CN110677128A - 一种应用于汽车防撞雷达的e波段混频器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及汽车防撞雷达，具体为一种应用于汽车防撞雷达的混频器，包括：跨导级单元、变压器短截线耦合单元、开关级单元、负载级单元、缓冲级单元。本发明采用变压器短截线耦合的共源共栅的结构，变压器放置于开关级和跨导级之间,共源共栅配置的直流通路被变压器分隔开，为跨导级和开关级提供独立的偏置，抵消跨导级的三阶非线性跨导，提升线性度；同时，在E波段采用电磁耦合技术与开路短截线相结合，抵消跨导级和开关级的寄生电容以及结电容，解决随着频率升高混频器噪声恶化的问题，降低噪声，同时避免在混频器设计中引入这两个电感将会占据很大芯片面积节省芯片面积，减少产品成本。

Description

一种应用于汽车防撞雷达的E波段混频器
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及汽车防撞雷达，具体为一种应用于汽车防撞雷达的E波段混频器。
背景技术
近年以来，随着无线通信技术的快速发展，各种无线收发机都在向更高的工作频段发展，以追求更高的带宽、数据率、更低的延时，毫米波(毫米波)频率已引起广泛关注。新产品和服务已经涌现出巨大的市场潜力，例如在超高速超高频端WLAN***发展，60GHz的802.11ad通信***与LTE网络技术通过LWA网络结合起来，在未来5G时代，将会给用户带来绝佳的用户体验，在E波段(71～75GHz、81～85GHz和92～95GHz)实现无线光纤接入，以及77GHz的高级辅助驾驶的防撞雷达。对于这些应用，基于CMOS工艺的毫米波器件的制造具有高集成度和低成本的吸引力；然而，器件在高频和低噪声下的线性度较差严重制约了毫米波电路的设计。混频器是收发信机中必不可少的组成部分，它总是需要足够的线性度和低的噪声来保证整个***的性能；因此基于现代通信的发展要求，设计一款高线性度低噪声宽带的下混频器具有广泛应用前景和价值。
目前传统的双平衡吉尔伯特混频器被广泛应用于无线发射机中，其电路图如图3所示，这种结构具有较好的增益以及端口隔离度，但是其在毫米波频段因寄生电容的影响愈发明显，使工作带宽极为有限，并且噪声、线性度等性能恶化严重，已不适合毫米波尤其是E波段的在汽车防撞雷达方面的应用；由此可见，在高级辅助驾驶甚至无人驾驶的愿景下，设计一款应用于汽车防撞雷达的高线性度大带宽低噪声低功耗的混频器具有广泛应用前景和价值。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出了一种应用于汽车防撞雷达的混频器，该混频器采用变压器耦合的共源共栅的电路结构(the transformer-coupling cascodetopology，TCCT)，能够在不降低其他性能的同时，改善混频器的线性度，降低噪声，增加带宽。本发明中，采用变压器耦合将共源共栅配置的直流通路被变压器分隔开，为跨导级和开关级提供独立的偏置，使混频器可以工作在低电压下，达到跨导级偏置在不影响开关级的优化噪声偏置的情况下接近三阶跨导(gm3)过零点，从而提高混频器的线性度和降低噪声，此外电路结构对称可以在实际版图实施时做到很好的对称这有益于混频器的隔离度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种应用于汽车防撞雷达的混频器，包括：跨导级单元1、变压器短截线耦合单元2、开关级单元3、负载级单元4和缓冲级单元5；其特征在于：
所述跨导级单元1包括NMOS管M1、NMOS管M2，其中，所述NMOS管M1、NMOS管M2源极均接地，NMOS管M1栅极接射频信号输入正端，NMOS管M2栅极接射频信号的负输入端，NMOS管M1漏极接变压器前级电感L1同名端、NMOS管M2漏极接变压器初级电感L1异名端；
所述变压器短截线耦合单元2包括变压器T、两段开路短截线、电容C5及电容C6，其中，所述变压器T由初级线圈L1和次级线圈L2组成，初级线圈L1的中心抽头接VDD，次级线圈L2的中心抽头接地，次级线圈L2两端分别串联一段开路短截线，两段开路短截线的另一端分别串联电容C5、电容C6到地；
所述开关级单元3包括NMOS管M3NMOS管M4、NMOS管M5及NMOS管M6，其中，NMOS管M4和NMOS管M5栅极互联接本振信号的负输入端，NMOS管M3和NMOS管M6栅极互联接本振信号的正输入端，NMOS管M3和NMOS管M4源极互联接变压器耦合单元变压器次级电感L2同名端，NMOS管M5和NMOS管M6源极互联接变压器耦合单元变压器次级电感L2异名端，NMOS管M3和NMOS管M5的漏极互联，NMOS管M4和NMOS管M6的漏极互联；
所述负载级单元4包括两个相同电感L3、L4(L3＝L4)及两个相同电容C3、C4(C3＝C4)；电感L3和电容C3并联为一组，一端接电源电压VDD，另一端与NMOS管M3、NMOS管M5的漏极连接并作为中频信号正输出端；电感L4和电容C4并联为另一组，一端接电源电压VDD，另一端与NMOS管M4、NMOS管M6的漏极连接并作为中频信号负输出端；
所述缓冲级单元5包括两个相同跨阻放大器分别放置在中频信号正输出端和中频信号负输出端，所述跨阻放大器由电组、NMOS管、PMOS管及耦合电容组成，其中，所述耦合电容一端连接中频信号输出端、另一端连接电组，电阻另一端作为混频器中频信号输出端，NMOS管源级接地、栅极和漏级并接于电阻两端，PMOS管的栅级和漏级分别与NMOS管栅级和漏极对应连接、源级接电源电压VDD。
进一步的，所述应用于汽车防撞雷达的混频器中，采用双极型晶体管替换所有场效应晶体管，具体为：NPN型三极管替换NMOS管、PNP型三极管替换PMOS管。
从工作原理上讲，本发明涉及一种新型的采用变压器耦合的共源共栅结构混频器，该混频器包含跨导级单元、变压器短截线耦合单元、开关级单元、负载级单元、缓冲级单元。所述跨导级单元由一对差分对NMOS管组成；所述电磁耦合单元由变压器和串联在变压器初级线圈两侧到地的开路短截线组成，变压器放置于开关级和跨导级之间,共源共栅配置的直流通路被变压器分隔开,为跨导级和开关级提供独立的偏置，使混频器可以工作在低电压下，达到跨导级偏置在不影响开关级的优化噪声偏置的情况下接近三阶跨导(gm3)过零点，从而提高混频器的线性度和降低噪声，所述开关级单元主要由四个NMOS管组成，偏置在最佳的开关状态；所述负载级单元直接由分别有两个电容和两个电感组成的，可以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，在开关级单元与本振信号进行混频，最后差分射频信号在负载级单元和开关级单元之间输出；所述缓冲级单元由一个NMOS管，一个PMOS管和一个电组组成，增强混频器输出驱动能力。
本发明结构减小了传统匹配所占用的芯片面积，降低产品成本，高线性度，低噪声，大带宽的特点，适用于适用于多标准毫米波无线电应用，在高级辅助驾驶汽车防撞雷达上有广阔应用前景。
综上，与传统吉尔伯特上混频器相比，本发明的优势及显著效果在于：
1、采用变压器短截线耦合的共源共栅的结构，变压器放置于开关级和跨导级之间,共源共栅配置的直流通路被变压器分隔开，为跨导级和开关级提供独立的偏置，抵消跨导级的三阶非线性跨导，提升线性度；
2、在E波段采用电磁耦合技术与开路短截线相结合，抵消跨导级和开关级的寄生电容以及结电容，解决随着频率升高混频器噪声恶化的问题，降低噪声，同时避免在混频器设计中引入这两个电感将会占据很大芯片面积节省芯片面积，减少产品成本；
3、采用变压器耦合，可以克服传统吉尔伯特结构对高供电电压的要求，使混频器可以工作在低供电电压，输出采用电感加电容负载，优化输出电感的品质因数，可以较好的折中的输出中频带宽和增益，以适用于多标准毫米波无线电应用。
附图说明
图1为本发明应用于汽车防撞雷达的E波段混频器电路原理图。
图2为本发明实施例中1V VDS下gm的展开系数随电压VGS变化曲线图。
图3为传统吉尔伯特上混频器电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提出了一种新型采用变压器耦合的共源共栅结构技术的E波段混频器，应用于汽车防撞雷达；其电路结构示意图如图1所示，包括：跨导级单元1、变压器短截线耦合单元2、开关级单元3、负载级单元4和缓冲级单元5；差分射频信号的正负两端VRF+和VRF-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电磁耦合单元2的初级线圈，经电磁耦合从变压器次级线圈输出至开关级单元3，开关级单元3与差分本振输入信号VLO+和VLO-相连，差分中频信号VIF+和VIF-从开关级单元3和负载级单元4之间输出，经电容耦合由缓冲级单元5输出；更加具体的：
所述跨导级单元1包括一对差分NMOS管对M1、M2，构成射频差分输入电路结构；所述NMOS管M1、NMOS管M2源极均接地，NMOS管M1栅极接射频信号输入正端，NMOS管M2栅极接射频信号的负输入端，NMOS管M1漏极接变压器初级电感L1同名端、NMOS管M2漏极接变压器前级电感L1异名端；通过合理设计差分NMOS管对的栅级偏置，可以使跨导级偏置在接近三阶跨导(gm3)过零点，来抵消三阶非线性跨导，提高线性度；
所述变压器短截线耦合单元2包括变压器T、开路短截线及电容C5、C6，所述变压器T由初级线圈L1和次级线圈L2组成，初级线圈L1的中心抽头接VDD，次级线圈L2的中心抽头接地，次级线圈L2两端分别串联开路短截线，开路短截线的另一端分别串联电容C5、C6到地；变压器放置于开关级和跨导级之间，共源共栅配置的直流通路被变压器分隔开，为跨导级和开关级提供独立的偏置，使混瓶器可以工作在低电压下，达到跨导级偏置在不影响开关级的优化噪声偏置的情况下接近三阶跨导(gm3)过零点，从而提高混频器的线性度和降低噪声；通过合理设计开路短截线和串联电容值，抵消跨导级和开关级的寄生电容以及结电容，解决随着频率升高混频器噪声恶化的问题，降低噪声；
所述开关级单元3包括四个NMOS管M3～M6；NMOS管M4和M5栅极互联接本振信号的负输入端，NMOS管M3和M6栅极互联接本振信号的正输入端，NMOS管M3和M4源极互联接变压器耦合单元变压器次级电感L2同名端，NMOS管M5和M6源极互联接变压器耦合单元变压器次级电感L2异名端，NMOS管M3和M5的漏极互联，NMOS管M4和M6的漏极互联；通过优化四个NMOS管M3～M6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；
所述负载级单元4包括两个电感L3、L4(L3＝L4)及两个电容C3、C4(C3＝C4)；电感L3和C3并联为一组，一端接电源电压VDD，另一端与NMOS管M3和M5的漏极连接并作为中频正输出端；电感L4和C4并联为另一组，一端接电源电压VDD，另一端与NMOS管M4和M6的漏极连接并作为中频负输出端；合理设计负载电感L3和C3以及和L4和C4的值，可以较好的折中的输出中频带宽和增益；
所述缓冲级单元5包括两个跨阻放大器分别放置在中频信号输出正端和中频信号输出负端，所述中频信号输出正端的跨阻放大器由一个电组R1、一个NMOS管MB1和一个PMOS管MP1组成，电组R1与耦合电容C1相连，NMOS管MB1源级接地、栅极和漏级并接于电阻R1两端，PMOS管MP1的栅级和漏级分别对应与NMOS管MB1栅级和漏极连接、源级接电源电压VDD；所述中频信号输出负端的跨阻放大器由由一个电组R2、一个NMOS管MB2和一个PMOS管MP2组成，电组R2与耦合电容C2相连，NMOS管MB1源级接地、栅极和漏级并接在电阻R2两端，PMOS管MP2的栅级和漏级分别与NMOS管MB2栅级和漏极连接，源级接电源电压VDD；缓冲级可以增加混频器的输出驱动能力，尤其是驱动容性负载的能力。
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NMOS管替换成NPN型三极管，PMOS管替换成PNP型三极管即可。
从工作原理上讲：较之传统的Gilbert混频器，本发明实现电路对电源电压要求降低，在毫米波频段尤其是E波段具有良好的线性度和噪声性能，同时实现了宽带特性，适用于多标准毫米波无线电应用和汽车防撞雷达领域。
更为具体的：
1)噪声性能提高的分析，对图3所述传统引入电感的Gilbert混频器结构进行定性分析，可以得出混频器的输入参考噪声电压为：
其中，gmi是Mi的跨导，Cp是节点P处的寄生电容，RL为输出负载，In,M1和Vn,M2是晶体管M1和M2的噪声，k是玻尔兹曼常数，T是热力学温度；
通过上式可以看出，由于混频器转换增益随着寄生电容Cp的增大而减小，因此导致输入参考噪声变大，当工作频率升高至毫米波频段时，混频器中寄生电容的影响会变得更加严重，从而导致级间更大的RF电流泄漏和整体噪声性能恶化。
为克服以上缺点，本发明采用变压器耦合的共源共栅结构(the transformer-coupling cas code topology(TCCT))混频器，通过对图1中核心的变压器短截线耦合单元进行分析可得，采用噪声降低变压器结构后，对应工作中心频率处的输入参考噪声电压为：
Figure BDA0002193660910000061
根据以上分析我们可以得出，在混频器两级之间***该变压器网络能够有效的降低噪声和避免芯片面积过大。
2)线性度提升的分析，如图3所示，三阶跨导gm3在非线性谐波的产生中起着重要的作用，IP3能被表示为：
Figure BDA0002193660910000062
其中，gm(n)为晶体管的第n阶跨导；
通过式(3)可以看出，器件的IP3可以通过减小gm3来改善，在图2中，gm3有一个过零点，如果跨导级是被偏置在过零点附近，gm3对产生的非线性影响可以被有效地缓解。在本发明中，由于TCCT为两级提供了独立的偏置，因此，为了避免gm3过大跨导级的栅-源电压VGS被偏置较低的电压。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种应用于汽车防撞雷达的E波段混频器，包括：跨导级单元(1)、变压器短截线耦合单元(2)、开关级单元(3)、负载级单元(4)和缓冲级单元(5)；其特征在于：
所述跨导级单元(1)包括NMOS管M1、NMOS管M2，其中，所述NMOS管M1、NM OS管M2源极均接地，NMOS管M1栅极接射频信号输入正端，NMOS管M2栅极接射频信号的负输入端，NMOS管M1漏极接变压器前级电感L1同名端、NMOS管M2漏极接变压器初级电感L1异名端；
所述变压器短截线耦合单元(2)包括变压器T、两段开路短截线、电容C5及电容C6，其中，所述变压器T由初级线圈L1和次级线圈L2组成，初级线圈L1的中心抽头接VDD，次级线圈L2的中心抽头接地，次级线圈L2两端分别串联一段开路短截线，两段开路短截线的另一端分别串联电容C5、电容C6到地；
所述开关级单元(3)包括NMOS管M3 NMOS管M4、NMOS管M5及NMOS管M6，其中，NMOS管M4和NMOS管M5栅极互联接本振信号的负输入端，NMOS管M3和NMO S管M6栅极互联接本振信号的正输入端，NMOS管M3和NMOS管M4源极互联接变压器耦合单元变压器次级电感L2同名端，NMOS管M5和NMOS管M6源极互联接变压器耦合单元变压器次级电感L2异名端，NMOS管M3和NMOS管M5的漏极互联，NMOS管M4和NMO S管M6的漏极互联；
所述负载级单元(4)包括两个相同电感L3、L4(L3＝L4)及两个相同电容C3、C4(C3＝C4)；电感L3和电容C3并联为一组，一端接电源电压VDD，另一端与NMOS管M3、NMOS管M5的漏极连接并作为中频信号正输出端；电感L4和电容C4并联为另一组，一端接电源电压VDD，另一端与NMOS管M4、NMOS管M6的漏极连接并作为中频信号负输出端；
所述缓冲级单元(5)包括两个相同跨阻放大器分别放置在中频信号正输出端和中频信号负输出端，所述跨阻放大器由电组、NMOS管、PMOS管及耦合电容组成，其中，所述耦合电容一端连接中频信号输出端、另一端连接电组，电阻另一端作为混频器中频信号输出端，NMOS管源级接地、栅极和漏级并接于电阻两端，PMOS管的栅级和漏级分别与NMOS管栅级和漏极对应连接、源级接电源电压VDD。
2.按权利要求1所述应用于汽车防撞雷达的E波段混频器，其特征在于，所述应用于汽车防撞雷达的E波段混频器中，采用双极型晶体管替换所有场效应晶体管，具体为：NPN型三极管替换NMOS管、PNP型三极管替换PMOS管。
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