移相器——移相器介绍及有源移相器近年进展综述

目录

前言

摘要

介绍

近年进展综述

2014年进展

2015年进展

2016年进展

2017年进展

2018年进展

2018年第一篇

2018年第二篇

总结

参考文献

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前言

今天博主不务正业一下吧，因为研一期间做过一些模拟的东西（其实也可以算射频），这部分内容之前在博客园发过，现在将博客迁移到CSDN了，所以我把这部分内容分两篇博客重新记录一下。

摘要

随着物联网、大数据、5G时代的来临，无线通信、相控阵系统、PAM4接收机发射机等系统，也正在经历又一轮的技术革新。移相器作为其中的关键模块，也在持续发展。开始的移相器基本都为一些无源元件构成的无源移相器，但由于其占据面积较大，移相精度不高，无源移相器正面临着发展瓶颈，近些年有很多低功耗、小面积、低成本的有源移相器正在渐渐变为研究热点。移相器又有数字式、模拟式和数模混合式，目前主流的移相器为数字式，通过开关的切换来选择均匀步进的相位。下面将是移相器的基本概念介绍。

介绍

移相器（phase shifter）是无线通信、相控阵系统、PAM4接收机发射机等系统中的关键模块，其用来改变信号的相位，它的分类如图1所示。移相的精度是其最重要的考察指标，从开始的误差高达十几度的4位有源数控移相器，发展到现在误差仅为几度的6位有源数控移相器，结构的变化，工艺的改进，共同推动了有源数控移相器的进步。

图1 移相器的分类

有源数控移相器主要为矢量调制型，其基本原理如图2所示。图（a）表示矢量调制的基本原理，A1为原始信号，A2为正交信号，AΣ为其合成信号。图（b）表示的是一对差分信号转成的正交信号，这样可以覆盖360°的相移。

图2 矢量调制原理

有源移相器的主要指标包括工作范围、移相范围、移相精度、相位误差等。移相器的工作范围又称工作频带，它是指移相器可以完成正常移相功能的频率范围，其中，保证移相器正常工作的最高频率称为移相器的工作频带上限，正常工作的最低频率称为移相器的工作频带下限。移相器的移相范围是指移相器所能实现的输出信号与输入信号的最大相位差值，常用的移相范围有0—180°和0—360°，目前基本都是0—360°的移相范围。

移相精度是指移相器所能实现的最小相移量，对数字步进式移相器(又称数控移相器)来说，移相精度与步进位数有关。常用的移相精度为25°、11.25°和5.625°，对应的步进位数分别为4位、5位和6位。对于360°移相范围的移相器来说，其移相精度和步进位数的关系为：θ = 360°/2ⁿ。其中，θ为移相精度，n为移相器的步进位数。对于数控移相器来说，其在理想情况下产生的是标准的参考相位，如对于5位数控移相器，其产生的一系列参考相位为0、11．25°、22.5°、33．75°、45°等，而实际的电路中，由于理想元器件并不存在，再加上电路中的其他非理想效应和工艺误差，实际产生的相移量与相应的参考相位之间会存在一定的偏差。相位误差有两种表示方法，一种是最大相位误差，一种是均方根相位误差，一般采用均方根相位误差来表示。

近年进展综述

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3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3 王巍等人提出的基本结构

其中DAC幅度控制电路如图4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，IQB+IIB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4 DAC幅度调制模块                                                                 图5 整体细节电路

整体细节电路如图5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。

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6所示。

图6 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（II和IQ）。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，II+IQ=1010Iref，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II和IQ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IQ与II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7所示。

图7 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8所示。

图8 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9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9 正交信号产生电路                                                 图10 带有补偿DAC的幅度控制模块结构图

如图10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。

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11所示。无源和有源的部分由图12（a）和（b）所示。

          

图11 移相器整体结构图                                             图12 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

这篇博客博主首先介绍了移相器的原理，然后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。

备注：如果有做模拟射频的同学需要下面的参考文献可以在评论中留下邮箱哦。

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.