CN110855244A - 一种高转换增益毫米波宽带四倍频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高转换增益毫米波宽带四倍频器：双推式平衡二倍频结构包括一号场效应管和二号场效应管，源极均接地，栅极间输入差分输入信号，且栅极均输入一号偏置电压，漏极均经一号电感连接电压源；缓冲级结构包括三号场效应管，源极接地，栅极经一号电容连接一号场效应管和二号场效应管的漏极，漏极经二号电感和三号电感连接电压源；无源巴伦结构将单端信号转为差分信号；跨导增强型双推式二倍频结构中四号场效应管源极连接五号场效应管栅极，五号场效应管源极连接四号场效应管栅极。本发明在较低功耗与简化电路的前提下，提高四倍频器的转换增益和输出功率，以达到高性能毫米波源的设计要求，具有较好的应用前景。

Description

一种高转换增益毫米波宽带四倍频器

技术领域

本发明涉及毫米波信号源领域，更具体的说，是涉及一种高转换增益毫米波宽带四倍频器。

背景技术

毫米波技术广泛应用于卫星遥感、深空探测、射电天文学等领域，作为其各类应用***的核心部件，频率源的研究至关重要。对于***信号源，可直接采用振荡器来获取本振信号，但当工作频率达到毫米波频段时，高频下电感的低品质因数会降低振荡器的相位噪声；因此，通常由倍频器结合较低频率的振荡器的方法获得毫米波信号源，而不是直接采用振荡器。并且，可通过选取适当的倍频器结构，来进一步提高信号源的输出功率、稳定性等性能。

目前国内外已掌握多种获取四倍频分量的方法，包括基于吉尔伯特混频原理的二倍频、push-push技术、晶体管非线性原理和线性叠加原理等等。

提高四倍频器的带宽、转换增益和输出功率，简化电路并降低功耗，已成为高性能毫米波信号源设计中的关键问题。

发明内容

基于上述需求，本发明提出了一种高转换增益毫米波宽带四倍频器，实现了在较宽频带内，在较低功耗与简化电路的前提下，提高四倍频器的转换增益和输出功率，以达到高性能毫米波源的设计要求，具有较好的应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明高转换增益毫米波宽带四倍频器，包括双推式平衡二倍频结构、缓冲级结构、无源巴伦结构、跨导增强型双推式二倍频结构；

所述双推式平衡二倍频结构包括一号场效应管和二号场效应管，所述一号场效应管和二号场效应管的源极均接地，所述一号场效应管和二号场效应管的栅极之间输入一组差分输入信号，且所述一号场效应管和二号场效应管的栅极均输入一号偏置电压，所述一号场效应管和二号场效应管的漏极均经一号电感连接电压源；

所述缓冲级结构包括三号场效应管，所述三号场效应管的源极接地，所述三号场效应管的栅极经一号电容连接一号场效应管和二号场效应管的漏极，所述三号场效应管的漏极依次经二号电感和三号电感连接电压源；

所述无源巴伦结构输入端经二号电容、二号电感连接至三号场效应管漏极，输出端与跨导增强型双推式二倍频结构连接，将单端信号转为差分信号，以驱动下一级电路结构；

所述跨导增强型双推式二倍频结构包括四号场效应管和五号场效应管，所述四号场效应管和五号场效应管的源极分别经五号电感和八号电感接地，且所述四号场效应管源极连接五号场效应管栅极，所述五号场效应管源极连接四号场效应管栅极，所述四号场效应管和五号场效应的漏极均经六号电感连接电压源，且所述四号场效应管和五号场效应的漏极均经七号电感连接四号电容；所述四号场效应管和五号场效应管的栅极均连接无源巴伦结构输出端。

所述无源巴伦结构包括三号电容和九号电感，所述三号电容一端与二号电容连接，另一端与五号场效应管栅极连接，所述九号电感一端分别连接四号场效应管栅极、经四号电感连接二号电容、经五号电容接地，另一端分别接地、经十号电感连接五号场效应管栅极、经六号电容接地。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明采用分级倍频的方式实现四倍频以提高转换增益，并通过在级间添加buffer放大器，进一步提高了增益与输出功率。

(2)本发明与分布式耦合器相比，该设计所采用的集总式180°混合耦合器面积更小，损耗更小。

(3)本发明采用幅度纠正的gm-boosted push push结构，既能增大转换增益，又能纠正前级电路引入的幅度误差，继而提高倍频器的谐波抑制性能。

(4)本发明拓扑结构简单，便于集成化。

附图说明

图1是本发明高转换增益毫米波宽带四倍频器的电路结构示意图。

附图标记：Q₁一号场效应管，Q₂二号场效应管，Q₃三号场效应管，Q₄四号场效应管，Q₅五号场效应管，L₁一号电感，L₂二号电感，L₃三号电感，L₄四号电感，L₅五号电感，L₆六号电感，L₇七号电感，L₈八号电感，L₉九号电感，L₁₀十号电感，C₁一号电容，C₂二号电容，C₃三号电容，C₄四号电容，C₅五号电容，C₆六号电容，V_DD电压源，V_G1一号偏置电压，V_G2二号偏置电压，V_G3三号偏置电压。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明提出了一种高转换增益毫米波宽带四倍频器。该四倍频器采用倍频-放大-再倍频的结构。第一级二倍频器采用传统的双推式平衡二倍频结构，依赖于晶体管非线性产生谐波分量，再通过负载端电感电容(LC)网络，滤除掉其他谐波分量，筛选出所需的二次谐波分量；之后通过缓冲放大器增大倍频器的转换增益和输出功率，考虑到电路的直流功耗与增益之间的折中，选取最适合的缓冲级结构；根据公式选取合适大小的无源电感电容元件，设计集总式180°混合耦合器，实现单端信号转为差分信号；第二级倍频器采用幅度纠正的跨导增强型双推式结构，既能增大转换增益，又能纠正前一级耦合器引入的幅度误差，继而提高倍频器的谐波抑制性能。

如图1所示，本发明高转换增益毫米波宽带四倍频器，包括双推式平衡二倍频结构、缓冲级结构、无源巴伦结构、跨导增强型双推式二倍频结构四个部分。

第一部分为传统双推式平衡二倍频结构，依赖于晶体管非线性产生谐波分量，也称为全波整流器，每个场效应管起到半波整流作用，在共模点M即可视为全波整流。平衡式差分信号输入的拓扑结构，增大了输入信号的功率；便于与前端的差分振荡器集成在一起，而不依赖于巴伦或变压器等结构，简化了电路；同时能够起到宽带基波抑制的功能，且不需要在输出端添加额外的谐振结构或滤波网络来抑制基波，节省了面积，进一步简化电路。

所述双推式平衡二倍频结构包括一号场效应管Q₁和二号场效应管Q₂，所述一号场效应管Q₁和二号场效应管Q₂的源极均接地，所述一号场效应管Q₁和二号场效应管Q₂的栅极之间输入一组差分输入信号V₁(0°)、V₂(180°)，且所述一号场效应管Q₁和二号场效应管Q₂的栅极均输入一号偏置电压V_G1，所述一号场效应管Q₁和二号场效应管Q₂的漏极均经一号电感L₁连接电压源V_DD。所述双推式平衡二倍频结构将一号场效应管Q₁与二号场效应管Q₂偏置在阈值电压附近，起到半波整流作用，继而在电路共模点M对奇次谐波进行抑制，输出二次谐波。一号电感L₁起到射频扼流作用，一号电容C₁用于隔绝直流电平信号。

第二部分为缓冲级，作为共源放大器，对输入信号进行放大。在缓冲级的设计中，需要合理选择晶体管管偏置，以获得较大的输出功率和增益，同时，还要考虑到缓冲级所引入的功耗问题。因此，需要在不同结构的增益与功耗之间进行折中，最终选取了单管共源放大器作为缓冲级,提高了倍频器的转换增益，同时由于结构简单，减小了功耗与面积。

所述缓冲级结构包括三号场效应管Q₃，所述三号场效应管Q₃的源极接地，所述三号场效应管Q₃的栅极经一号电容C₁连接一号场效应管Q₁和二号场效应管Q₂的漏极，所述三号场效应管Q₃的漏极依次经二号电感L₂和三号电感L₃连接电压源V_DD。其中，三号场效应管Q₃作为共源放大器，对输入信号进行放大，以增大倍频器的倍频增益与输出功率性能。三号电感L₃起到射频扼流作用，防止交流输出信号被短路到地，二号电感L₂与二号电容C₂构成L型输出匹配网络。

第三部分采用集总180°混合耦合器作为无源巴伦，与分布式耦合器相比，这种巴伦结构面积更小。通过下列公式(1)可以计算出所需电感和电容值。

其中，L为巴伦中所采用的电感值，C为采用电容值，Z₀为***的特性阻抗。例如，当阻抗Z₀为50Ω，频率为60GHz时，计算得L＝187pH，C＝37fF。

通过对无源巴伦仿真，可观察到输出差分端口之间存在一定程度的幅度不平衡。当频率偏离中心频率时，幅度不平衡程度越来越大，这会影响到下一级倍频结构的转换增益与谐波抑制性能。

所述无源巴伦结构输入端经二号电容C₂、二号电感L₂连接至三号场效应管Q₃漏极，输出端与跨导增强型双推式二倍频结构连接，将单端信号转为差分信号，以驱动下一级电路结构。具体地，所述无源巴伦结构包括三号电容C₃和九号电感L₉，所述三号电容C₃一端与二号电容C₂连接，另一端与五号场效应管Q₅栅极连接，所述九号电感L₉一端分别连接四号场效应管Q₄栅极、经四号电感L₄连接二号电容C₂、经五号电容C₅接地，另一端分别接地、经十号电感L₁₀连接五号场效应管Q₅栅极、经六号电容C₆接地。其中，C₅＝C₆＝2C₃，L₉＝L₁₀＝L₄。

第四部分采用跨导增强型双推式二倍频结构。传统双推式平衡结构由差分信号分别驱动一对晶体管的栅极，当差分信号的幅度不平衡时，在双推式结构的共模处会产生一个较大的基波信号，影响倍频器的基波抑制性能。而采用幅度纠正技术的跨导增强型双推式二倍频结构，改变了信号驱动的方式，每一个晶体管栅极被输入信号驱动，且源极被反相信号驱动，这样相比于传统的双推式结构，可将幅度的不平衡同时分配到两个场效应管中，减小了输出信号中基波分量的功率大小，提高了基波抑制；同时，该驱动方式增大了输入信号Vgs的摆幅，提高了输入信号的功率，可获得更大的转换增益。

所述跨导增强型双推式二倍频结构包括四号场效应管Q₄和五号场效应管Q₅，所述四号场效应管Q₄和五号场效应管Q₅的源极分别经五号电感L₅和八号电感L₈接地，且所述四号场效应管Q₄源极连接五号场效应管Q₅栅极，所述五号场效应管Q₅源极连接四号场效应管Q₄栅极，所述四号场效应管Q₄和五号场效应Q₅的漏极均经六号电感L₆连接电压源V_DD，且所述四号场效应管Q₄和五号场效应管Q₅的漏极均经七号电感L₇连接四号电容C₄。所述四号场效应管Q₄和五号场效应管Q₅的栅极均连接无源巴伦结构输出端。其中，L₅＝L₈。

所述跨导增强型双推式二倍频结构通过改变差分信号的驱动方式，采用交叉式驱动，增大了输入摆幅，继而增大转换增益，同时可将输入信号中的幅度不平衡同时分配到四号场效应管Q₄和五号场效应管Q₅中，继而减小输出信号中基波分量的功率大小，提高了基波抑制。电感L₅形成直流回路，同时防止交流输入信号被短路到地，六号电感L₆起到射频扼流作用，七号电感L₇与四号电容C₄对四倍频信号进行输出。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种高转换增益毫米波宽带四倍频器，其特征在于，包括双推式平衡二倍频结构、缓冲级结构、无源巴伦结构、跨导增强型双推式二倍频结构；

所述双推式平衡二倍频结构包括一号场效应管(Q₁)和二号场效应管(Q₂)，所述一号场效应管(Q₁)和二号场效应管(Q₂)的源极均接地，所述一号场效应管(Q₁)和二号场效应管(Q₂)的栅极之间输入一组差分输入信号，且所述一号场效应管(Q₁)和二号场效应管(Q₂)的栅极均输入一号偏置电压(V_G1)，所述一号场效应管(Q₁)和二号场效应管(Q₂)的漏极均经一号电感(L₁)连接电压源(V_DD)；

所述缓冲级结构包括三号场效应管(Q₃)，所述三号场效应管(Q₃)的源极接地，所述三号场效应管(Q₃)的栅极经一号电容(C₁)连接一号场效应管(Q₁)和二号场效应管(Q₂)的漏极，所述三号场效应管(Q₃)的漏极依次经二号电感(L₂)和三号电感(L₃)连接电压源(V_DD)；

所述无源巴伦结构输入端经二号电容(C₂)、二号电感(L₂)连接至三号场效应管(Q₃)漏极，输出端与跨导增强型双推式二倍频结构连接，将单端信号转为差分信号，以驱动下一级电路结构；

所述跨导增强型双推式二倍频结构包括四号场效应管(Q₄)和五号场效应管(Q₅)，所述四号场效应管(Q₄)和五号场效应管(Q₅)的源极分别经五号电感(L₅)和八号电感(L₈)接地，且所述四号场效应管(Q₄)源极连接五号场效应管(Q₅)栅极，所述五号场效应管(Q₅)源极连接四号场效应管(Q₄)栅极，所述四号场效应管(Q₄)和五号场效应(Q₅)的漏极均经六号电感(L₆)连接电压源(V_DD)，且所述四号场效应管(Q₄)和五号场效应管(Q₅)的漏极均经七号电感(L₇)连接四号电容(C₄)；所述四号场效应管(Q₄)和五号场效应管(Q₅)的栅极均连接无源巴伦结构输出端。

2.根据权利要求1所述的高转换增益毫米波宽带四倍频器，其特征在于，所述无源巴伦结构包括三号电容(C₃)和九号电感(L₉)，所述三号电容(C₃)一端与二号电容(C₂)连接，另一端与五号场效应管(Q₅)栅极连接，所述九号电感(L₉)一端分别连接四号场效应管(Q₄)栅极、经四号电感(L₄)连接二号电容(C₂)、经五号电容(C₅)接地，另一端分别接地、经十号电感(L₁₀)连接五号场效应管(Q₅)栅极、经六号电容(C₆)接地。

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