移相器——有源移相器近年进展

    这是博主整理的几篇近几年具有代表性的有源数控移相器文章，从整体结构到细节电路做了一些分析，希望能对大家有所帮助。

2014年进展

    2014年，王巍、徐巍等人提出了一种工作在7—18GHz的4位有源数控移相器，其基本结构如图1所示。电路工作在单端模式下，射频信号通过低噪声输入巴伦，变成差分信号，再通过正交全通滤波器，分离成正交的I/Q矢量信号。两个可变增益放大器（VGA）组成一个矢量加法器，它的作用是把I/Q信号加上适当的振幅极性，然后在输出端进行矢量合成，输出信号的相位为：

图1 王巍等人提出的基本结构

    其中DAC幅度控制电路如图2所示，电流模DAC通过图2中的共源共栅电流镜设置加法器I和Q路径的偏置电流比例。其中开关分别为４位相位合成的DAC中PMOS开关S0，S1，S2和加法器中NMOS开关SI，SQ的控制逻辑。SnB（n=I，Q，0, 1, 2）是Sn的逻辑非。对所有相位状态，I_QB+I_IB为常数，而且对于所有相位状态，可以看到它们具有相同的振幅响应。因此，相位可以改变，但振幅不变。

图2 DAC幅度调制模块

    整体细节电路如图3所示，其中输入巴伦将单端输入变为差分输入，正交全通滤波器将两路差分信号分为四路正交信号，模拟差分加法器即矢量加法器，负责选择极性和矢量合成，输出巴伦负责将差分信号再转为单端输出。

图3 整体细节电路

    该有源数控移相器实现了7—18GHz内4位精度的相移，移相误差小于4°，相比之前的工作，该工作已经有了较大进步。

2015年进展

    2015年，Xing Quan, Yiqi Zhuang等人提出了一种新的DAC幅度控制结构，该结构如图4所示。

图4 DAC幅度控制模块结构图

    为了获得6位移相精度（即64个相位状态），通过打开或关闭I路和Q路中的开关来选择不同的比例的I路和Q路电流（I_I和I_Q）。 逻辑编码器使用6个数字输入实现，以生成16个数字输出。 16个输出中的2个用于控制极性，其余用于控制开关。设置6位移相精度的DAC幅度控制方案，使得对于所有相位状态，I_I+I_Q=1010I_ref，这样可以得到恒定的增益。输出相位最终精度取决于I路和Q路的电流大小，即I_I和I_Q的比例。在他们所提出的DAC幅度控制单元中，I路和Q路中的电流被独立地控制，这使得该结构可以更为精确地控制I_Q与I_I的比例。

    该DAC幅度控制结构经测试后，发现其可以实现5—20GHz内6位精度的相移，且相位误差小于5°。

2016年进展

    2016年，JiexiongLiang, WeiLi等人提出了一种工作在6—18GHz的6位有源数控移相器，该电路还是单端输入经片上巴伦转换为差分信号，经过正交信号产生电路，在由两个吉尔伯特单元和DAC幅度控制模块进行矢量合成，不同的是该结构采用了一种全新的正交信号产生电路，该电路结构如图5所示。

图5 正交信号产生电路结构图

    经测试，该正交信号产生电路在7—16GHz相位误差小于2°，其产生的正交信号可以更好地输入下一级，使得整体的相位误差得到提升，但是该结构各无源元件的离散值较大，不易集成，因此不是很适用于所有系统。

2017年进展

    2017年，Yan Yao, Zhiqun Li等人提出了一种工作在12—18GHz的有源数控移相器，其采用的电路结构和之前的结构类似，DAC幅度控制模块采用的结构和2015年Xing Quan, Yiqi Zhuang等人提出的结构类似，其实现了12—18GHz内6位的移相精度，且相位误差小于61°。

2018年进展

2018年第一篇

    2018年，Zongming Duan, Yan Wang等人提出了一种工作在12—18GHz的有源数控移相器，其结构图如图6所示。

图6 有源数控移相器结构图

    该结构同先前结构类似，但是其正交信号产生电路和DAC幅度控制模块相比之前的结构有所不同。

    如图7所示为正交信号产生电路，该电路全部由电容电阻构成，相对来说面积有所增加，但是对电容负载不会敏感，产生正交信号的精度很高，其在12—18GHz的相位误差进位0.5—1.8°，因此被采用作为该有源数控移相器的正交信号产生电路。

图7 正交信号产生电路

    如图8为DAC幅度控制模块，这种结构，先用主DAC幅度控制模块获得想要的相移，再用补偿DAC幅度控制来补偿增益，使其相位误差更小，加上选择极性的2位数字码，由此构成6位数控移相。该结构提出了一种新的思想，不是仅仅依靠数字计算每一路的增益，而是可以依靠补偿的方法将相位误差降到更低。

图8 带有补偿DAC的幅度控制模块结构图

    经测试，该有源数控移相器完成了6—18GHz的6位精度相移，其相位误差在1.8°—4°，虽然相位误差不是最高，但是其正交信号产生电路无源元件离散值不大，对称性好，适用于片上集成，且补偿DAC幅度控制是一种新的方式，可以给相位误差的继续减小提供新的思路。

2018年第二篇

    2018年，Xing Quan, Xiang Yi等人提出了一种工作在52—57GHz的6位数控移相器，该移相器的小步进移相采用无源元件构成，如5.625°、11.25°等，大的移相依旧采用正交信号产生电路加吉尔伯特单元等，如25°、45°等，该移相器采用了无源加有源组合，其结构图如图9所示。无源和有源的部分由图10（a）和（b）所示。

图9 移相器整体结构图

图10 无源和有源细节电路

    经测试，该结构实现了52—57GHz的6位精度相移，相位误差为3.76°，但由于其工作在高频区域，所以这个误差是可以接受的。这个结构又一次给出了新的思想，那就是DAC幅度控制模块为无源与有源结合，虽然依然存在功耗，但是其利用无源电路产生小相移的思想可以为后续继续提升移相器精度提供新的方向。

总结

    本文依照年份顺序介绍了有源数控移相器的发展现状，目前主流的有源数控移相器基本还是相同的结构，包括正交信号产生电路、两个吉尔伯特单元构成的正交信号合成电路和DAC幅度控制电路。当下最新的移相器的移相精度为6位，也就是对360°的移相范围有64移相状态，最小相位步进为5.625°。每篇文章的不同点在于每个模块的细节电路设计，尤其是正交信号产生电路和DAC幅度控制模块，这两个模块的电路在未来肯定还会有不同的结构，精度及位数在未来肯定还会有更大飞跃。

参考文献

[1] 王巍,徐巍,钟武,林涛,袁军,徐骅.一种基于0.18μm SiGe BiCMOS工艺的X/Ku波段数字有源移相器[J].微电子学,2014,44(01):59-63.

[2] X. Quan, Y. Zhuang, Z. Li, Y. Zhang, K. Jing and J. Zhan, “Current generator for 6-bit active phase shifter,” in Electronics Letters, vol. 51, no. 15, pp. 1175-1177, 23 7 2015.

[3] Jiexiong Liang, Wei Li, Jintao Hu and Lai He, “A 6–18GHz vector-sum 6-bit active phase shifter,” 2016 13th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT), Hangzhou, 2016, pp. 1537-1539.

[4] Y. Yao, Z. Li, G. Cheng and L. Luo, “A 6-bit active phase shifter for Ku-band phased arrays,” 2017 9th International Conference on Wireless Communications and Signal Processing (WCSP),Nanjing, 2017, pp. 1-5.

[5] Z. Duan, Y. Wang, W. Lv, Y. Dai and F. Lin, “A 6-bit CMOS Active Phase Shifter forKu-Band Phased Arrays,” in IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 28, no. 7, pp. 615-617, July 2018.

[6] X. Quan et al., “A 52–57 GHz 6-Bit Phase Shifter With Hybrid of Passive and Active Structures,” in IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 28, no. 3, pp. 236-238, March 2018.