專欄文章

相移器(Phase Shifter，PS)是相位陣列收發器系統中達成波束成型功能的核心元件。為了避免複雜的相位(Phase)與振幅(Amplitude)調整，低相位誤差及低振幅誤差是相移器設計時的首要目標。

相移器在相位陣列收發器系統中扮演著重要角色，透過相移器調整相位陣列接收器中每個射頻鍊路上的相位，我們可以將每個射頻鍊路上天線單元接收到的電磁波訊號同相位相加。藉此提升接收訊號的訊雜比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)與接收器的靈敏度。此外，相移器可調整射頻鍊路之間的相位差，藉此來控制相位陣列收發器電磁波束的指向^[1]。理想上，相移器在調整不同相移狀態時希望振幅能維持固定，否則就還必須要透過可變增益放大器來補償不同相移狀態時振幅的變化，如此將增加整體系統控制程序上的複雜度。因此如何在充足的可調相位範圍內達到低相移誤差且低振幅變化是設計相移器的重要指標。在這篇文章中，我們整理了幾個常用於毫米波相移器設計的架構，並簡述了這些相移器架構的操作原理與優缺點。

傳輸線相移器 (Transmission Line Phase Shifter，TLPS)

傳輸線相移器的架構圖如圖一^[2]，它利用多階並聯電容與串聯電感組成一人造傳輸線。訊號經過這段人造傳輸線將會有個相位移，接著將電容換成可變電容，那就可以藉由調整電容值，達到改變輸出訊號的相位移，如此完成相移器的功能。傳輸線相移器架構具有寬頻的優點，但是可調的相移範圍將會被可變電容的特性限制住，以致可調的相移角度較小。

圖一、傳輸線相移器的架構圖

開關式相移器 (Switch-Type Phase Shifter，STPS)

開關式相移器系統架構如圖二^[3]-[7]，N個位元的開關式相移器需要N個相移單元串接而成，來達到N位元控制與360°/2N的解析度。每個相移單元整合適當的電感電容元件來達到要求的相移量，並透過電晶體開關，來控制訊號路徑，達到開與關之間的相位差。因此如何設計好每個相移單元的電路架構，是此N個位元開關式相移器能否達到低相位誤差及低振幅變化的關鍵。開關式相移器的優點在於電路架構簡單、不需要直流功率消耗與先天上的數位控制介面，但是由於大量使用電感與電容等被動元件，因此開關式相移器有高穿透損耗(insertion loss)與大晶片面積的缺點。

圖二、開關式相移器系統架構

反射式相移器 (Reflection-Type Phase Shifter, RTPS)

由於開關式相移器每個相移單元，就需要單獨一個子電路。需要解析度越高的相移角度，所需要的相移單元就要越多。因此不利於我們開發小晶片面積的相移器晶片，且置入損耗也隨位元數增多而增加。因此反射式相移器是另一個可以選擇的被動相移器架構。圖三為一反射式相移器的架構圖^[8]-[10]，它由兩個反射負載(Reflection Load)連接在一3-dB正交耦合器(Quadrature Coupler)所組成。透過調整反射負載的反射係數(ΓL)，來達到輸入與輸出的相位移，因此反射式相移器只要一個單元電路就可以有連續可調的相位移特性，因此可具有在小晶片面積達到高解析度的優點。但是穿透損耗隨相位可調範圍越大而越高，且需要一類比電壓調控是它的缺點。

圖三、反射式相移器的架構圖

向量合成相移器 (Vector Sum Phase Shifter, VSPS)

向量合成相移器的架構圖如圖四^{[11]- [12]}，它利用一個四相位產生器產生I路徑與Q路徑，此I與Q路徑的訊號相位彼此相差90度。接著透過兩個可變增益放大器，來調整I與Q路徑的訊號振幅，最後再透過一個加法器將I與Q路徑的訊號相加得到最終輸出訊號。而如圖五所示，透過調整I與Q路徑的訊號振幅，可以合成不同角度的輸出訊號。向量合成相移器的優點在於可以得到解析度較高的相位移特性，並且可調整的相位移範圍很大。但是由於需要使用到可變增益放大器，因此需要較大的直流功率消耗，且需要較複雜的控制電路來控制可變增益放大器以達到不同的相位移輸出訊號。

圖四、向量合成相移器的架構圖 

圖五  

參考文獻

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