能。
3.为了减小衰减器的附加相移，最直接的方法是减小场效应管的尺寸，从而减小其寄生电容。但另一方面，这种方法会增大场效应管的导通电阻，从而增大衰减器的插入损耗。因此，亟需在使用大尺寸场效应管的情况下引入相位补偿电路。针对传统的开关内嵌π型衰减器，一种补偿相位的方法是在串联支路上引入低通滤波器来减小参考态和衰减态的相位差。然而由于相位补偿电路位于串联通路上，因此参考态的插入损耗会随之增大。另一种补偿相位的办法是在并联支路上采用旁路电容结构来消除参考态和衰减态相位差，这种方法在较低的频段确实起到了减小附加相移的作用，同时对插入损耗几乎没有影响，但是随着频率增加，这类补偿电路对相位延迟的作用越来越小。仿真表明，在ka波段(28-40ghz)，此方法对减小附加相移的作用并不明显。
4.因此，亟需一种新型的相位补偿电路，使得在毫米波频段实现宽带的相位补偿，同时不影响插入损耗等其他性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种低附加相移的毫米波宽带衰减器。
6.为解决以上不足，采用如下技术方案：
7.本发明提供的一种低附加相移的毫米波宽带衰减器，包括串联支路、第一并联支路、第二并联支路、相位补偿电路；
8.所述串联支路包括场效应管m1、电阻r1；场效应管m1的漏极接射频输入端rf_in，源极接电阻r1的一端后作为射频输出端rf_out，栅极接控制电压vctr1，用于场效应管m1的开闭状态；电阻r1的另一端接射频输入端rf_in；
9.所述第一并联支路包括场效应管m2-m3、电阻r2；场效应管m2的漏极接射频输入端rf_in，源极接场效应管m3的漏极，栅极接场效应管m3的栅极后接控制电压场效应管m3的源极接电阻r2的一端后接相位补偿电路；电阻r2的另一端接地；
10.所述第二并联支路包括场效应管m4-m5、电阻r3；场效应管m4的漏极接射频输出端rf_out，源极接场效应管m5的漏极，栅极接场效应管m5的栅极后接控制信号场效应
管m5的源极接电阻r3的一端后接相位补偿电路；电阻r3的另一端接地；
11.所述控制电压与控制电压vctr1电位相反；
12.所述相位补偿电路包括电感l、电容c；电感l的一端与电容c的一端连接后接所述第一并联支路中场效应管m3的源极；电感l的另一端与电容c的另一端连接后接所述第二并联支路中场效应管m5的源极；
13.作为优选，所述电阻r2和电阻r3的阻值相等，场效应管m2和场效应管m4的尺寸相等，场效应管m3和场效应管m5尺寸相等。
14.当衰减器控制电压vctrl为高电平时,串联支路的场效应管m1打开，第一并联支路的场效应管m2、场效应管m3关闭，第二并联支路的场效应管m4、场效应管m5关闭，此时为参考态；
15.当衰减器控制电压vctrl为低电平时,串联支路的场效应管m1关闭，第一并联支路的场效应管m2、场效应管m3打开，第二并联支路的场效应管m4、场效应管m5打开，此时为衰减态。
16.然而，由于场效应管在毫米波频段存在寄生电容和衬底耦合效应，导致衰减器在参考态和衰减态分别形成低通和高通滤波结构，使得衰减态比参考态的相位超前，二者之间形成相位差，即附加相移。
17.本发明在第一并联支路和第二并联支路之间引入了一种新型相位补偿电路，其作用是在衰减态下，由电感l和电容c构成的lc并联结构引入了额外的相位滞后。而在参考态，由于场效应管m2、m3、m4、m5关闭，相位补偿电路的引入不会对参考态的相位有影响。通过改变相位补偿电路中电感l和电容c的大小可以控制衰减态的相位，同时不影响参考态下的相位，从而达到减小附加相移的作用。
18.而且，由于衰减器是通过并联支路的电阻r2-r3的泄露达到衰减效果，相位补偿电路的引入对衰减器的衰减幅值几乎不会有大的影响。
19.本发明具有如下优点：
20.1)本发明在传统开关内嵌π型衰减器结构基础上引入一种新型的相位补偿电路，能够有效降低附加相移，而几乎不影响衰减器的衰减幅值；
21.2)本发明使用的新型相位补偿电路结构简单、设计方便，可以通过改变电路参数补偿所需的相位；
22.3)本发明使用的新型相位补偿电路结构可以应用到频段较高的毫米波数控衰减器中，应用范围广泛。
附图说明
23.图1是本发明的电路原理图；
24.图2是本发明衰减态和参考态的相位仿真结果；
25.图3是本发明的附加相移仿真结果。
26.图4是本发明的衰减幅值仿真结果。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
28.如图1所示，本发明提供的一种低附加相移的毫米波宽带衰减器，包括串联支路1、第一并联支路2、第二并联支路3、相位补偿电路4；
29.所述串联支路1包括场效应管m1、电阻r1；场效应管m1的漏极接射频输入端rf_in，源极接电阻r1的一端后作为射频输出端rf_out，栅极接控制电压vctr1，用于场效应管m1的开闭状态；电阻r1的另一端接射频输入端rf_in；
30.所述第一并联支路2包括场效应管m2-m3、电阻r2；场效应管m2的漏极接射频输入端rf_in，源极接场效应管m3的漏极，栅极接场效应管m3的栅极后接控制电压场效应管m3的源极接电阻r2的一端后接相位补偿电路4；电阻r2的另一端接地；
31.所述第二并联支路3包括场效应管m4-m5、电阻r3；场效应管m4的漏极接射频输出端rf_out，源极接场效应管m5的漏极，栅极接场效应管m5的栅极后接控制信号场效应管m5的源极接电阻r3的一端后接相位补偿电路4；电阻r3的另一端接地；
32.所述控制电压与控制电压vctr1电位相反；
33.所述相位补偿电路4包括电感l、电容c；电感l的一端与电容c的一端连接后接所述第一并联支路2中场效应管m3的源极；电感l的另一端与电容c的另一端连接后接所述第二并联支路3中场效应管m5的源极；
34.所述电阻r2和电阻r3的阻值相等，场效应管m2和场效应管m4的尺寸相等，场效应管m3和场效应管m5尺寸相等。
35.图2是本发明衰减态和参考态的相位仿真结果。由图2可见，在参考态下，引入相位补偿电路4前后的相位重合，证明了相位补偿网络4的引入对参考态的相位没有影响。然而在衰减态下，引入相位补偿电路4后，衰减器的相位整体下移，从而使衰减态相位更加靠近参考态相位，大大减小了附加相移。
36.图3是本发明的附加相移仿真结果。由图3可见，引入相位补偿电路4前，本发明在28-40ghz范围内的附加相移为7
°
到12
°
，引入相位补偿电路4后，本发明在28-40ghz范围内的的附加相移减小到了-1
°
到2
°
，大大减小了附加相移，从而使附加相移更加靠近理想情况。
37.图4是本发明的衰减幅值仿真结果。在引入相位补偿电路4前，衰减器在28-40ghz范围内的衰减幅值为8db到8.05db，引入相位补偿电路4后，衰减器28-40ghz范围内衰减幅值为7.85db到8.07db，由此可见，相位补偿电路4的引入对衰减器的衰减幅值影响很小。
38.本发明采用0.1um ingaas phemt工艺实现。
39.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种低附加相移的毫米波宽带衰减器，其特征在于包括串联支路(1)、第一并联支路(2)、第二并联支路(3)、相位补偿电路(4)；所述串联支路(1)包括场效应管m1、电阻r1；场效应管m1的漏极接射频输入端rf_in，源极接电阻r1的一端后作为射频输出端rf_out，栅极接控制电压vctr1，用于控制场效应管m1的开闭状态；电阻r1的另一端接射频输入端rf_in；所述第一并联支路(2)包括场效应管m2-m3、电阻r2；场效应管m2的漏极接射频输入端rf_in，源极接场效应管m3的漏极，栅极接场效应管m3的栅极后接控制电压场效应管m3的源极接电阻r2的一端后接相位补偿电路(4)；电阻r2的另一端接地；所述第二并联支路(3)包括场效应管m4-m5、电阻r3；场效应管m4的漏极接射频输出端rf_out，源极接场效应管m5的漏极，栅极接场效应管m5的栅极后接控制信号场效应管m5的源极接电阻r3的一端后接相位补偿电路(4)；电阻r3的另一端接地；所述控制电压与控制电压vctr1电位相反；所述相位补偿电路(4)包括电感l、电容c；电感l的一端与电容c的一端连接后接所述第一并联支路(2)中场效应管m3的源极；电感l的另一端与电容c的另一端连接后接所述第二并联支路(3)中场效应管m5的源极。2.根据权利要求1所述的一种低附加相移的毫米波宽带衰减器，其特征在于所述第二电阻r2和第三电阻r3的阻值相等。3.根据权利要求1所述的一种低附加相移的毫米波宽带衰减器，其特征在于第二场效应管m2和第四场效应管m4的尺寸相等。4.根据权利要求1所述的一种低附加相移的毫米波宽带衰减器，其特征在于第三场效应管m3和第五场效应管m5的尺寸相等。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种低附加相移的毫米波宽带衰减器，其特征在于：当控制电压vctrl为高电平时,串联支路(1)的场效应管m1打开，第一并联支路(2)的场效应管m2、场效应管m3关闭，第二并联支路(3)的场效应管m4、场效应管m5关闭，此时为参考态；当控制电压vctrl为低电平时,串联支路(1)的场效应管m1关闭，第一并联支路(2)的场效应管m2、场效应管m3打开，第二并联支路(3)的场效应管m4、场效应管m5打开，此时为衰减态；由于场效应管在毫米波频段存在寄生电容和衬底耦合效应，导致衰减器在参考态和衰减态分别形成低通和高通滤波结构，使得衰减态比参考态的相位超前，二者之间形成相位差，即附加相移；在衰减态下，在第一并联支路(2)和第二并联支路(3)之间由相位补偿电路(4)引入了额外的相位滞后；在参考态，由于场效应管m2、m3、m4、m5关闭，相位补偿电路(4)的引入不会对参考态的相位有影响。6.根据权利要求5所述的一种低附加相移的毫米波宽带衰减器，其特征在于通过改变相位补偿电路(4)中电感l和电容c的大小控制衰减态的相位，同时不影响参考态下的相位，从而达到减小附加相移的作用。

技术总结
本发明公开了一种低附加相移的毫米波宽带衰减器，包括串联支路、第一并联支路、第二并联支路、相位补偿电路；在第一并联支路和第二并联支路之间引入了一种由电感L和电容C构成LC并联结构的新型相位补偿电路，其作用是在衰减态下，引入了额外的相位滞后。而在参考态，由于场效应管M2、M3、M4、M5关闭，相位补偿电路的引入不会对参考态的相位有影响。通过改变相位补偿电路中电感和电容的大小可以控制衰减态的相位，同时不影响参考态下的相位，从而达到减小附加相移的作用。而且，由于衰减器是通过并联支路的电阻的泄露达到衰减效果，新型相位补偿电路的引入对衰减器的衰减幅值几乎不会有大的影响。有大的影响。有大的影响。


技术研发人员：朱舫 周权阳 韦焕杰
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/7/20