CN112015225B - 一种相控阵芯片及相控阵系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种了相控阵芯片，包括功分器；多个射频通道，分别连接至功分器上对应的分路端口，每一射频通道包括至少一条信号通路，每一信号通路均包括放大器以及与该放大器串联的移相器和衰减器；全局基准电流模块、与每一信号通路中放大器和移相器一一对应的本地基准电流源以及电流镜，其中，每一信号通道中的放大器和移相器分别通过与其对应的电流镜和本地基准电流源依次连接至全局基准电流模块，全局基准电流模块向与其连接的每一本地基准电流源输入数值相同的基准电流，本地基准电流源和电流镜将基准电流转换为与其对应的放大器和移相器所需的直流偏置；控制模块，与多个射频通道连接。本发明所提供的相控阵芯片其射频通道的一致性优。

Description

一种相控阵芯片及相控阵系统

技术领域

本发明涉及相控阵技术领域，尤其涉及一种相控阵芯片及相控阵系统。

背景技术

相控阵芯片是相控阵系统的核心部件之一，目前在宽带卫星通信、毫米波5G通信等领域得到了广泛的应用。图1是现有技术中典型相控阵芯片的结构示意图。如图1所示，现有相控阵芯片1包括功分器10、多个射频通道以及控制模块19。其中，功分器10包括一个合路端口以及与多个射频通道一一对应的多个分路端口，每一射频通道的一端连接至与其对应的分路端口，另一端用于与相控阵天线(图中未示出)进行连接。每一射频通道均包括发射通路、接收通路、以及用于对发射通路和接收通路进行切换的公共端射频开关17和天线端射频开关18。发射通路包括功率放大器11、移相器12以及衰减器13，接收通路包括低噪声放大器14、移相器15以及衰减器16。其中，在相控阵芯片1工作过程中，需要在功率放大器11、移相器12、低噪声放大器14以及移相器15上施加偏置电压，以确保上述器件性能的实现。控制模块19与多个射频通道连接以控制发射通路和接收通路工作。

以功率放大器为例说明，在实际相控阵芯片的流片过程中，由于受到现有工艺误差的影响，所以不同射频通道中功率放大器其射频晶体管在尺寸上会存在随机性误差。此外，不同射频通道中功率放大器其射频晶体管的阈值电压受工艺误差影响也无法完全相同。但不同射频通道中功率放大器上施加的偏置电压是相同的，这就使得不同射频通道中功率放大器的偏置状态无法保持一致。对于低噪声放大器和移相器也是如此。由于无法确保不同射频通道中功率放大器、低噪声放大器以及移相器偏置状态的一致性，所以相应也无法确保不同射频通道之间的一致性。现有相控阵芯片射频通道的这种不一致性极大限制了相控阵系统的工作性能，在大规模相控阵系统中这种性能限制更为明显。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种相控阵芯片，该相控阵芯片包括：

功分器；

多个射频通道，所述多个射频通道分别连接至所述功分器上对应的分路端口，其中，每一所述射频通道包括至少一条信号通路，每一所述信号通路均包括放大器以及与该放大器串联的移相器和衰减器；

全局基准电流模块、与每一所述信号通路中放大器和移相器一一对应的本地基准电流源以及电流镜，其中，每一所述信号通道中的放大器和移相器分别通过与其对应的电流镜和本地基准电流源依次连接至所述全局基准电流模块，所述全局基准电流模块向与其连接的每一所述本地基准电流源输入数值相同的基准电流，所述本地基准电流源将所述基准电流转换为与其对应的放大器和移相器所需的偏置电流，所述电流镜将所述偏置电流转换为与其对应的放大器和移相器所需的直流偏置；

控制模块，该控制模块与所述多个射频通道连接，用于向所述多个射频通道提供控制指令。

根据本发明的一个方面，在该相控阵芯片中，与所述放大器对应的所述电流镜内嵌在所述放大器的射频晶体管内；与所述移相器对应的所述电流镜内嵌在所述移相器的射频晶体管内。

根据本发明的另一个方面，在该相控阵芯片中，所述全局基准电流模块包括基准电流生成单元以及多输出电流镜，其中，所述基准电流生成单元与所述多输出电流镜的输入端口连接，所述多输出电流镜包括与所述本地基准电流源一一对应的输出端口，每一所述输出端口与其对应的所述本地基准电流源连接；所述基准电流生成单元用于生成一路基准电流、并向所述多输出电流镜输入该一路基准电流，所述多输出电流镜对所述一路基准电流进行复制后通过所述输出端口向与其连接的每一所述本地基准电流源输入数值相同的基准电流。

根据本发明的又一个方面，在该相控阵芯片中，所述基准电流生成单元是带隙基准电路。

根据本发明的又一个方面，在该相控阵芯片中，所述全局基准电流模块还包括温度系数调节单元，该温度系数调节单元与所述带隙基准电路、所述多输出电流镜、以及所述控制模块分别连接；所述带隙基准电路输出零温度基准电流和正温度基准电流；所述控制模块根据相控阵芯片的工作温度自动设置所述温度系数调节单元中对于所述零温度基准电流以及所述正温度基准电流的温度系数；所述温度系数调节单元根据所述温度系数调节所述零温度基准电流和正温度基准电流的大小、并将调节大小后的所述零温度基准电流和正温度基准电流合并输出至所述多输出电流镜；所述多输出电流镜对所述温度系数调节单元的输出进行复制以形成多路所述基准电流。

根据本发明的又一个方面，在该相控阵芯片中，所述控制模块包括存储单元以及SPI从机；所述存储单元，用于存储相控阵芯片的身份识别信息；所述SPI从机，用于根据所述身份识别信息与外部SPI主机建立通信、并在建立通信后将所述外部SPI主机的控制指令提供给所述多个射频通道。

根据本发明的又一个方面，在该相控阵芯片中，每一所述射频通道包括一条信号通路，该信号通路是发射通路，该发射通路中的放大器是功率放大器；所述发射通路从天线端至公共端包括依次串联的第一巴伦、所述功率放大器、第一移相调幅模块以及第二巴伦，其中，所述第一移相调幅模块包括利用差分传输线串联的所述移相器和所述衰减器，所述第一巴伦、所述功率放大器、所述第一移相调幅模块以及所述第二巴伦之间通过差分传输线串联。

根据本发明的又一个方面，在该相控阵芯片中，每一所述射频通道包括一条信号通路，该信号通路是接收通路，该接收通路中的放大器是低噪声放大器；所述接收通路从天线端至公共端依次包括第三巴伦、所述低噪声放大器、第二移相调幅模块以及第四巴伦，其中，所述第二移相调幅模块包括利用差分传输线串联的所述移相器和所述衰减器，所述第三巴伦、所述放大器、所述第二移相调幅模块以及所述第四巴伦之间通过差分传输线串联。

根据本发明的又一个方面，在该相控阵芯片中，每一所述射频通道包括两条信号通路，该两条信号通路分别是发射通路和接收通路，所述发射通路中的放大器是功率放大器，所述接收通路中的放大器是低噪声放大器；所述发射通路从天线端至公共端包括依次串联的第一巴伦、所述功率放大器、第一移相调幅模块以及第二巴伦，其中，所述第一移相调幅模块包括利用差分传输线串联的所述移相器和所述衰减器，所述第一巴伦、所述功率放大器、所述第一移相调幅模块以及所述第二巴伦之间通过差分传输线串联；所述接收通路从天线端至公共端依次包括第三巴伦、所述低噪声放大器、第二移相调幅模块以及第四巴伦，其中，所述第二移相调幅模块包括利用差分传输线串联的所述移相器和所述衰减器，所述第三巴伦、所述放大器、所述第二移相调幅模块以及所述第四巴伦之间通过差分传输线串联；每一所述射频通道还包括第一射频开关和第二射频开关，其中，所述第一射频开关设置在所述发射通路和所述接收通路公共端之间、并与所述射频通道对应的分路端口连接，所述第二射频开关设置在所述发射通路和所述接收通路天线端之间、用于与相控阵天线连接，所述第一射频开关和所述第二射频开关配合使用以对所述发射通路和所述接收通路进行切换。

根据本发明的又一个方面，在该相控阵芯片中，所述发射通路中的移相器与所述接收通路中的移相器结构相同，所述发射通路中的衰减器与所述接收通路中的衰减器结构相同。

本发明还提供了一种相控阵系统，该相控阵系统包括至少一个相控阵芯片、以及与该至少一个相控阵芯片连接的相控阵天线，其中，所述至少一个相控阵芯片采用前述相控阵芯片实现。

本发明所提供的相控阵芯片包括功分器、多个射频通道、全局基准电流模块、与每一射频通道中放大器和移相器一一对应的本地基准电流源以及电流镜、以及控制模块，每一射频通道中的放大器和移相器分别通过与其对应的电流镜和本地基准电流源连接至全局基准电流模块，其中，全局基准电流模块为每一射频通道中的放大器和移相器均提供相同的基准电流，本地基准电流源将基准电流转换为与其对应的放大器和移相器所需的偏置电流，电流镜将偏置电流转换为与其对应的放大器和移相器所需的直流偏置。一方面，偏置电流流经电流镜形成放大器和移相器所需的直流偏置，其中，电流镜设置在相控阵芯片上，由于受到相控阵芯片尺寸的限制，所以电流镜与其对应的有源器件(可以是放大器也可以是移相器)之间的距离比较近。当电流镜与其对应的有源器件之间的距离比较近时，其二者受工艺随机性误差的影响相对一致，即其二者中射频晶体管尺寸上的随机误差相对一致，其二者中射频晶体管阈值电压的误差也相对一致，这种相对一致的误差削弱了工艺随机性误差对于有源器件偏置状态不一致性的影响，从而有效提升了不同射频通道中放大器偏置状态的一致性、以及有效了提升不同射频通道中移相器偏置状态的一致性，进而有效提升了不同射频通道的一致性。其中，电流镜与其对应的有源器件之间距离越近，对于不同射频通道一致性的提升效果越好；另一方面，提供给放大器和移相器的基准电流均相同，即基准电流具有良好的一致性，这有利于进一步提升相控阵芯片射频通道的一致性。也就是说，相较于现有的相控阵芯片来说，本发明所提供的相控阵芯片其射频通道具有良好的一致性。由于本发明所提供的相控阵芯片其射频通道具有良好的一致性，所以不会限制基于该相控阵芯片所形成的相控阵系统的工作性能，即使是基于该相控阵芯片所形成的大规模相控阵系统也可以具有良好的工作性能。也就是说，本发明所提供的相控阵系统具有良好的工作性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是现有技术中典型相控阵芯片的结构示意图；

图2是根据本发明的一个具体实施例的相控阵芯片的结构示意图；

图3是根据本发明的另一个具体实施例的相控阵芯片的结构示意图；

图4是根据本发明的又一个具体实施例的相控阵芯片的结构示意图；

图5是根据本发明的一个优选实施例的相控阵芯片的结构示意图；

图6是根据本发明的另一个优选实施例的相控阵芯片的结构示意图；

图7是根据本发明的又一个优选实施例的相控阵芯片的结构示意图；

图8是根据本发明的又一个优选实施例的相控阵芯片的结构示意图；

图9是根据本发明的又一个优选实施例的相控阵芯片的结构示意图；

图10是根据本发明的又一个优选实施例的相控阵芯片的结构示意图；

图11是现有技术中相控阵芯片中SPI从机与外部SPI主机的连接示意图；

图12是根据本发明的一个具体实施例的相控阵芯片中SPI从机与外部SPI主机的连接示意图；

图13是根据本发明的一个具体实施例的相控阵系统的结构示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

为了更好地理解和阐释本发明，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明提供了一种相控阵芯片，该相控阵芯片包括：

功分器；

多个射频通道，所述多个射频通道分别连接至所述功分器上对应的分路端口，其中，每一所述射频通道包括至少一条信号通路，每一所述信号通路均包括放大器以及与该放大器串联的移相器和衰减器；

全局基准电流模块、与每一所述信号通路中放大器和移相器一一对应的本地基准电流源以及电流镜，其中，每一所述信号通道中的放大器和移相器分别通过与其对应的电流镜和本地基准电流源依次连接至所述全局基准电流模块，所述全局基准电流模块向与其连接的每一所述本地基准电流源输入数值相同的基准电流，所述本地基准电流源将所述基准电流转换为与其对应的放大器和移相器所需的偏置电流，所述电流镜将所述偏置电流转换为与其对应的放大器和移相器所需的直流偏置；

控制模块，该控制模块与所述多个射频通道连接，用于向所述多个射频通道提供控制指令。

下面，将结合图2至图4对上述相控阵芯片的各个构成部分进行详细描述。

具体地，如图所示，本发明所提供的相控阵芯片(图中以附图标记2表示)包括功分器100以及多个射频通道。所述功分器100包括一个合路端口以及多个分路端口，其中，分路端口的数量与射频通道的数量相同并一一对应。在本实施例中，多个射频通道具有相同结构。本发明对于射频通道的具体数量没有任何限制，可以根据实际设计需求进行确定，例如4通道、8通道、32通道、64通道等。射频通道的一端与其相对应的分路端口连接、另一端与相控阵天线(图中未示出)连接。下文中将射频通道与功分器连接的一端称为公共端、将与天线连接的一端称为天线端。

多个射频通道中的每一射频通道均至少包括一条信号通路，每一信号通路均包括放大器以及与该放大器串联的移相器和衰减器。

在一个优选实施例中，多个射频通道中的每一射频通道均包括两条信号通路，该两条信号通路分别是发射通路和接收通路，即相控阵芯片具有发射和接收功能，其中，发射通路中的放大器是功率放大器，接收通路中的放大器是低噪声放大器。如图2所示，发射通路从天线端至公共端依次包括第一巴伦101、功率放大器102、第一移相调幅模块以及第二巴伦105，其中，第一移相调幅模块包括移相器103(下文以第一移相器103表示)和衰减器104(下文以第一衰减器104表示)。本发明对于移相器103和衰减器104的连接顺序并不做任何限定，可以如图2所示从功率放大器102侧至第二巴伦105侧依次为第一移相器103和第一衰减器104，也可以从功率放大器102侧至第二巴伦105侧依次为第一衰减器104和第一移相器103。第一巴伦101与功率放大器102、第一移相调幅模块以及第二巴伦105之间利用差分传输线连接，第一移相器103与第一衰减器104之间同样也利用差分传输线连接。接收通路从天线端至公共端依次包括第三巴伦106、低噪声放大器107、第二移相调幅模块以及第四巴伦120，其中，第二移相调幅模块包括移相器108(下文以第二移相器108表示)和衰减器109(下文以第二衰减器109表示)。本发明对于第二移相器108和第二衰减器109的连接顺序并不做任何限定，可以如图2所示从低噪声放大器107侧至第四巴伦120侧依次为第二移相器108和第二衰减器109，也可以从低噪声放大器107侧至第四巴伦120侧依次为第二衰减器109和第二移相器108。第三巴伦106与低噪声放大器107、第二移相调幅模块以及第四巴伦120之间利用差分传输线连接，第二移相器108与第二衰减器109之间同样也利用差分传输线连接。

除了发射通路和接收通路之外，每一射频通道还进一步包括第一射频开关129和第二射频开关130，其中，第一射频开关129设置在发射通路和接收通路的公共端之间、并与射频通道对应的功分器100的分路端口连接，第二射频开关130设置在发射通路和接收通路的公共端之间，用于与相控阵天线连接，第一射频开关129与第二射频开关130配合使用以对发射通路和接收通路进行切换。本发明对第一射频开关129和第二射频开关130的具体结构没有任何限定，可以采用现有技术中用于发射通路和接收通路切换的开关来实现。

发射信号时，第一射频开关129和第二射频开关130配合使用使得发射通路导通、接收通路断开。待发射信号经功分器100后等分为多路信号，每一路信号经分路端口进入相应的发射通路。进入发射通路的信号经第二巴伦105后由单端信号变为差分信号，然后沿差分传输线依次经过第一移相调幅模块、功率放大器102以及第一巴伦101，差分信号经第一巴伦101后变为单端信号从相控阵天线发射出去。接收信号时，第一射频开关129和第二射频开关130配合使用使得接收通路导通、发射通路断开。信号经相控阵天线进入接收通路，经第三巴伦106后由单端信号变为差分信号，然后沿差分传输线依次经过低噪声放大器107、第二移相调幅模块以及第四巴伦120，差分信号经第四巴伦120后变为单端信号进入相应的功分器100分路端口，最后合成一路信号。差分信号相较于单端信号具有更好的抗干扰性，差分传输线可以确保差分信号之间的相位差，有效降低信号之间的干扰。

优选地，在每一射频通道中，发射通路中的第一移相器103与接收通路中的第二移相器108结构相同，发射通路中的第一衰减器104与接收通路中的第二衰减器109结构相同。

在另一个优选实施例中，如图3所示，多个射频通道中的每一射频通道均仅仅包括一条信号通路，该一条信号通路是发射通路，即相控阵芯片仅具有发射功能，其中，发射通路中的放大器是功率放大器。该发射通路的结构与图2所示相控阵芯片中发射通路的结构相同，为了简明起见，在此不再重复描述。

在又一个优选实施例中，如图4所示，多个射频通道中的每一射频通道均仅仅包括一条信号通路，该一条信号通路是接收通路，即相控阵芯片仅具有接收功能，其中，接收通路中的放大器是低噪声放大器。该接收通路的结构与图2所示相控阵芯片中接收通路的结构相同，为了简明起见，在此不再重复描述。

需要说明的是，本发明对于功分器100、第一巴伦101、功率放大器102、第一移相器103、第一衰减器104、第二巴伦105、第三巴伦106、低噪声放大器107、第二移相器108、第二衰减器109以及第四巴伦120的具体实现不做任何限定。优选地，功分器100采用多通道紧凑型宽带功分器实现，该多通道紧凑型宽带功分器使用多抽头电感和多个并联电容构成集总四分之一波长传输线等效结构，结合隔离电阻，在低占地面积、高工作带宽的前提下实现一分二功分器功能；同时，通过级联方式，使用该结构组成多路紧凑型宽带功分器，在毫米波频段实现了高隔离度、高带宽、低占用面积的多通道功率分配或合成功能。功率放大器102为宽带高效率功率放大器，其中，该宽带高效率功率放大器采用差分电容中和放大器结构，可以有效提升功率放大器在毫米波段的增益及差模稳定性。低噪声放大器107为低功耗低噪声放大器，该低功耗低噪声放大器采用共源共栅结构，结合源极退化电感，使噪声匹配和增益匹配可以同时实现，在低功耗的前提下降低了接收通路的接收噪声。第一移相器103和第二移相器108为低寄生调幅移相器，以正交合成移相器结构实现，在毫米波段实现了全数字控制的360°低寄生调幅移相。第一衰减器104和第二衰减器109为低寄生调相衰减器，以多级数字控制无源衰减单元串联结构实现，通过引入补偿电容在毫米波频段实现了全数字控制的带宽30dB低寄生调相衰减。第一巴伦101、第二巴伦105、第三巴伦106以及第四巴伦120采用现有技术中的常规巴伦实现即可。

本发明所提供的相控阵芯片还包括全局基准电流模块、与每一信号通路中的放大器和移相器一一对应的本地基准电流源、以及与每一信号通路中的放大器和移相器一一对应的电流镜。针对于发射信号通路来说，该发射通路中的放大器是功率放大器；针对于接收信号通路来说，该接收通路中的放大器是低噪声放大器。全局基准电流模块、本地基准电流源与电流镜配合使用为信号通路中的有源器件(即放大器和移相器)提供直流偏置。每一有源器件(可以是放大器也可以是移相器)依次通过与其相对应的电流镜以及本地基准电流源与全局基准电流模块连接，其中，全局基准电流模块向每一与其连接的本地基准电流源输入数值相同的基准电流，本地基准电流源将该基准电流转换为与其对应的有源器件所需的偏置电流，电流镜将该偏置电流转换为与其对应的有源器件所需的直流偏置。以图2所示相控阵芯片为例，该相控阵芯片包括N个射频通道，每一射频通道均包括发射通路和接收通路，发射通路中的功率放大器102和第一移相器104、以及接收通路中的低噪声放大器107和第二移相器108均为有源器件。也就是说，该相控阵芯片包括4N个有源器件(即N个功率放大器102、N个第一移相器104、N个低噪声放大器107以及N个第二移相器108)。相应地，相控阵芯片包括与该4N个有源器件一一对应的4N个电流镜、以及与该4N个有源器件一一对应的4N个全局基准电流模块。由于各射频通道中有源器件与电流镜和本地基准电流源的连接方式相同，所以以射频通道1为例进行说明。如图所示，功率放大器102通过电流镜121和本地基准电流源122连接至全局基准电流模块131，第一移相器103通过电流镜123和本地基准电流源124连接至全局基准电流模块131，低噪声放大器107通过电流镜125和本地基准电流源126连接至全局基准电流模块131，第二移相器108通过电流镜127和本地基准电流源128连接至全局基准电流模块131。全局基准电流模块131为功率放大器102、第一相移器103、低噪声放大器107以及第二移相器108提供相同的基准电流，即向本地基准电流源122、本地基准电流源124、本地基准电流源126、本地基准电流源128输入数值相同的基准电流。针对于功率放大器102来说，基准电流流入本地基准电流源122后在本地基准电流源122的作用下放大/缩小以形成功率放大器102所需的偏置电流，该偏置电流经电流镜121后形成功率放大器102所需的直流偏置。对于第一相移器103、低噪声放大器107以及第二移相器108亦是如此。

需要说明的是，本发明对于全局基准电流模块的结构没有任何限定，凡是可以设置在相控阵芯片上、且可以为相控阵芯片上各射频通道中的有源器件提供相同基准电流的结构均适用于本发明中的全局基准电流模块，为了简明起见，在此不再对全局基准电流模块的所有可能结构一一赘述。

如图所示，本发明所提供的相控阵芯片还包括控制模块132，该控制模块132与相控阵芯片中各射频通道连接，用于向所述多个射频通道提供控制指令，例如发射通路和接收通路的切换、调幅调相等。在本实施例中，控制模块132包括SPI(Serial PeripheralInterface，串行外设接口)从机(图中未示出)，该SPI从机根据相控阵芯片外部的SPI主机的指令对各射频通道进行控制。需要说明的是，SPI从机是本领域技术人员所悉知的常规技术手段，为了简明起见，在此不再赘述。

与现有相控阵芯片不同的是，本发明所提供的相控阵芯片除了功分器、多个射频通道与控制模块之外，还包括全局基准电流模块、与芯片上所有有源器件(包括放大器和移相器)一一对应的本地基准电流源、以及与芯片上所有有源器件一一对应的电流镜，芯片上的每一有源器件通过与其对应的电流镜和本地基准电流源连接至全局基准电流模块，该全局基准电流模块为每一有源器件均提供相同的基准电流，本地基准电流源将该基准电流转换为与其对应的有源器件所需的偏置电流，电流镜将偏置电流转换为与其对应的有源器件所需的直流偏置。一方面，偏置电流流经电流镜形成有源器件所需的直流偏置，其中，电流镜设置在相控阵芯片上，由于受到相控阵芯片尺寸的限制，所以电流镜与其对应的有源器件之间的距离比较近。当电流镜与其对应有源器件之间的距离比较近时，其二者受工艺随机性误差的影响相对一致，即其二者中射频晶体管尺寸上的随机误差相对一致，其二者中射频晶体管阈值电压的误差也相对一致，这种相对一致的误差削弱了工艺随机性误差对于有源器件偏置状态不一致性的影响，从而有效提升了不同射频通道中有源器件偏置状态的一致性，进而有效提升了不同射频通道的一致性。其中，电流镜与其对应的有源器件之间距离越近，对于不同射频通道一致性的提升效果越好；另一方面，提供给有源器件的基准电流均相同，即基准电流具有良好的一致性，这有利于进一步提升相控阵芯片射频通道的一致性。也就是说，相较于现有的相控阵芯片来说，本发明所提供的相控阵芯片其射频通道具有良好的一致性。

在一个优选实施例中，电流镜内嵌在与其对应的有源器件的射频晶体管内，即与放大器对应的电流镜内嵌在该放大器的射频晶体管内，与移相器对应的电流镜内嵌在该移相器的射频晶体管内。以图2所示结构为例，电流镜121内嵌在功率放大器102的射频晶体管内，电流镜123内嵌在第一移相器103的射频晶体管内，电流镜125内嵌在低噪声放大器107的射频晶体管内，电流镜127内嵌在低噪声放大器108的射频晶体管内。将电流镜内嵌在放大器以及移相器的射频晶体管内可以存在多种实现方式，为了简明起见，再次不再对所有可能实现方式进行一一列举。由于电流镜与其对应的有源器件在相控阵芯片上的距离越近，射频通道的一致性越优，所以将电流镜内嵌在有源器件内，可以最大程度地提升相控阵射频通道的一致性，进而提升相控阵芯片的工作性能。

在一个优选实施中，如图5至图7所示，全局基准电流模块131包括基准电流生成单元1311和多输出电流镜1312，其中，基准电流生成单元1311与多输出电流镜1312的输入端口连接，多输出电流镜1312包括与本地基准电流源一一对应的输出端口，每一输出端口与其对应的本地基准电流源连接。基准电流生成单元1311用于生成一路基准电流、并向多输出电流镜1312输入该一路基准电流，多输出电流镜1312对一路基准电流进行复制后通过输出端口向与其连接的每一本地基准电流源输入数值相同的基准电流。以图2所示结构为例，在该线控阵芯片中，本地基准电流源的数量为4N个，相应的多输出电流镜1312包括4N输出端口，该4N个输出端口与4N个本地基准电流源一一对应，本地基准电流源与其对应的输出端口连接，基准电流生成单元1311生成一路基准电流、并将该基准电流输入至多输出电流镜1312的输入端口，多输出电流镜1312对该一路基准电流进行复制形成4N路数值相同的基准电流，多输出电流镜1312通过其4N个输出端口向与其连接的本地基准电流源分别输入数值相同的基准电流。优选地，基准电流生成单元1311是带隙基准电路。带隙基准电路是本领域技术人员所悉知的电路，为了简明起见，在此不再对带隙基准电流的具体结构进行描述。

在一个优选实施例，如图8至图10所示，全局基准电流模块131除了包括基准电流生成单元1311和多输出电流镜1312之外，还包括温度系数调节单元1313，该温度系数调节单元1313与基准电流生成单元1311、多输出电流镜1312、以及控制模块132分别连接，其中，在本实施例中，基准电流生成单元1311采用带隙基准电流实现，该带隙基准电路输出零温度基准电流和正温度基准电流。控制模块132根据相控阵芯片的工作温度自动设置温度系数调节单元1313中对于零温度基准电流以及正温度基准电流的温度系数。温度系数调节单元1313根据该温度系数调节零温度基准电流和正温度基准电流的大小、并将调节大小后的零温度基准电流和正温度基准电流合并输出至多输出电流镜1312。多输出电流镜1312对温度系数调节单元1313的输出进行复制以形成多路基准电流，并将复制得到的基准电流提供给与其连接的本地基准电流源。基准电流生成单元1311、多输出电流镜1312、温度系数调节单元1313以及控制模块132的配合使用可以生成与相控阵芯片不同工作温度相对应的基准电流，从而可以有效确保不同工作温度下为有源器件施加准确的直流偏置，进而确保有源器件在不同工作温度下均可以正常工作。

在一个优选实施例中，控制模块除了包括SPI从机以外还包括存储单元，其中，存储单元用于存储相控阵芯片的身份识别信息，SPI从机用于根据身份识别信息与外部SPI主机建立通信、并在建立通信后将外部SPI主机的控制指令提供给多个射频通道。请参考图11，图11是现有技术中相控阵芯片中SPI从机与外部SPI主机的连接示意图，该示意图省略相控阵芯片中的其他部件。现有相控阵芯片中的控制模块包括SPI从机。通常情况下，一个外部SPI主机和多个相控阵芯片中的SPI从机连接以对其进行控制。现有典型的SPI从机包括四个接口，分别是SCLK接口、MOSI接口、MISO接口以及SS接口。如图11所示，当多个SPI从机191与一个SPI主机20连接时，所有SPI从机191的SCLK接口均连接至SPI主机20的SCLK接口，所有SPI从机191的MOSI接口、MISO接口以及SS接口则分别连接至SPI主机20相应的接口。以K个相控阵芯片为例，该K个相控阵芯片包括K个SPI从机191，每一SPI从机191包括四个接口，为了可以与每一SPI从机191通信，则SPI主机需要设置有3K+1个接口，其中一个SCLK接口与该K个SPI从机191的SCLK接口分别连接，其他的3K个接口与该K个SPI从机191的SCLK接口、MOSI接口、MISO接口一一对应连接。也就是说，现有技术中，SPI主机20与每个SPI从机191之间通过独立的连接线进行通信。而本发明所提供的相控阵芯片中的控制模块除了SPI从机之外还包括可以提供相控阵芯片身份识别信息的存储单元。请参考图12，图12是根据本发明的一个具体实施例的相控阵芯片中SPI从机与外部SPI主机的连接示意图。如图所示，控制模块132包括SPI从机1321和存储单元1322，由于存储单元1322的存在可以提供其所在相控阵芯片的身份识别信息，所以在利用一个SPI主机200控制多个SPI从机1321时，SPI主机200只需要设置SCLK接口、MOSI接口、MISO接口以及SS接口这4个接口，其中，该多个SPI从机1321相同的接口可以通过一根连接线与SPI主机200相对应的接口相连接，SPI主机200与SPI从机1321通信的时候只需要通过存储单元1322所提供的相控阵芯片身份识别信息即可确定通信对象，而无需像现有技术一样需要设置等于SPI从机三倍加一数量的接口并通过独立连接线实现二者之间的通信。也就是说，由于本发明所提供的相控阵芯片中的控制模块包括提供相控阵芯片身份识别的存储单元，所以使得在利用多个相控阵芯片协同工作时，无论相控阵芯片的数量是多少，与其配套使用的外部SPI主机仅仅需要4个接口即可。相较于现有技术中外部SPI主机需要设置等于SPI从机三倍加一的接口来说，使用本发明所提供的相控阵芯片有利于减少配套使用的SPI主机的接口数量，降低SPI主机成本。此外，在利用多个本发明所提供的相控阵芯片协同工作时，SPI主机与相控阵芯片中SPI从机连接，所有SPI从机中相同的接口可以连接至一根连接线上然后将该连接线连接至SPI主机相对应的接口，而现有技术中，SPI主机和SPI从机之间相对应的接口需要分别利用连接线连接，所以相较于现有技术来说，使用本发明所提供的相控阵芯片还有利于减少SPI主机与SPI从机之间连接线的数量，进而降低布线难度。

相应地，本发明还提供了一种相控阵系统，该相控阵系统包括至少一个相控阵芯片、以及与该至少一个相控阵芯片连接的相控阵天线，其中，该至少一个相控阵芯片采用本发明所提供的前述相控阵芯片实现。具体地，相控阵芯片中的射频通道其一端与相控阵芯片中的功分器连接、另一端与相控阵天线连接。为了简明起见，在此不再对前述相控阵芯片的具体结构进行重复描述。在一个具体实施例中，如图13所示，相控阵系统包括M个相控阵芯片2(M是大于等于1的整数)以及相控阵天线3，其中，相控阵芯片2采用图2所示结构实现。由于本发明所提供的相控阵芯片其射频通道具有良好的一致性，所以基于该相控阵芯片所形成的相控阵系统相应具有良好的工作性能。此外，由于本发明所提供的相控阵芯片其射频通道具有良好的一致性，所以基于该相控阵芯片可以形成大规模相控阵系统，即本发明所提供的相控阵系统可以是大规模相控阵系统。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他部件、单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个部件、单元或装置也可以由一个部件、单元或装置通过软件或者硬件来实现。

本发明所提供的相控阵芯片包括功分器、多个射频通道、全局基准电流模块、与每一射频通道中放大器和移相器一一对应的本地基准电流源以及电流镜、以及控制模块，每一射频通道中的放大器和移相器分别通过与其对应的电流镜和本地基准电流源连接至全局基准电流模块，其中，全局基准电流模块为每一射频通道中的放大器和移相器均提供相同的基准电流，本地基准电流源将基准电流转换为与其对应的放大器和移相器所需的偏置电流，电流镜将偏置电流转换为与其对应的放大器和移相器所需的直流偏置。一方面，偏置电流流经电流镜形成放大器和移相器所需的直流偏置，其中，电流镜设置在相控阵芯片上，由于受到相控阵芯片尺寸的限制，所以电流镜与其对应的有源器件(可以是放大器也可以是移相器)之间的距离比较近。当电流镜与其对的有源应器件之间的距离比较近时，其二者受工艺随机性误差的影响相对一致，即其二者中射频晶体管尺寸上的随机误差相对一致，其二者中射频晶体管阈值电压的误差也相对一致，这种相对一致的误差削弱了工艺随机性误差对于有源器件偏置状态不一致性的影响，从而有效提升了不同射频通道中放大器偏置状态的一致性、以及有效了提升不同射频通道中移相器偏置状态的一致性，进而有效提升了不同射频通道的一致性。其中，电流镜与其对应的有源器件之间距离越近，对于不同射频通道一致性的提升效果越好；另一方面，提供给放大器和移相器的基准电流均相同，即基准电流具有良好的一致性，这有利于进一步提升相控阵芯片射频通道的一致性。也就是说，相较于现有的相控阵芯片来说，本发明所提供的相控阵芯片其射频通道具有良好的一致性。由于本发明所提供的相控阵芯片其射频通道具有良好的一致性，所以不会限制基于该相控阵芯片所形成的相控阵系统的工作性能，即使是基于该相控阵芯片所形成的大规模相控阵系统也可以具有良好的工作性能。也就是说，本发明所提供的相控阵系统具有良好的工作性能。

以上所揭露的仅为本发明的一些较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (11)

1.一种相控阵芯片，该相控阵芯片包括：

功分器；

多个射频通道，所述多个射频通道分别连接至所述功分器上对应的分路端口，其中，每一所述射频通道包括至少一条信号通路，每一所述信号通路均包括放大器以及与该放大器串联的移相器和衰减器；

全局基准电流模块、与每一所述信号通路中放大器和移相器一一对应的本地基准电流源以及电流镜，其中，每一所述信号通路 中的放大器和移相器分别通过与其对应的电流镜和本地基准电流源依次连接至所述全局基准电流模块，所述全局基准电流模块向与其连接的每一所述本地基准电流源输入数值相同的基准电流，所述本地基准电流源将所述基准电流转换为与其对应的放大器和移相器所需的偏置电流，所述电流镜将所述偏置电流转换为与其对应的放大器和移相器所需的直流偏置；

控制模块，该控制模块与所述多个射频通道连接，用于向所述多个射频通道提供控制指令。

2.根据权利要求1所述的相控阵芯片，其中：

与所述放大器对应的所述电流镜内嵌在所述放大器的射频晶体管内；

与所述移相器对应的所述电流镜内嵌在所述移相器的射频晶体管内。

3.根据权利要求1所述的相控阵芯片，其中：

所述全局基准电流模块包括基准电流生成单元以及多输出电流镜，其中，所述基准电流生成单元与所述多输出电流镜的输入端口连接，所述多输出电流镜包括与所述本地基准电流源一一对应的输出端口，每一所述输出端口与其对应的所述本地基准电流源连接；

所述基准电流生成单元用于生成一路基准电流、并向所述多输出电流镜输入该一路基准电流，所述多输出电流镜对所述一路基准电流进行复制后通过所述输出端口向与其连接的每一所述本地基准电流源输入数值相同的基准电流。

4.根据权利要求3所述的相控阵芯片，其中，所述基准电流生成单元是带隙基准电路。

5.根据权利要求4所述的相控阵芯片，其中：

所述全局基准电流模块还包括温度系数调节单元，该温度系数调节单元与所述带隙基准电路、所述多输出电流镜、以及所述控制模块分别连接；

所述带隙基准电路输出零温度基准电流和正温度基准电流；

所述控制模块根据相控阵芯片的工作温度自动设置所述温度系数调节单元中对于所述零温度基准电流以及所述正温度基准电流的温度系数；

所述温度系数调节单元根据所述温度系数调节所述零温度基准电流和正温度基准电流的大小、并将调节大小后的所述零温度基准电流和正温度基准电流合并输出至所述多输出电流镜；

所述多输出电流镜对所述温度系数调节单元的输出进行复制以形成多路所述基准电流。

6.根据权利要求1所述的相控阵芯片，其中：

所述控制模块包括存储单元以及SPI从机；

所述存储单元，用于存储相控阵芯片的身份识别信息；

所述SPI从机，用于根据所述身份识别信息与外部SPI主机建立通信、并在建立通信后将所述外部SPI主机的控制指令提供给所述多个射频通道。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的相控阵芯片，其中：

每一所述射频通道包括一条信号通路，该信号通路是发射通路，该发射通路中的放大器是功率放大器；

所述发射通路从天线端至公共端包括依次串联的第一巴伦、所述功率放大器、第一移相调幅模块以及第二巴伦，其中，所述第一移相调幅模块包括利用差分传输线串联的所述移相器和所述衰减器，所述第一巴伦、所述功率放大器、所述第一移相调幅模块以及所述第二巴伦之间通过差分传输线串联。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的相控阵芯片，其中：

每一所述射频通道包括一条信号通路，该信号通路是接收通路，该接收通路中的放大器是低噪声放大器；

所述接收通路从天线端至公共端依次包括第三巴伦、所述低噪声放大器、第二移相调幅模块以及第四巴伦，其中，所述第二移相调幅模块包括利用差分传输线串联的所述移相器和所述衰减器，所述第三巴伦、所述放大器、所述第二移相调幅模块以及所述第四巴伦之间通过差分传输线串联。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的相控阵芯片，其中：

每一所述射频通道包括两条信号通路，该两条信号通路分别是发射通路和接收通路，所述发射通路中的放大器是功率放大器，所述接收通路中的放大器是低噪声放大器；

所述发射通路从天线端至公共端包括依次串联的第一巴伦、所述功率放大器、第一移相调幅模块以及第二巴伦，其中，所述第一移相调幅模块包括利用差分传输线串联的所述移相器和所述衰减器，所述第一巴伦、所述功率放大器、所述第一移相调幅模块以及所述第二巴伦之间通过差分传输线串联；

所述接收通路从天线端至公共端依次包括第三巴伦、所述低噪声放大器、第二移相调幅模块以及第四巴伦，其中，所述第二移相调幅模块包括利用差分传输线串联的所述移相器和所述衰减器，所述第三巴伦、所述放大器、所述第二移相调幅模块以及所述第四巴伦之间通过差分传输线串联；

每一所述射频通道还包括第一射频开关和第二射频开关，其中，所述第一射频开关设置在所述发射通路和所述接收通路公共端之间、并与所述射频通道对应的分路端口连接，所述第二射频开关设置在所述发射通路和所述接收通路天线端之间、用于与相控阵天线连接，所述第一射频开关和所述第二射频开关配合使用以对所述发射通路和所述接收通路进行切换。

10.根据权利要求9所述的相控阵芯片，其中：

所述发射通路中的移相器与所述接收通路中的移相器结构相同，所述发射通路中的衰减器与所述接收通路中的衰减器结构相同。

11.一种相控阵系统，该相控阵系统包括：

至少一个相控阵芯片、以及与该至少一个相控阵芯片连接的相控阵天线，其中，所述至少一个相控阵芯片采用如权利要求1至10中任一项所述的相控阵芯片实现。

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