一种四入四出差分复用波束合成网络
技术领域
本发明为射频集成电路技术领域，具体涉及波束合成网络，同时实现四个方向输入信号的合成与四个方向输出信号的传输。
背景技术
随着无线通信的发展，波束合成技术作为射频接收技术的重要一环，在声纳、射电天文望远镜，雷达等领域得到了广泛应用。波束合成技术主要用在射频前端的接收端口，其实质是通过波束合成网络，利用不同传输路径之间的延时差，对每个接收端口的信号进行相干叠加，合成指定方向的波束信号，以获得最大输出功率，抑制干扰信号，提高信号质量。
常用的波束合成网络的设计方法有模拟波束合成、数字波束合成和混合波束合成。模拟波束合成由于其低复杂度、低功耗、低成本的优势，在大型天线阵列中得到了很多关注。SKA作为世界上在建的最大的射电望远镜，对中低频阵列的波束合成网络有较高的要求，其需要在尽量低的功耗和尽量小的面积下，完成四输入四输出的波束合成功能，并抑制噪声的影响。
传统的模拟波束合成网络基于单一真延时单元结构，主要有传统链路结构、Blass结构、路径共享结构和改进的路径共享结构。传统链路结构一般用有源真延时单元实现，Blass结构和两种路径共享结构由于其双向传输性，只能用无源真延时单元实现。为了与差分天线直接对接，降低噪声，需要设计全差分波束合成网络。但基于无源真延时单元的差分网络，由于电感个数过多，导致芯片面积过大；基于有源真延时单元的网络，则由于单向性，所需延时个数多，导致芯片功耗过高。因此，以上结构无法在低功耗、低复杂度、小面积的基础上实现良好的波束合成功能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种工作在0.5～1.5GHz的差分复用波束合成网络，将两种独立的延时单元，即差分有源真延时单元和差分无源真延时单元结合起来，形成不同传输路径之间稳定的延时差，实现四输入四输出的波束合成功能，降低功耗和电路复杂度，减小芯片所占面积，满足大型天线阵列对波束合成网络的需求。技术方案如下：
一种四入四出差分复用波束合成网络，由差分低噪声放大器、差分无源真延时单元、差分有源真延时单元和差分缓冲器四种模块构成。其中，
四个差分低噪声放大器作为该网络的第一级，分别接在四个天线Ant1～Ant4之后，Ant1处差分低噪声放大器的输出端口接差分缓冲器3的输入端口和第四差分无源真延时2τ单元的第一端口；Ant2处差分低噪声放大器的输出端口接第一差分有源真延时3τ单元的输入端口和第一差分无源真延时2τ单元的第一端口；Ant3处差分低噪声放大器的输出端口接第二差分有源真延时3τ单元的输入端口和第六差分无源真延时2τ单元的第二端口；Ant4处差分低噪声放大器的输出端口接差分缓冲器7的输入端口和第三差分无源真延时2τ单元的第二端口；
差分缓冲器1和差分缓冲器2依次级联，输出端口接在输出端口port1之前；差分缓冲器3和差分缓冲器4依次级联，输出端口接在输出端口port2之前；差分缓冲器5和差分缓冲器6依次级联，输出端口接在输出端口port3之前；差分缓冲器7和差分缓冲器8依次级联，输出端口接在输出端口port4之前；
第一差分无源真延时2τ单元、第二差分无源真延时2τ单元、第三差分无源真延时2τ单元级联，第一差分无源真延时2τ单元的第一端口接Ant2处差分低噪声放大器的输出端口和第一差分有源真延时3τ单元的输入端口，第三差分无源真延时2τ单元级联的第二端口接Ant4处差分低噪声放大器的输出端口和差分缓冲器7的输入端口；第四差分无源真延时2τ单元、第五差分无源真延时2τ单元、第六差分无源真延时2τ单元级联，第四差分无源真延时2τ单元的第一端口接Ant1处差分低噪声放大器的输出端口和差分缓冲器3的输入端口，第六差分无源真延时2τ单元的第二端口接Ant3处差分低噪声放大器的输出端口和第二差分有源真延时3τ单元的输入端口；
第一差分有源真延时3τ单元的输入端口接Ant2处差分低噪声放大器的输出端口和第一差分无源真延时2τ单元的第一端口，其输出端口接差分缓冲器3的输出端口和差分缓冲器4的输入端口；第二差分有源真延时3τ单元的输入端口接Ant3处差分低噪声放大器的输出端口和第六差分无源真延时2τ单元的第二端口，其输出端口接差分缓冲器7的输出端口和差分缓冲器8的输入端口；
第一差分有源真延时τ单元的输入端口接第一差分无源真延时2τ单元的第二端口和第二差分无源真延时2τ单元的第一端口，其输出端口接差分缓冲器1的输出端口和差分缓冲器2的输入端口；第二差分有源真延时τ单元的输入端口接第五差分无源真延时2τ单元的第二端口和差分第六无源真延时2τ单元的第一端口，其输出端口接差分缓冲器5的输出端口和差分缓冲器6的输入端口。
附图说明
图1是本发明的新型四入四出差分复用波束合成网络的框图。
图2是模拟波束合成网络的常用架构。
图3是本发明的差分复用波束合成网络的各个模块的原理图。
图4是本发明的差分复用波束合成网络的方向图仿真结果。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示，四个差分低噪声放大器作为该网络的第一级，接在四个天线Ant1～Ant4之后，抑制干扰和噪声，放大接收到的输入信号。
为了弥补延时网络的增益损耗，进行输出阻抗匹配，并进行信号隔离，八个差分缓冲器需要两两级联，接在输出端口port1、port2、port3和port4之前。如图1所示，差分缓冲器1和差分缓冲器2依次级联，输出端口接在输出端口port1之前；差分缓冲器3和差分缓冲器4依次级联，输出端口接在输出端口port2之前；差分缓冲器5和差分缓冲器6依次级联，输出端口接在输出端口port3之前；差分缓冲器7和差分缓冲器8依次级联，输出端口接在输出端口port4之前。
为了构建延时网络，实现不同传输路径之间稳定的延时差，差分无源真延时单元和差分有源真延时单元需要进行特定的连接。如图1所示，各个真延时单元的连接情况如下：
差分无源真延时单元2τ.1～2τ.3级联，2τ.1的第一端口接Ant2处差分低噪声放大器的输出端口和差分有源真延时单元3τ.1的输入端口，2τ.3的第二端口接Ant4处差分低噪声放大器的输出端口和差分缓冲器7的输入端口；差分无源真延时单元2τ.4～2τ.6级联，2τ.4的第一端口接Ant1处差分低噪声放大器的输出端口和差分缓冲器3的输入端口，2τ.6的第二端口接Ant3处差分低噪声放大器的输出端口和差分有源真延时单元3τ.2的输入端口。
差分有源真延时单元3τ.1的输入端口接Ant2处差分低噪声放大器的输出端口和差分无源真延时单元2τ.1的第一端口，其输出端口接差分缓冲器3的输出端口和差分缓冲器4的输入端口；差分有源真延时单元3τ.2的输入端口接Ant3处差分低噪声放大器的输出端口和差分无源真延时单元2τ.6的第二端口，其输出端口接差分缓冲器7的输出端口和差分缓冲器8的输入端口。差分有源真延时单元τ.1的输入端口接差分无源真延时单元2τ.1的第二端口和差分无源真延时单元2τ.2的第一端口，其输出端口接差分缓冲器1的输出端口和差分缓冲器2的输入端口；差分有源真延时单元τ.2的输入端口接差分无源真延时单元2τ.5的第二端口和差分无源真延时单元2τ.6的第一端口，其输出端口接差分缓冲器5的输出端口和差分缓冲器6的输入端口。
本发明的差分复用波束合成网络的各个输入端口到各个输出端口的延时值如表1所示，能够实现四入四出。由图1可知，以τ为单位，所需网络的延时总个数只需要20τ。
图2是模拟波束合成网络的常用架构，(a)是传统链路结构，(b)是Blass结构，(c)是路径共享结构，(d)是改进的路径共享结构，通过计算可以得到，本发明基于的改进的路径共享结构所需要的延时个数最少。
图3是本发明采用的差分低噪声放大器、差分无源真延时单元、差分有源真延时单元和差分缓冲器的具体电路。本发明采用HHNEC CMOS 0.18um工艺，利用Cadence RFSpectre进行设计和仿真。
表2是本发明的差分复用波束合成网络主要参数的后仿结果同国内外文献的对比。可以看到，本发明兼具面积和功耗优势。
图4是本发明的差分复用波束合成网络的方向图仿真结果，可以看出随着频率增加，方向性也在增加。
与现有技术相比，本发明的技术方案的有益效果是：
(1)本发明将差分无源真延时单元与差分有源真延时单元相结合，突破了传统的基于单一延时结构的波束合成网络，提供了一种新的设计方法。
(2)本发明设计的波束合成网络，在实现差分结构的基础上，与单一无源真延时网络相比，减少了缓冲器个数和芯片面积；与单一有源真延时网络相比，降低了功耗，实现了双向传输。
(3)本发明设计的波束合成网络，在实现四输入四输出时，所需延时个数低于其他结构，电路复杂度得到了有效降低，能满足大型阵列对波束合成网络低功耗、小面积、低复杂度的需求。
表1
表2
**根据仿真曲线预估得到*根据延时RMS值计算得到
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