应用于有源巴伦的新型幅度相位间接纠正技术

李世元

(天津大学 天津市成像与感知微电子技术重点实验室，天津 300072)

在无线通信应用领域中，相较于单端系统，差分系统具有消除串扰、抑制噪声与偶次谐波失真的优点。其中，巴伦结构作为将单端信号转为差分信号的重要射频组件，应用极为广泛。

为了解决上述问题，在毫米波频段下实现对幅度与相位误差的同时纠正，提出了一种应用于有源巴伦的新型幅度相位间接纠正技术。该技术将输入信号间的幅度与相位误差转换为内部固有误差，并通过减小内部误差实现间接纠正。

1 传统相位纠正技术基本原理

由于共源结构对信号反相放大而共栅结构对信号同相放大的工作特性，共源共栅结构可作为巴伦实现信号的单端转差分。图1为传统相位纠正技术原理图，包含了2个相同的共源共栅结构。为方便起见，将输入端口间相位误差表示为ΔθA，幅度误差表示为GA。由于寄生效应的影响，内部纠正电路中的共源共栅结构也会引入新的幅度与相位误差，因此将该部分相位误差表示为ΔθB，幅度误差表示为GB。

图1 传统相位纠正技术原理图Fig. 1 Conventional phase-correction technique

纠正电路将输入信号分配成4条支路电流，各支路电流表示为

(1)

4条支路的电流信号在输出端重新组合，产生一对新的差分信号，表示为

(2)

(3)

比较式(2)和式(3)中各项可知，输出信号间相位完全相同，而幅度存在一定差异，如式中下划线标注，该差异主要是由实数值2、GA与GB组成的幅度项“2+GA+GB+GAGB”与“2+GA+GB”之间的差异引起的。当GA、GB与实数值2相比较小时，GA、GB在幅度项中占比重较小，“2+GA+GB+GAGB”与“2+GA+GB”近似相等，因此输出信号的幅度误差较小，Vout1与Vout2为一对差分信号。在这种情况下，传统相位纠正技术可以对相位误差进行有效抑制。

然而，当GA、GB与实数值2可比拟时，输出信号Vout1与Vout2之间存在不可忽略的幅度误差，这意味着传统相位纠正技术不能对较大的幅度误差进行限制和纠正。随着频率的提高，由于寄生效应的影响，纠正电路所引入的相位误差ΔθB与幅度误差GB随之变大，造成输出端口间的幅度误差进一步变大。因此，传统相位纠正技术不能够同时纠正幅度与相位误差，且随着工作频率提高，纠正能力有所下降。

2 新型幅度相位间接纠正技术

2.1 新型幅度相位间接纠正技术的工作原理

文章在传统相位纠正技术的基础上进行改进，提出了新型幅度相位间接纠正技术。该技术巧妙地改变了输入信号在纠正电路中的分配与重组路径，同时将原幅度相位误差转换为新的内部误差，并通过减小内部误差继而实现间接纠正。

图2 新型幅度相位间接纠正技术原理图Fig. 2 Proposed magnitude and phase indirect regularization technique

需要特别注意，ΔθA仅表示输入信号间的相对相位误差，而不是绝对相位差。将输入信号间的绝对相位差表示为θA，那么对于差分系统来说，ΔθA与θA满足

θA=π+ΔθA。

(4)

纠正电路将输入信号分为4条支路电流，各支路电流表示为

(5)

4条支路的电流信号在输出端重新组合，产生一对新的差分信号，表示为

(6)

(7)

通过对比式(6)和式(7)中各项的系数和初相位，可以观察到在新产生的输出信号，即Vout1与Vout2之间，存在4处不同，如式(6)中下划线所示。这意味着对于新型幅度相位间接纠正技术，其输出端口间仍存在幅度与相位误差。

由于不同的输入差分信号之间存在着不同的幅度与相位误差，可将输入误差GA和ΔθA视为未知的变量误差。在设计过程中，一旦内部纠正电路的结构与参数确定，其所引入的额外误差随之确定，可将内部误差视为已知的固有误差。由于该技术最终得到的输出误差仅取决于GB和ΔθB，与GA和ΔθA无关，因此，该技术可将输入信号间的未知变量误差转换为内部纠正电路中的已知固有误差。

2.2 内部纠正电路的设计与优化

通过以上分析可知，内部纠正电路所引入的额外误差越小，新型幅度相位间接纠正技术的纠正能力越强。为了减小输出端口间的幅度与相位失配，只需要减小固有误差GB和ΔθB。

因此，针对内部纠正电路进行优化设计，提高该技术在高频下的纠正能力。

传统内部纠正电路与优化后的内部纠正电路结构如图3所示。

图3 传统内部纠正电路与优化后结构对比 Fig. 3 Comparison of traditional internal correction circuit with the optimized structure

在传统内部纠正电路中，共射共基结构的不同路径上寄生参数不同。高频下的寄生效应导致输出端口间存在较大的幅度与相位误差，即内部纠正电路所引入的固有误差变大，继而降低了幅度与相位纠正电路性能。

为解决传统内部纠正电路所引入的固有误差较大的问题，对其进行优化设计。在传统内部纠正电路的输入与输出端分别添加额外的移相网络，从而补偿共射共基结构的相位误差；通过适当调节共射管与共基管的参数大小，以减小传统内部纠正电路所引入的幅度误差。具体优化方案如图4所示。

图4 所提出的内部纠正电路原理图Fig. 4 Proposed internal correction circuit

整个内部纠正电路包含3部分，分别为输入匹配网络，输出匹配网络与移相网络。其中，输入匹配网络包括MIM电容C1和C2，输出匹配网络包括传输线L5与输出端节点电容。传输线L2构成共基结构的直流回路，同时通过优化L2来改善输入回波损耗。移相网络由2部分组成，分别为输入端移相网络L2和输出端移相网络L3、L4。通过适当调整共射管Q1与共基管Q2的发射极长度和并联个数来减小纠正电路的幅度误差，并通过调节输入和输出移相网络L2～L4的长度，减小相位误差，继而在输出端得到一对幅度接近一致，相位相差180°的差分信号。因此，适当改变晶体管参数和添加无源移相网络，可以有效地减小内部纠正电路所引入的额外幅度和相位误差，提高该技术在高频下的纠正性能。

与传统相位纠正技术相比，该间接纠正技术能够同时将幅度误差与相位误差限制在一定阈值范围内，从而达到幅度与相位同时纠正的目的。由于该技术独立于输入信号，输入信号的不平衡程度越大，该技术的纠正能力越强。

3 利用电路仿真验证间接纠正理论

在ADS仿真平台中，基于0.13μm SiGe BiCMOS工艺搭建新型幅度相位间接纠正电路，如图5所示。

图5 新型幅度相位间接纠正电路原理图Fig. 5 Schematic of the magnitude and phase indirect correction circuit

纠正电路的增益性能如图6所示，在中心频率105 GHz下，最大增益为12.7 dB，电路的3 dB带宽为96～113 GHz。

图6 纠正电路的增益仿真结果 Fig. 6 The simulated gain of the correction circuit

纠正电路输出端口间的幅度与相位误差随频率变化曲线如图7所示。在96～113 GHz的带宽范围内，输出端口的最小幅度误差为0.03 dB，最大幅度误差为0.124 dB；最小相位误差为2.88°，最大相位误差为4.772°。在毫米波频段下，纠正电路的输出端口间误差较小，平衡性良好。

图7 在不同频率下，输出端口间的幅度与相位误差Fig. 7 Output phase-error and gain-error versus frequency

为了验证新型幅度相位间接纠正技术在不同输入误差下的适用性与鲁棒性，改变输入信号间的幅度与相位误差，重复进行仿真。假定输入信号间的幅度误差在0～10 dB、相位误差在10°～100°范围内取值，纠正后的输出端口间幅度与相位误差如图8所示。

图8 在不同输入误差下，输出端口间误差结果Fig. 8 Output phase-error and gain-error versus input phase-error and gain-error

经电路仿真验证可得，当输入信号间幅度误差在0～10 dB、相位误差在10°～100°范围内任意取值时，输出端口间幅度与相位误差发生改变。当输入幅度误差为5 dB，相位误差为110°时，输出端口间幅度误差取得最小值0 dB，此时输出相位误差为4°；当输入幅度误差为0 dB，相位误差为10°时，输出端口间相位误差取得最小值2.1°，此时输出幅度误差为0.27 dB。在整个带宽范围内，输出端口的幅度误差均小于0.3 dB，相位误差均小于5.3°，电路最大增益为12.7 dB，功耗为54 mW。

在毫米波频段下，对于不同的输入幅度与相位误差，新型幅度相位间接纠正技术均展现出良好的幅度相位纠正性能，具有较强的适用性与鲁棒性。

将文中算法应用于有源巴伦的纠正电路，其性能参数与其他文献进行比较，结果如表1所示。

表1 文中电路与其他参考文献的参数对比

4 结 论