CN109687825A - 一种高线性度微波混频器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高线性度微波混频器，目的是为了改进传统的吉尔伯特结构，在传统吉尔伯特的基础上进行改进，降低了整体功耗，提高了混频器的转换增益和带宽。引入了巴伦转换器结构，能够使混频器能输入单端信号，提高了设计的集成度。
Description
所属技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，涉及无线发射机中的变频电路，特别是关于一种高线性度微波混频器。
背景技术
随着无线通信技术的不断进步与发展，应用背景的多样化和性能的高端化，应用领域也随之逐渐不断扩大，无线通信***的设计指标也日趋严格。下混频器作为射频前端接收端的一个重要模块，其功能是将接收到的射频信号下变频到中频信号。因为下变频混频器的性能会对整个射频接收机***产生较为显著的影响，所以对下混频器的线性度，转换增益，隔离度、功耗都有着较为严苛的要求。
传统吉尔伯特混频器结构如图1，虽然具有较好的增益以及端口隔离度，但是其工作带宽极为有限，想得到较高的线性度有一定的困难。虽然在低频段的应用中，吉尔伯特结构能够获得很好的性能，但是若是频率上升到较高波段，则会产生较大的衰减及噪声，需要更高的电平驱动。另外，受限于结构特点，吉尔伯特混频器如果需要应用于单端信号的输入输出，则需将一端接地，这将极大的降低混频器的性能。
发明内容
本发明提出一种高线性度微波混频器，目的是为了改进传统的吉尔伯特结构，在传统吉尔伯特的基础上进行改进，降低了整体功耗，提高了混频器的转换增益和带宽。引入了巴伦转换器结构，能够使混频器能输入单端信号，提高了设计的集成度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为一种现有的技术。
图2为本发明的实施电路图。
图3为本发明的等效电路图。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2是本发明一种高线性度宽带上混频器的较佳实施例的电路原理图。如图2所示，本发明一种高线性度宽带上混频器，包括跨导级单元1、开关级单元2和负载级单元3。差分中频信号的正负两端Vin+和Vin-注入跨导级单元1，经过跨导级单元1放大信号然后输出至开关级单元2,开关级单元2的输出连接至负载级单元3,开关级单元2与差分本征输入信号+和-相连，差分射频信号Vrf-和Vrf+从开关级单元2和负载级单元3之间输出。
辅路跨导由差分NM0S管M3-M4、电阻R3-R4、电感L3-L4和电容C3-C4构成。差分NM0S管 M3和M4源极分别接电感L3和L4 (L3 = L4)，NM0S管M3栅极分别通过电阻R3接偏置电压Va，通过电容C3连接中频信号的负输入端Vin-，为了保证M3栅极的信号和施栅极的信号相同相位，C3 = CuNMOS管M4栅极分别通过电阻R4接偏置电压Va，通过电容C4连接中频信号的正输入端Vin+，为了保证M4栅极的信号和跑栅极的信号相同相位，C4 = C2，因为C1 = C2，所以C1 = C2 = C3 = C4。NM0S管M3漏极连接至NM0S管吣的漏极，NM0S管M4漏极连接至NM0S管M2的漏极。通过改变辅路差分NM0S管M3和M4的尺寸以及偏置电压Va，可以使辅路NM0S管的三阶跨导与主路匪0S管三阶跨导具有相反的幅值，而一阶跨导符号相同，因此可以在漏极与主路的三阶跨导相抵消，同时增强一阶跨导，从而减少跨导级单元的三阶失真，提高线性度，并提高增益。辅路源极电感L3和L4可以使NM0S管三阶跨导随偏置电压变化更加平坦，从而增加混频器线性度随偏置电压的鲁棒性。
如图2所示，开关级单元2包括四个NM0S管Ms-Ms和两个电阻R5-R6(3NM0S管Ms和Ms栅极互联接本征信号的负输入端口-，通过电阻R5接偏置电压Vg，通过电阻R6接偏置电压Vg，NM0S管施和施源极互联接输入跨导级的 NM0S管M7和Ms源极互联接输入跨导级的NM0S管M2和M4的漏极，NM0S管 Ms和M7的漏极互联，NM0S管Ms和Ms的漏极互联。通过优化四个NM0S管Ms-Ms的尺寸和偏置，使开关级单元工作在最佳开关状态，减少由于开关管引入的非线性。
负载级单元3包括两个电感L5和L6,电感L5—端接电源电压VDD，另一端与匪05管此和的漏极连接并作为上混频器器的射频正输出端Vrf+，电感L6—端接电源电压VDD，另一端与NM0S管M6和Ms连接并作为上混频器的射频负输出端Vrf-。合理设计负载电感L5和L6,可以有效增大输出带宽。
如图3所示，本发明与无辅路跨导、无辅路跨导和主路无交叉耦合电容的功率增益和带宽对比，其结果显示本发明设计的上混频器在整个频带内增益最高，本发明上混频器3dB带宽为68-94GHZ，无辅路跨导上混频器以及无辅路跨导和主路无交叉耦合电容上混频器3dB带宽均为70-94GHz，结果显示本发明带宽最宽。
本发明与无辅路跨导、无辅路跨导和主路无交叉耦合电容的输出ldB压缩点对比，其结果显示本发明设计的上混频器在整个频带内线性度最好。
本发明结构除了可以用场效应管实现，也可以用双极型晶体管实现。用双极型晶体管实现时，只需要将NM0S管替换成NPN型三极管，PM0S管替换成PNP型三极管即可。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种高线性度微波混频器，其特征在于，包括:跨导级单元、开关级单元和负载级单元；
所述跨导级单元用以提高线性度;所述开关级单元偏置在最佳的开关状态;所述负载级单能够增大带宽并能提高增益;差分中频信号经过跨导级单元的放大，在开关级单元与本征信号进行混频，最后差分射频信号在负载级单元和开关级单元之间输出。
2.如权利要求1所述一种高线性度微波混频器，其特征在于，所述跨导级单元包括主路跨导和辅路跨导；所述主路跨导由差分NMOS管M1、NMOS管M2、电阻R1、电阻R2、电感U、电感L2和电容C1、电容C2构成电容交叉耦合共栅级结构；所述主路跨导NMOS管M1源极分别接电感L1，以及中频信号的正输入端，NMOS管M2源极分别接电感L2,以及中频信号的负输入端，NMOS管M1栅极分别通过R1电阻接偏置电压Vm，通过 电容C2连接NMOS管跑的源极，NMOS管M2栅极分别通过R2电阻接偏置电压Vm，通过电容C2连接NMOS管M1的源极，形成电容交叉耦合共栅极结构。
3.如权利要求2所述一种高线性度微波混频器，其特征在于，所述电感L1 =电感L2、电容C2 =电容C1。
4.如权利要求3所述所述一种高线性度微波混频器，其特征在于，所述辅路跨导由差分NMOS管M3、NMOS管M4、电阻R3、电阻R4、电感L3、电感L4和电容C3、电容C4构成加载源退化电感的 共源极结构；所述NMOS管M3和NMOS管M4源极分别接电感L3和电感L4,NMOS管M3栅极分别通过电阻R3接 偏置电SVa，通过电容C3连接中频信号的负输入端，NMOS管M4栅极分别通过电阻R4接偏置电压乂3，通过电容C4连接中频信号的正输入端，NMOS管M3漏极连接至NMOS管施的漏极，NMOS管M4 漏极连接至NMOS管M2的漏极。
5.如权利要求4所述一种高线性度微波混频器，其特征在于，所述电感L3 =电感L4;电容C1=电容C2 =电容C3 =电容C4。
6.如权利要求1所述一种高线性度微波混频器，其特征在于，所述开关级单元包括四个NMOS管M5-NMOS管M8和两个电阻Rs、电阻R6;NMOS管M5和NMOS管M8栅极互联接本征信号的负输入端，通过电阻R5接偏置电压Vg，NMOS管M6和NMOS管M7栅极互联接本振信号的正输入端，通过电阻R6接偏置电压Vg，NMOS管M5和NMOS管M6源极互联接输入跨导级的NMOS管M1和NMOS管M3的漏极，NMOS管M7和NMOS管M8源极互相联接输入跨导级的NMOS管M2和NMOS管M4的漏极，NMOS管M5和NMOS管M7的漏极互联，NMOS管M6和NMOS管M8的漏极互联。
7.如权利要求1所述一种高线性度微波混频器，其特征在于，所述负载级单元包括两个电感L5和L6,电感L5—端接电源电压VDD，另一端与NMOS管MdPNMOS管M7的漏极连接并作为混频器的射频正输出端，电感L6—端接电源电压VDD，另一端与NMOS管M6和NMOS管M8连接并作为混频器的射频负输出端。
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