基于GaAs HBT器件的模拟反射型I-Q矢量调制电路

摘要

本发明公开了一种基于GaAs HBT器件的模拟反射型I-Q矢量调制电路，主要解决现有调制电路占用芯片面积比大，成本高的问题。其包括：一个3-dB lange耦合器(1)，两个模拟反射型衰减器(6，7)，和1个3-dB wilkinson功率合成器(10)，该3-dB lange耦合器的直通端口输出直接通过第一衰减器(6)移相后输出到功率合成器(7)的一个输入端；该3-dB lange耦合器的耦合端口输出直接通过第二衰减器(6)移相后输出到功率合成器(10)的另一个输入端，其中每个模拟反射型衰减器的砷化镓异质结双极晶体管，其集电极分别并联连接有电阻R3和R4，用以减小Vb＝0时的反射系数|Γ|，其发射极分别串联连接有电感L1和L2，用以抵消由于HBT器件的寄生效应。本发明可用于产生I-Q调制信号或者进行频率转换。

说明书

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，特别是一种反射型I-Q矢量调制电路，用于数字通信中，产生I-Q调制信号或者进行频率转换。

背景技术

传统上讲，在微波以及毫米波应用中，矢量调制器主要有两种实现结构。第一种是利用两个正交二相调制器通过3-dB功率合成器组成；第二种是利用一个可变衰减器和一个360°可变相移器组成。虽然在第二种结构中，插入损耗非常小，但是需要衰减器有固定的相位以及相移器有固定的插入损耗，这使得电路设计非常的困难。因此，在微波以及毫米波应用中，由二相可变模拟反射型衰减器所组成的第一种结构往往得到广泛的应用。

二相可变模拟反射型衰减器应用于矢量调制器是由Devlin和Minnis首先提出的。反射型衰减器是由作为正交混合网络的Lange耦合器和两个冷模器件组成，冷模器件采用高电子迁移率晶体管HEMT或者异质结双极型晶体管HBT。采用冷模HEMT器件需要负的偏压来实现调制功能，而采用冷模HBT仅仅需要正偏压就可以实现。冷模HBT器件有较大的寄生参数，通过平衡或者推挽式电路结构可以消除由寄生效应所引起的幅度和相位的误差。这种结构可以实现较好的对称星座图，但是占用芯片面积比较大，成本比较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述矢量调制器的不足，提供一种基于GaAsHBT器件的模拟反射型I-Q矢量调制电路，以减小芯片占用面积和功耗，提高芯片性能。

本发明的技术方案是这样实现的：

1.技术原理

基于GaAs HBT器件的模拟反射型I-Q矢量调制电路的插入损耗主要由衰减器的可变电阻终端GaAs HBT的集电极的反射系数Γ决定，要求反射系数Γ在Vb＝0和Vb＝Von两种状态时的幅度相等，相位差为180°。当Vb＝0时，可变电阻终端GaAs HBT的阻抗远远大于50Ω，这样信号传输到可变电阻终端GaAs HBT时反射系数很大；当Vb＝Von时，由于GaAs HBT器件中存在寄生电阻，可变电阻终端GaAs HBT的阻抗降低不到理想的状态，使得信号传输到可变电阻终端GaAs HBT时反射系数比Vb＝0时小。通过在GaAs HBT集电极并联一个相当的电阻可以适当减小Vb＝0时的反射系数|Γ|，使得反射型衰减器的可变电阻终端GaAs HBT的集电极的反射系数Γ在Vb＝0和Vb＝Von两种状态时的幅度相等。由于GaAs HBT器件的基极、集电极以及发射极彼此之间的寄生电容所造成的寄生效应，所以反射系数Γ在Vb＝0和Vb＝Von两种状态时相位差远离180°，通过在GaAs HBT发射极串联一个电感来抵消这种寄生效应，使得反射型衰减器的可变电阻终端GaAs HBT的集电极的反射系数Γ在Vb＝0和Vb＝Von两种状态时的相位差为180°

2.调制电路结构

本发明的在调制电路，包括：一个3-dB lange耦合器，两个模拟反射型衰减器，和1个3-dB wilkinson功率合成器，该3-dB lange耦合器的直通端口输出直接通过第一衰减器移相后输出到功率合成器的一个输入端；该3-dB lange耦合器的耦合端口直接通过第二衰减器移相后输出到功率合成器的另一个输入端，功率合成器对输入的两个信号合成后从输出端输出。

所述的模拟反射型衰减器，包括一个3-dB lange耦合器，两个砷化镓异质结双极晶体管Q1和Q2，以及两个电阻R3和R4，该3-dB lange耦合器的输入端口作为衰减器的输入端口，隔离端口作为衰减器的输出端口；该3-dB lange耦合器的直通端口和耦合端口分别与Q1和Q2的集电极相连；Q1和Q2的基极分别与R3、R4相连，电阻R3和R4的另一端连接在一起作为衰减器的控制端口Vb；其中Q1和Q2的集电极分别并联连接有电阻R1和R2，用以减小Vb＝0时的反射系数|Γ|；Q1和Q2的发射极分别串联连接有电感L1和L2，用以抵消由于HBT器件的基极、集电极以及发射极彼此之间的寄生电容所造成的寄生效应。

本发明具有如下优点：

(1)本发明的调制电路只采用两个模拟反射型衰减器，直接连接在3-dBlange耦合器的直通端口和耦合端口，并且直接通过3-dB wilkinson功率合成器进行合成，相对于以往的平衡或者推挽式电路结构的调制电路采用四个模拟反射型衰减器以及附加四个耦合器来实现功能，在不影响电路功能的前提下节省了大量的芯片面积，从而节省了制作成本。

(2)本发明由于在GaAs HBT器件Q1和Q2的集电极分别并联连接了一个阻值相等的电阻R1和R2，使得Vb＝0时的反射系数|Γ|减小，从而使反射型衰减器的可变电阻终端GaAs HBT的集电极的反射系数Γ在Vb＝0和Vb＝Von两种状态时的幅度相等，减小了整体电路的插入损耗。

(3)本发明由于在GaAs HBT器件Q1和Q2的发射极分别串联连接了一个电感值相等的电感L1和L2，从而抵消由于GaAs HBT器件的基极、集电极以及发射极彼此之间的寄生电容所造成的寄生效应，使得反射型衰减器的可变电阻终端GaAs HBT的集电极的反射系数Γ在Vb＝0和Vb＝Von两种状态时的相位差为180°，在减小整体电路的插入损耗的同时提高了相位调制的精确度。

附图说明

图1是现有基于GaAs HBT器件的模拟反射型I-Q矢量调制电路图；

图2是现有模拟反射型衰减器电路图；

图3是本发明基于GaAs HBT器件的模拟反射型I-Q矢量调制电路图；

图4是本发明中的模拟反射型衰减器电路图；

图5是本发明的模拟反射型衰减器在Vb＝0和Vb＝Von两种状态时的反射系数幅度的比值以及相位差。

具体实施方式

参照图1，现有基于GaAs HBT器件的模拟反射型I-Q矢量调制电路图，包括五个3-dB lange耦合器1，2，3，4，5，四个模拟反射型衰减器6，7，8，9，和一个3-dB wilkinson功率合成器10，该3-dB lange耦合器有四个端口，分别为输入端口，隔离端口，直通端口以及耦合端口，信号从输入端口输入，从直通端口和耦合端口输出分别与输入信号相位相差0°和90°的信号。该第一3-dB lange耦合器1的输入端口作为调制电路的输入，直通端口和耦合端口分别连接第二3-dB lange耦合器2，和第三3-dB lange耦合器3的输入端口；该第二3-dB lange耦合器2的耦合端口和直通端口分别连接第一模拟反射型衰减器6和第二模拟反射型衰减器7的输入；该第一模拟反射型衰减器6和第二模拟反射型衰减器7的输出分别连接第四3-dB lange耦合器4的耦合端口和直通端口；第一模拟反射型衰减器6控制端口VI和第二模拟反射型衰减器7控制端口的控制信号高低电平相反，作为调制电路的两个控制端；该第三3-dB lange耦合器3的耦合端口和直通端口分别连接第三模拟反射型衰减器8和第四模拟反射型衰减器9的输入；该第三模拟反射型衰减器8和第四模拟反射型衰减器9的输出分别连接第五3-dB lange耦合器5的耦合端口和直通端口；第一模拟反射型衰减器8控制端口VQ和第二模拟反射型衰减器9控制端口的控制信号高低电平相反，作为调制电路的另外两个控制端；该3-dB lange耦合器1，2，3，4，5的隔离端口与地之间各连接一个50Ω的电阻；该第四3-dB lange耦合器4的输入端口连接3-dB wilkinson功率合成器10的一个输入端口；该第五3-dB lange耦合器5的输入端口连接3-dB wilkinson功率合成器10的另一个输入端口；该3-dB wilkinson功率合成器10的输出端口作为调制电路的输出。

参照图2，现有模拟反射型衰减器电路图，包括一个3-dB lange耦合器，两个砷化镓异质结双极晶体管Q1和Q2，以及两个电阻R1和R2，该3-dB lange耦合器的输入端口作为衰减器的输入端口，隔离端口作为衰减器的输出端口；该3-dB lange耦合器的直通端口输出与输入信号相位相差0°的信号并与Q1集电极相连，耦合端口输出与输入信号相位相差90°的信号并与Q2的集电极相连；Q1和Q2的基极分别与R1、R2相连，电阻R1和R2的另一端连接在一起作为衰减器的控制端口Vb。

参照图3，本发明基于GaAs HBT器件的模拟反射型I-Q矢量调制电路，主要由一个3-dB lange耦合器1，1个3-dB wilkinson功率合成器10，和两个模拟反射型衰减器6与7组成。该3-dB lange耦合器的直通端口输出与输入信号相位相差0°的信号，并直接通过第一衰减器6移相后输出到功率合成器10的一个输入端；该3-dB lange耦合器的耦合端口输出与输入信号相位相差90°的信号，并直接通过第二衰减器7移相后输出到功率合成器10的另一个输入端，功率合成器10对该两个输入信号合成后输出；第一模拟反射型衰减器6控制端口VI和第二模拟反射型衰减器7控制端口VQ作为调制电路的两个控制端。

参照图4，本发明中的模拟反射型衰减器，包括一个3-dB lange耦合器，两个砷化镓异质结双极晶体管Q1和Q2，四个电阻R1，R2，R3和R4，以及两个电感L1和L2，其中，电阻R3和R4的阻值相等，且为140±1Ω；电感L1和L2的电感值相等，且为43±1pH。该3-dB lange耦合器的输入端口作为衰减器的输入端口，隔离端口作为衰减器的输出端口；该3-dB lange耦合器的直通端口和耦合端口分别与Q1和Q2的集电极相连；Q1和Q2的集电极分别与电阻R3和R4并联连接，用以减小Vb＝0时的反射系数|Γ|；Q1和Q2的基极分别与R1、R2相连，电阻R1和R2的另一端连接在一起作为衰减器的控制端口Vb；Q1和Q2的发射极分别与电感L1和L2串联连接，用以抵消由于HBT器件的基极、集电极以及发射极彼此之间的寄生电容所造成的寄生效应。在控制端口Vb等于低电平0时输出端口输出的信号与Vb等于高电平Von时输出端口输出的信号相位差为180°。

对本发明的模拟反射型衰减器在Vb＝0和Vb＝Von两种状态时的反射系数幅度的比值以及相位差仿真结果，如图5所示，其中图5(a)为模拟反射型衰减器在Vb＝0和Vb＝Von两种状态时的反射系数幅度的比值，图5(b)为模拟反射型衰减器在Vb＝0和Vb＝Von两种状态时的反射系数相位差。由图5可见，本发明的模拟反射型衰减器，在信号频率为30GHz时，可变电阻终端GaAs HBT的集电极的反射系数Γ在Vb＝0和Vb＝Von两种状态时的幅度之比为1，相位差为180°。说明本发明模拟反射型衰减器的可变电阻终端GaAs HBT的集电极的反射系数Γ达到了模拟反射型I-Q矢量调制电路的要求，在实现功能的同时减小了插入损耗。