[发明专利]一种基于两级hybrid的宽带正交信号发生器

说明书

本发明属于相控阵技术领域，涉及作为相控阵系统核心模块的有源移相器中的正交信号发生器，具体提供一种基于两级hybrid的宽带正交信号发生器，用以解决现有技术不能同时满足低插入损耗和宽带的问题。本发明通过两级基于变压器的hybrid级联的方式极大地拓宽了工作带宽，实现了15～40GHz的超宽带，覆盖了K波段以及Ka波段，也覆盖了国内5G的24.75‑27.5GHz及37‑42.5GHz两个频段，且在15～40GHz范围内具有良好的I/Q两路信号平衡性；同时，在同等带宽的条件下极大地降低了正交信号发生器引入的插入损耗，进而有效降低宽带移相器以至于宽带相控阵的功耗；综上，本发明提供了一种低插入损耗的宽带正交信号发生器，以满足超宽带有源移相器、甚至于超宽带相控阵的设计需求。

技术领域

本发明属于相控阵技术领域，涉及作为相控阵系统核心模块的有源移相器，更进一步涉及有源移相器中的正交信号发生器，具体提供一种基于两级hybrid的宽带正交信号发生器。

背景技术

相控阵技术在无线通信系统和雷达系统中起着至关重要的作用，由于其高额的成本，相控阵技术大多用于国防与航天领域；但是，近年来，随着自动驾驶、5G毫米波通信等技术的高速发展，消费类市场对相控阵技术也产生了强烈的需求；作为相控阵系统中的核心模块，移相器的性能对相控阵的波束指向、波束扫描等核心指标有着至关重要的影响。

移相器的指标主要有移相精度、移相均方根误差、插入损耗、增益均方根误差、功耗等，其中，移相精度、移相均方根误差和增益均方根误差等影响相控阵的波束指向和旁瓣抑制比，而插入损耗和移相器引入的功耗对整个相控阵系统的功耗有着不可忽视的影响。通常移相器分为无源和有源两种；无源移相器线性度好、没有功耗，但是其相位带宽窄、占用面积大、插入损耗较大，为了弥补无源结构带来的较大插损，往往需要引入相对高增益放大器，而这导致功耗成本显著提高；有源移相器架构具有移相精度高、面积小、插损小等优势，并成为各方研究的热点。对于有源移相器来说，通常由正交信号发生器、可变增益放大器(VGA)、信号合成器三部分组成，虽然VGA能带来一定增益，但是正交信号发生器采用的无源结构引入的插入损耗通常会将VGA的增益消耗掉，并且其正交平衡性对移相器整体移相精度也起到重要影响；同时，尽管有源移相器的相位变化与频率无关，故而具有更大的带宽，但是正交信号发生器采用的无源结构往往会限制有源移相器的带宽；因此，开发一个低插损、宽带的正交信号发生器对高性能有源移相器设计至关重要；然而，传统的正交信号发生器，如正交全通滤波网络、RC多相网络具有明显的优缺点。

现有正交全通滤波网络(QAF)原理图如图1所示，其带宽较窄且与品质因数Q有关，虽然通过降低Q值可以扩大带宽，但是降低Q值意味着增大电阻R，进而必然引入较大的插入损耗，显然得不偿失；由此可见，正交全通滤波网络的主要优点在于引入插入损耗较小，缺点在于无法实现宽带设计，仅适用于窄带的移相器。

现有RC多相网络(PPF)分为typeⅠ和typeⅡ型两种，原理图分别如图2、图3所示，两种类型仅仅是第一级结构略微不一样；由图可见，该结构通过多级结构级联来得到多个极点从而实现宽带，但其引入了较大的电阻导致插入损耗比较大，并且n级RC多相网络就会引入n个电阻，进一步增大插入损耗。

综上所述，作为现有正交信号发生器，正交全通滤波网络引入插入损耗较低、但无法实现宽带，RC多相网络能够实现宽带、但无法规避插入损耗太大的缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有正交信号发生器不能同时满足低插入损耗和宽带的问题，提供一种基于两级hybrid(混合结构)的宽带正交信号发生器；本发明采用两级基于变压器耦合的hybrid结构实现了一个宽带的正交信号发生器，同时引入的插入损耗相比于RC多相网络具有显著改善。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：