CN101789801A - 基于fbar的零中频接收机及无线通信收发机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FBAR的零中频接收机及无线通信收发机。接收机(100)包括天线(101)、FBAR双工器(102)和低噪声放大器LNA(103)，低噪声放大器LNA的输出一分为二分别与同相信号路径I和正交信号路径Q中下变频器(104)的射频输入端相连，本地振荡器(109)与同相信号路径I中下变频器(104)连接，并通过90°相移装置(108)与正交信号路径Q中下变频器(104)连接，同相信号路径I和正交信号路径Q还包括下变频器(104)及变压器(105)、低通滤波器(106)、可变增益放大器(107)。无线通信收发机包括基于FBAR的零中频接收机(100)和发射机(116)。
Description
技术领域
本发明涉及一种零中频接收机及无线通信收发机，属于射频无线零中频接收机集成电路技术领域。
背景技术
近几年，随着无线通信和半导体技术的发展，3G、无线局域网(WLNA)、CDMA、W-CDMA、蓝牙(Bluetooth)等技术不断涌现出来。由于射频接收机位于无线通信的最前端，其结构和性能的好坏直接影响到整个通信系统，因此对用于这些通信技术的射频接收机也相应提出了更高的要求。在实际应用中主要有两种类型的接收机：超外差接收机和零中频接收机。
超外差接收机主要是通过下变频器将信号频率和本振频率混频为频率固定的中频信号。该结构具有选择性好，抗干扰能力强等优点，被普遍认为是最可靠的接收机拓扑结构。但其最大的缺点是存在寄生通道干扰，以镜像频率信号的干扰最为严重，为了消除这些干扰，使得对滤波器的选择增加了一定的难度。与之相比，零中频接收机中本振频率等于信号频率，即中频信号为零，就不存在镜像频率，也就不会有镜像频率干扰。但是零中频接收机方案也存在一些很难解决的问题，如直流偏差，其是零中频接收机特有的一种干扰，它主要由于信号的自混频引起的。如泄露的本振信号从天线又回到低噪声放大器，进入下变频器的射频口，其和本振口的本振信号经自混频变为零频率，即为直流；同样，进入低噪声放大器的强干扰信号也会由于下变频器的各端口隔离性能不好而漏入本振口，反过来和射频口来的强干扰经混频，差拍为直流。这些直流偏差叠加在基带信号上，使接收机信噪比变差，同时还可能使混频器后的各级放大器饱和，无法放大有用信号。
同时，绝大部分无线通信技术都应用于手持终端产品或便携式产品，这就要求射频接收机趋于低功耗和小型化设计。而最近几年发展起来的薄膜体声波谐振器技术，由于其高的工作频率、高Q值、优良的滤波特性、低的温度系数、小体积，且与当前半导体工艺兼容等特性，使得其被广泛应用于收发机射频前端电路的设计，如由FBAR器件组成的滤波器和包含有FBAR器件的压控振荡器。
王振华等人在“低功耗的接收机前端”的中国专利申请(申请号：200480012038.5；公开日：2006.06.07)中公开了一种降低接收机功耗的方法，其主要是通过降低本地振荡器信号的频率，使其比输入信号的频率低至少三倍，再利用其三次以上谐波与输入信号进行混频，产生零中频信号。该种方案使得接收机的功耗降低，同时还有效地减少了自混频的发生，但存在的缺点是由于混频过程中本振信号由三次等谐波取代基波，从而使混频器的转换增益和噪声性能均有所下降。
针对零中频接收机中存在的直流偏差问题，传统的方法是采用电容器隔直流的方法耦合到基带放大器，以此消除直流偏差的干扰，但该方案对于在直流附近集中了较大能量的基带信号会增加一定的误码率，是不太合适的。另外，许奇明等人在“一种解决零中频接收机直流漂移的方法及其电路”的中国专利申请(申请号：200510136595.4；公开日：2007.07.04)中提出在接收机的混频器运用模拟反馈的原理实现对直流漂移的抑制，结构框如图1所示，包括一个零中频直接下变频的混频器，一个带电容倍增的差模模拟反馈网络，一个模拟共模反馈网络。其缺点是对于整个接收机而言会增加额外的电路功耗，一定程度上也会降低线性度，影响接收机的增益和噪声。
因此，针对基于FBAR的零中频接收机，需要提供一种能减少接收机功耗而不影响接收机性能的方案，同时还需要一种简单有效且能连续消除直流偏差的电路。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种基于FBAR的零中频接收机及无线通信收发机，以克服现有技术存在的接收机功耗大、直流偏差大的不足。
本发明的基于FBAR的零中频接收机，采用以下技术方案：它包含：
依次连接的天线、FBAR双工器和低噪声放大器LNA，低噪声放大器LNA的输出通过一分为二分别与同相信号路径I和正交信号路径Q中下变频器的射频输入端相连，本地振荡器与同相信号路径I中下变频器(104)连接，并通过90°相移装置与正交信号路径Q中下变频器连接，通过该连接使本地振荡器产生的本振信号LO被加到包括在同相信号路径I中下变频器的本振输入端，并通过90°相移装置加到包括在正交信号路径Q中下变频器的本振输入端；同相信号路径I和正交信号路径Q还包括下变频器后依次连接的变压器、低通滤波器、可变增益放大器。
所述的FBAR双工器由四个以上的薄膜体声波谐振器FBAR器件(即，Thin Film BulkAcoustic Resonator，FBAR)组成。
所述的本地振荡器包括依次连接的参考信号源、鉴相器、分频器、环路滤波器、压控振荡器VCO和可变倍频器。
所述的零中频接收机中双工器由薄膜体声波谐振器FBAR器件组成、压控振荡器包含有FBAR器件，由于FBAR拥有高Q值、低插入损耗、体积小等优点，从而使得基于FBAR的零中频接收机实现小型化和高性能设计。
每一路径中下变频器后接变压器，消除叠加在下变频器输出的基带信号中的直流偏差，并且对基带信号不起到抑制的作用；且所述变压器的初级线圈电感作为下变频器输出负载的一部分。
变压器可以是单一的变压器，也可以是由两个以上的变压器构成变压器组。
本地振荡器包含了可变倍频器，以降低压控振荡器VCO、分频器等工作频率，实现低功耗设计；且所述可变倍频器的输出频率fLO为输入频率fLO1的M倍，其中M为可调值，且M为大于1的正整数。
本发明的无线通信收发机，包括所述的基于FBAR的零中频接收机和发射机；用来进行数据通信。
通过以上技术方案可以看出，本发明提供的基于FBAR的零中频接收机，包含下变频器和低通滤波器之间的变压器，其位于下变频器之后用来消除叠加在下变频器输出的基带信号中的直流偏差，并且对基带信号不起到抑制的作用，能很好地被耦合到基带可变增益放大器，从而实现了用简单有效且能连续消除直流偏差的目的。其中，所述下变频器的部分输出负载由变压器的初级线圈电感组成，同时为了减小变压器的面积，可以采用片上集成变压器。与此同时，可适当调节变压器初、次级绕组的匝数比和电感值来完成其前后级的阻抗匹配。
本发明提供的基于FBAR的零中频接收机，该接收机中本地振荡器包含依次连接的参考信号源、鉴相器、分频器、环路滤波器、压控振荡器VCO和可变倍频器。其中可变倍频器位于压控振荡器VCO之后，用来减低压控振荡器VCO和分频器等工作频率，从而降低其功耗。
附图说明
图1是申请号：200510136595.4的一种解决零中频接收机直流漂移的电路框图。
图2是本发明的基于FBAR的零中频接收机结构图。
图3A是交叉型平面片上集成变压器的俯视图。
图3B是交叉型平面片上集成变压器的剖视图。
图4是变压器和下变频器及低通滤波器LPF的连接方式示意图。
图5是本发明中零中频接收机的本地振荡器示意图。
图6是由FBAR器件组成的双工器的接收部分结构图。
图7是包含有FBAR器件的压控振荡器VCO的电路结构图。
图8是零中频接收机系统增益仿真结果示意图。
图9是零中频接收机系统预算增益仿真结果示意图。
图10是零中频接收机输入和输出信号功率谱示意图。
具体实施方式
本发明的实施例：本发明如图2所示意。基于FBAR的零中频接收机100包括依次连接的天线101、FBAR双工器102和低噪声放大器LNA103，低噪声放大器LNA103的输出通过一分为二分别与同相信号路径I和正交信号路径Q中下变频器104的射频输入端相连，本地振荡器109与同相信号路径I中下变频器104连接，并通过90°相移装置108与正交信号路径Q中下变频器104连接，即本地振荡器109产生的本振信号LO被加到包括在同相信号路径I中下变频器104的本振输入端，并通过90°相移装置108加到包括在正交信号路径Q中下变频器104的本振输入端；每一信号路径还包括下变频器104后依次连接的变压器105、低通滤波器106、可变增益放大器107。其中，本地振荡器109包括依次连接的参考信号源110、鉴相器111、分频器114、环路滤波器112、FBAR压控振荡器VCO113和可变倍频器115。该零中频接收机具有较低的功耗，以及能很好地消除由于本振信号引起的直流偏差的影响。
在该接收机射频前端电路中的双工器102由FBAR器件组成、压控振荡器VCO113包含有FBAR器件，其主要目的是为了在提高性能的同时实现小型化设计。与传统的陶瓷和声表面技术相比，由FBAR器件组成的滤波器或双工器具有工作频率高、温度系数小、功率容量大、插入损耗低、体积小、且与半导体Si工艺兼容等优点；同时由于FBAR具有较高的Q值，使得包含有FBAR器件的压控振荡器具有高的稳定性，低的相位噪声和功耗等优点。
发射机116和前述的基于FBAR的零中频接收机100组成无线通信收发机。
为了消除零偏差干扰，本发明中在下变频器和低通滤波器之间增加了变压器105，将基带信号耦合到后级的同时抑制了直流偏差的干扰。为了减小变压器的面积以及实现集成化，可以使用片上集成变压器。由于片上集成变压器是无源器件，在理想情况下不引入噪声，即使考虑本身寄生参数的影响，噪声贡献也将非常小，同时还可以获得非常高的线性度。本发明中使用交叉型片面集成变压器，其结构如俯视图3A和剖视图3B所示，其中11和12为互相耦合的两个金属绕组，13为金属与衬底之间的氧化物介质层，14为衬底，15为底部金属。通过调节线匝的宽度w和间距s可以改变耦合金属绕组之间的耦合。
图4表明了变压器105与下变频器104及低通滤波器106的连接方式。变压器105可以采用单一的变压器，也可以采用由两个以上的变压器构成的变压器组。图4中由于采用双平衡输入输出，所以变压器105由变压器117和变压器118组成。变压器117和变压器118是两个相同的变压器。下变频器104与变压器117和变压器118的初级线圈连接，变压器117和变压器118的次级线圈与低通滤波器106连接。下变频器104包括跨导级、开关级及负载级，其中下变频
荡器的频率。同时在本发明中可变倍频器115的值可选择为M＝4。零中频接收机100的系统仿真结果如图8～图10所示，其中图8为零中频接收机系统增益仿真结果示意图，从系统增益曲线130可以看出中心频率2140MHz处的增益为96.699dB左右；图9为零中频接收机系统预算增益仿真结果示意图，从系统预算增益曲线140可以看出系统总增益在系统各个部分中的分配情况；图10为零中频接收机输入和输出信号功率谱示意图，射频信号的频谱从2140MHz的载频被搬移到了零中频，如输入信号功率谱曲线150和输出信号功率谱曲线151。
Claims (10)
1.一种基于FBAR的零中频接收机，包含：依次连接的天线(101)、FBAR双工器(102)和低噪声放大器LNA(103)，低噪声放大器LNA(103)的输出分别与同相信号路径I和正交信号路径Q中下变频器(104)的射频输入端相连，本地振荡器(109)与同相信号路径I中下变频器(104)连接，并通过90°相移装置(108)与正交信号路径Q中下变频器(104)连接；同相信号路径I和正交信号路径Q还包括下变频器(104)后依次连接的变压器(105)、低通滤波器(106)、可变增益放大器(107)。
2.根据权利要求1所述的基于FBAR的零中频接收机，其特征在于：所述的FBAR双工器(102)由四个以上的薄膜体声波谐振器FBAR器件组成。
3.根据权利要求1所述的基于FBAR的零中频接收机，其特征在于：本地振荡器(109)包括依次连接的参考信号源(110)、鉴相器(111)、分频器(114)、环路滤波器(112)、压控振荡器VCO(113)和可变倍频器(115)。
4.根据权利要求3所述的基于FBAR的零中频接收机，其特征在于：所述的压控振荡器VCO(113)包含有薄膜体声波谐振器FBAR器件。
5.根据权利要求3所述的基于FBAR的零中频接收机，其特征在于：所述可变倍频器(115)的输出频率fLO为输入频率fLO1的M倍，其中M为可调值，且M为大于1的正整数。
6.根据权利要求1所述的基于FBAR的零中频接收机，其特征在于：变压器(105)采用交叉型平面片上集成结构，即在衬底(14)下面有底部金属(15)，在衬底(14)上面有金属与衬底之间的氧化物介质层(13)，在金属与衬底之间的氧化物介质层(13)上面有互相耦合的两个金属绕组。
7.根据权利要求1所述的基于FBAR的零中频接收机，其特征在于：变压器(105)为单一的变压器，或者由两个以上的变压器构成变压器组。
8.根据权利要求7所述的基于FBAR的零中频接收机，其特征在于：变压器(105)由变压器(117)和变压器(118)组成。
9.根据权利要求8所述的基于FBAR的零中频接收机，其特征在于：变压器(105)与下变频器(104)及低通滤波器(106)的连接方式为：下变频器(104)与变压器(117)和变压器(118)的初级线圈连接，变压器(117)和变压器(118)的次级线圈与低通滤波器106连接。
10.一种无线通信收发机，其特征在于：它包括发射机(116)和权利要求1～9中任一权利要求所述的基于FBAR的零中频接收机(100)。
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