CN112688642A - 一种基于非对称三线耦合器的毫米波宽带混频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非对称三线耦合器的毫米波宽带混频器，包括非对称三线耦合器结构、反向并联接地二极管对结构、低通滤波器等。所述非对称三线耦合器结构、反向并联接地二极管对结构和低通滤波器依次连接；所述非对称三线耦合器结构由三根平行耦合的微带传输线组成，射频输入信号连接第一传输线的左侧端，本振输入信号连接第三传输线的右侧端，第二传输线的右侧端连接反向并联接地二极管对结构的另一端，再连接低通滤波器至中频输出。本发明中混频器电路增强了本振输入与二极管对结构之间的信号耦合，改善了混频效率，扩展了混频器工作带宽。
Description
技术领域
本发明涉及微波及毫米波电路中的混频器，具体涉及基于集成电路工艺实现单片集成的混频器电路，设计结构简单，可将宽带的毫米波信号转换至中频。
背景技术
随着高速数据通信以及云计算服务的高速发展，现有的无线通信***难以满足越来越高的业务需求。为了提高通信容量，向更高的频段扩展已成为必然趋势。毫米波频段(30～300GHz)具有丰富的带宽资源，可以实现高速率的数据传输，在第五代以及下一代无线通信中有着广泛的应用前景。
混频器是毫米波前端收发***中的关键模块之一，实现中频信号与毫米波信号的频率转换。在毫米波频段，高频率高输出功率的本振信号源难以实现，此时利用本振信号频率的谐波分量进行混频，从而为降低高频率高输出功率本振信号源的设计提供了一种选择。因此，宽带的谐波混频器是实现毫米波频段宽带通信***中的重要模块之一。
谐波混频器需要处理包含射频、本振和中频等三种不同频率的信号，同时电路非线性工作中还会产生各种谐波和互调信号等，使得高性能的谐波混频器电路结构和设计变得比较复杂。而在毫米波频段，信号的传输损耗和结构之间的干扰耦合比较敏感，因此，设计者在电路设计中通常都希望尽量采用简单的结构来实现电路的有效工作，以便减少器件连接带来的损耗和耦合等，实现尽可能高的电路性能。
发明内容
本发明的目的是为毫米波通信***中的宽带毫米波信号接收问题，同时简化混频器的设计并优化电路性能，而提出一种基于非对称三线耦合器的毫米波宽带混频器。
本发明为解决上述技术问题所采用的方案：
一种基于非对称三线耦合器的毫米波宽带混频器，包括非对称三线耦合器结构、反向并联接地二极管对结构、低通滤波器等。毫米波宽带混频器采用集成电路工艺实现单片集成。
所述非对称三线耦合器结构、反向并联接地二极管对结构和低通滤波器依次连接；所述反向并联接地二极管对结构由两个二极管反向并联而成，其中一端接地；所述非对称三线耦合器结构由三根平行耦合的微带传输线组成，射频输入信号连接第一传输线的左侧端，第一传输线的右侧端开路；第三传输线左侧端连接一个接地的电阻，第三传输线的右侧端连接一个串联的传输线，再连接至本振输入；第二传输线的左侧端开路，第二传输线的右侧端连接反向并联接地二极管对结构的另一端，再连接低通滤波器至中频输出。
作为优选，所述非对称三线耦合器由集成电路工艺的顶层金属线平行耦合构成，第一传输线长度小于第二传输线长度，第二传输线长度等于第三传输线长度。
作为优选，所述的非对称三线耦合器的第一传输线的宽度等于第二传输线的宽度，第二传输线的宽度小于第三传输线的宽度。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明采用非对称三线耦合器结构增强了本振输入与二极管对结构之间的信号耦合，改善了混频效率，扩展了混频器工作带宽；
2、本发明采用非对称三线耦合器匹配的方式，直接实现了直流隔离功能，省去了隔直电容的使用，简化了混频器的匹配结构并优化了电路性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例的非对称三线耦合器结构示意图；
图3为本发明实施例的混频器转换损耗仿真结果；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
如图1所示，一种基于非对称三线耦合器的毫米波宽带混频器，包括非对称三线耦合器结构、反向并联接地二极管对结构、低通滤波器等。毫米波宽带混频器采用集成电路工艺实现单片集成。
所述非对称三线耦合器结构、反向并联接地二极管对结构和低通滤波器依次连接；所述反向并联接地二极管对结构由两个二极管D1和D2反向并联而成，其中一端接地；所述非对称三线耦合器结构由三根平行耦合的微带传输线组成，射频输入信号RF连接第一传输线的左侧端，第一传输线的右侧端开路；第三传输线左侧端连接一个接地的电阻R，第三传输线的右侧端连接一个串联的传输线L1，再连接至本振输入LO；第二传输线的左侧端开路，第二传输线的右侧端连接反向并联接地二极管对结构的另一端，再连接低通滤波器至中频输出IF。
所述非对称三线耦合器由集成电路工艺的顶层金属线平行耦合构成，第一传输线长度小于第二传输线长度，第二传输线长度等于第三传输线长度。
以D波段毫米波宽带混频器电路为例对本发明进行描述。
混频器采用反向并联二极管对结构，实现二次谐波混频，即输出为射频和两倍本振信号的混频分量。同时，采用反向并联接地二极管对结构作为混频核心还能够直接实现直流接地回路，减小电路的面积。实施例中混频器电路的射频RF输入为115～170GHz，本振LO输入为射频频率的一半，中频IF输出为DC～5GHz。
实施例中混频器电路基于GaAs HEMT工艺实现，二极管由HEMT器件构成。为保持平衡对称，二极管D1和D2采用同样的尺寸参数，其栅长为3um，栅宽为26μm(包含2个叉指，每个叉指长13μm)。
实施例中非对称三线耦合器采用三根平行耦合的微带传输线结构，其结构如图2所示。其中，传输线采用了所用工艺的顶层金属(厚度为1.25μm)，三根微带线长度分别为190μm、300μm和300μm，宽度分别为10μm、10μm和20μm，线间距均为3μm。
实施例非对称三线耦合器中第三传输线左侧端连接一个接地的电阻R为100欧姆，第三传输线的右侧端连接一个串联的传输线L1。该开路传输线为共面波导传输线结构，其中信号线长度和宽度分别为70μm和20μm，信号线与两侧地平面之间的线间距为42.5μm。
实施例中的低通滤波器由一根串联传输线、一根并联开路传输线和一个并联接地电容组成。其中，串联传输线为共面波导传输线结构，其中信号线长度和宽度分别为90μm和30μm，信号线与两侧地平面之间的线间距为48.5μm；并联开路传输线为共面波导传输线结构，其中信号线长度和宽度分别为260μm和16μm，信号线与两侧地平面之间的线间距为12μm；并联接地电容为175fF。
如图3所示，采用工艺线提供的二极管模型，并经过全电路的电磁场仿真和优化，该混频器在本振LO功率为14dBm时，可以对输入信号为115～170GHz的毫米波信号进行下混频变换，转换损耗为-15.8～-18.8dB，3dB带宽接近40％，工作频段范围内本振至射频(LO-RF)隔离度和本振至中频(LO-IF)隔离度均大于15dB。
以上内容是结合具体的实施案例对本发明作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所述技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，对本发明的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下，进行的等效变换或替代，也落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于非对称三线耦合器的毫米波宽带混频器，包括非对称三线耦合器结构、反向并联接地二极管对结构、低通滤波器；
其特征在于：所述非对称三线耦合器结构、反向并联接地二极管对结构和低通滤波器依次连接；所述反向并联接地二极管对结构由两个二极管反向并联而成，其中一端接地；所述非对称三线耦合器结构由三根平行耦合的微带传输线组成，射频输入信号连接第一传输线的左侧端，第一传输线的右侧端开路；第三传输线左侧端连接一个接地的电阻，第三传输线的右侧端连接一个串联的传输线，再连接至本振输入；第二传输线的左侧端开路，第二传输线的右侧端连接反向并联接地二极管对结构的另一端，再连接低通滤波器至中频输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于非对称三线耦合器的毫米波宽带混频器，其特征在于：所述非对称三线耦合器由集成电路工艺的顶层金属线平行耦合构成，第一传输线长度小于第二传输线长度，第二传输线长度等于第三传输线长度，三根传输线的线间距相等。
3.根据权利要求1所述的一种基于非对称三线耦合器的毫米波宽带混频器，其特征在于：所述的非对称三线耦合器的第一传输线的宽度等于第二传输线的宽度，第二传输线的宽度小于第三传输线的宽度。
4.根据权利要求1所述的一种基于非对称三线耦合器的毫米波宽带混频器，其特征在于：所述的混频器采用集成电路工艺实现单片集成。
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