CN102710219A

CN102710219A - 一种无源三平衡变频器

Info

Publication number: CN102710219A
Application number: CN2012101642139A
Authority: CN
Inventors: 姜鑫
Original assignee: Individual
Current assignee: Nanjing Milewei Microelectronics Technology Co ltd
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: CN102710219B

Abstract

一种无源三平衡变频器，设有一个由四个二极管之间阴极与阳极依次首尾相连的闭合环路以及本振、输入及输出三个信号转化巴伦，本振巴伦和输入巴伦均设有一个输入端、两个相同幅度但相位相反的平衡差分信号输出端以及一个同相信号输出端。输出巴伦设有两个相同幅度但相位相反的平衡差分信号输入端及一个输出端；四个二极管闭合环路中，其中的两个对角线点分别连接本振巴伦的两个平衡差分信号输出端，另外两个对角线点分别连接输入巴伦的两个平衡差分信号输出端，本振巴伦的同相信号输出端及输入巴伦的同相信号输出端分别连接输出巴伦平衡差分信号的两个输入端。

Description

一种无源三平衡变频器

技术领域

本发明涉及射频微波毫米波系统的无源变频器，尤其涉及一种无源三平衡变频器，可以实现任意设定频段之间的频率转化。

背景技术

无源变频器在射频微波毫米波系统中得到了大量的应用，它是收发信机系统的关键部件，一般用来实现数字/模拟基频电路的中频频率信号和可以被无线发射的射频微波毫米波等频段的高频信号之间的转化的重要功能。然而，随着无线通讯的飞速发展，同一款收发信机的需要的无线工作频宽日益增大，而且中频的工作频率也在提高，因此变频器进行频率转化的中频频率和无线传播频率之间的频率距离开始变小，很多系统应用的输入工作频段和输出工作频段会有重叠部分。在这类应用中，变频器的频率变换需要从原来的频差较大的高低频段之间的变换改进为可以在任意频段之间进行变频。同时，输入和输出信号之间仍需要保持足够低的变频损耗，较低的信号失真和较高的隔离度。

现有的三平衡变频器（图1）利用2个由8个二极管组成的双环路和三个巴伦（Balun)结构，其中两个巴伦各自具有两对（共四对）双平衡差分端口，通过四段相互耦合的传输线和复杂的电路布线和交叉连接驱动两个二极管环路。这种变频器设计方案由于依靠两个二极管环路实现三平衡对称的变频功能，它有以下三个难以克服的问题：1）两个二极管的相互连接需要较长的传输线路，产生较大的损耗和寄生效应，降低了二极管环路可以有效变频的工作频率范围；2）由于此设计需要用输入和本振巴伦共四对双平衡差分信号驱动两个二级环路，并且需要从一侧导出输出信号到输出巴伦。这样很难保持对称的平衡信号传输和工作条件，同时多处电路的交叉产生寄生耦合，使得三平衡工作的特性只在较低频率成立，破坏了由对称平衡工作原理产生的较高的隔离度。3）由于需要驱动两个共8个二极管组成的双环路，本振源所需的工作功率也很大，变频损耗很高。由于以上各个原因，这种方案只能实现有限度的输入输出频段重叠的无源变频。当所需要的输出频率范围的起始频率很高，并且其范围与输入频率范围有较大重叠时，该方案不能完成低损耗变频要求，而且，本振源所需的工作功率也很大。

发明内容

本发明提供一种无源三平衡变频器，可以实现任意频段（尤其是输入和输出有较大重叠的情况下）的低损耗变频，同时只需要较低的本振工作功率。

本发明采用如下技术方案：一种无源三平衡变频器，其特征在于：设有一个由四个二极管之间阴极与阳极依次首尾相连的闭合环路以及本振、输入及输出三个信号转化巴伦，本振巴伦设有四个端口：与本振信号连接的一个输入端、两个相同幅度但相位相反的平衡差分信号输出端以及一个同相信号输出端，该同相信号输出端处于两个相互对称的平衡差分信号输出端的中间位置，从而使得此端口相对于两个平衡差分信号输出端上的差分信号位于虚拟零电位，而相对于两个平衡差分信号输出端上的同相信号位于同相输出点；输入巴伦设有四个端口：与被变频信号连接的一个输入端、两个相同幅度但相位相反的平衡差分信号输出端以及一个同相信号输出端，该同相信号输出端处于两个相互对称的平衡差分信号输出端的中间位置，从而使得此端口相对于两个平衡差分信号输出端上的差分信号位于虚拟零电位，而相对于两个平衡差分信号输出端上的同相信号位于同相输出点；输出巴伦设有三个端口：分别与两个相同幅度但相位相反的平衡差分变频信号连接的输入端以及一个变频信号输出端；四个二极管闭合环路中，其中的两个对角线点分别连接本振巴伦的两个平衡差分信号输出端，另外两个对角线点分别连接输入巴伦的两个平衡差分信号输出端，本振巴伦的同相信号输出端及输入巴伦的同相信号输出端分别连接输出巴伦平衡差分变频信号的两个输入端。

所述本振巴伦及输入巴伦的结构中，初级线圈的一端为输入端，该输入端通过电容接地，初级线圈的另一端通过电容接地，与初级线圈电磁耦合的次级线圈中心抽头接地，次级线圈的两端分别连接电容后分别作为平衡差分信号的两个输出端，平衡差分信号的两个输出端之间连接线圈，该线圈的中心抽头为同相信号输出端。

所述本振巴伦及输入巴伦的结构中，初级线圈的一端为输入端，该输入端通过电容接地，初级线圈的另一端通过电容接地，与初级线圈电磁耦合的次级线圈中心抽头接地，次级线圈的两端分别连接电感后分别作为平衡差分信号的两个输出端，平衡差分信号的两个输出端之间连接串接的两个电容，两个电容的串接点为同相信号输出端。

所述本振巴伦及输入巴伦的结构中，初级线圈的一端为输入端，另一端通过电容接地，与初级线圈电磁耦合的次级线圈中心抽头接地，次级线圈的两端分别连接平衡差分信号的两个输出端，设置于次级线圈外侧、与次级线圈电磁耦合的第二次级线圈，第二次级线圈两端接地，其中心抽头为同相信号输出端。

所述本振巴伦及输入巴伦的结构中，初级金属微带线的一端为输入端，另一端通过电容接地，与初级金属微带线电磁耦合的次级金属微带线分为两段，两段金属微带线之间的距离近端分别连接平衡差分信号的两个输出端，两段金属微带线的另外两端分别接地，设置于次级金属微带线外侧，与次级两段金属微带线分别电磁耦合的第二次级两段金属微带线，其两段金属微带线之间的距离近端分别接地，另外两端连接在一起作为同相信号输出端。

所述输出巴伦的结构中，平衡差分变频信号的一个输入端与变频信号输出端之间连接初级线圈，该线圈的中心抽头通过电感接地，变频信号输出端通过电容接地，平衡差分变频信号的另一个输入端连接与初级线圈电磁耦合的次级线圈的一端，次级线圈的另一端通过电感接地，次级线圈的中心抽头通过电容接地。

所述输出巴伦的结构中，两个平衡差分变频信号的输入端之间连接次级线圈，次级线圈中心抽头接地，与次级线圈电磁耦合的初级线圈一端为变频信号输出端，该输出端通过电容接地，初级线圈另一端通过电容接地。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及显着效果：

1）本发明在射频微波毫米波电路的设计中易于集成于现有的半导体平面制造工艺线，巴伦设计占用电路面积也非常小，结构简单，易于实现，从而可以较好的和其它电路集成。

2）变频损耗小。这主要归功于电路的构架简单，只有一个二极管环路，比现有的三平衡变频器方案少用了一半的非线性器件，同时无源部分的连接也远少于现有的三平衡变频器方案，大大减少了在无源电路中的损耗。

3）本振(LO)需要的驱动功率只有现有方案的一半。这是由于本发明只有一个二极管环路，本振(LO)需要的驱动功率只需要驱动比现有的三平衡变频器方案少一半的非线性器件，从而减少了整个系统的功率消耗。

4）杂波滤除的效果好。这是由于本发明利用二极管环路的对称性保留了三平衡的变频工作特性，同时，和其他现有的三平衡方案相比，本发明只需要驱动一个二极管环路，使得各个巴伦对称的信号输入与输出传输线很容易保持其对称性，从而使得实际电路布线时的非对称性偏差降低到最小。相对于本振对称的平衡差分端口来说，其他两个巴伦的差分端就处于本振差分信号的中间位置，也就是位于本振差分信号的虚拟零电位，这样使得本振差分信号与输入端和输出端有很高的隔离度。提高了对本振的抑制度，就可以大大提高输入信号的变频效率和质量。按照相同原理，本设计的对称结构，得以实现本振巴伦和输出巴伦的差分端口处于输入差分信号的虚拟零电位点，这样输入差分信号在输出端和本振端有很高的隔离度。同样的，输出差分信号在输入端和本振端也有很高的隔离度。这种高度的对称大大提高了隔离度和对杂波信号的抑制。

5）可实现任意输入与输出频段组合之间的低损耗转化。本发明是目前已知变频器设计方案中唯一可以实现任意频段之间的低损耗转化方案。其他常规的方案由于其复杂的电路连接和电路布版时的大量寄生效应，变频工作频率范围小，变频损耗高。而且在其他常规的三平衡方案中，由于本振，输入和输出巴伦的相互连接并未在相互的虚拟零电位点上，使得巴伦的设计和工作频率范围也相互影响，只能实现一定频段范围之间的变频，例如由较高频段到较低频段的变频，且较高频段和较低频段不能有太多重合。本发明由于其二极管环路和整个电路布局的对称性确保了变频信号的直接导出，同时三个巴伦的设计可以完全按照希望的频段相互独立设计，保证了实现任意频段之间的低损耗变频转化。

附图说明

图1是现有技术三平衡变频器的结构；

图2是本发明的结构；

图3-图6是本发明中本振巴伦及输入巴伦的实施结构；

图7、8是本发明中输出巴伦的实施结构。

具体实施方式

如图2，四个二极管D1、D2、D3、D4之间阴极与阳极依次首尾相连构成闭合环路。三个信号转化巴伦中，本振巴伦10设有四个端口：与本振信号连接的一个输入端22、两个相同幅度但相位相反的平衡差分信号输出端24a（LO+)和24b（LO-)以及一个同相信号输出端26，该同相信号输出端处于两个对称平衡差分信号输出端的中间位置，根据所需的本振频率和输出频率的情况，是相对于两个平衡差分信号输出端属于虚拟零电位的共地点MO1。输入巴伦12设有四个端口：与被变频信号连接的一个输入端18、两个相同幅度但相位相反的平衡差分信号输出端28a和28b以及一个同相信号输出端30，该同相信号输出端处于两个对称平衡差分信号输出端的中间位置，根据所需的输入频率和输出频率的情况，是相对于两个平衡差分信号输出端属于虚拟零电位的共地点MO2。输出巴伦14设有三个端口：分别与两个相同幅度但相位相反的平衡差分变频信号连接的输入端34、32以及一个变频信号输出端20；四个二极管闭合环路中，其中的两个对角线点（D4与D1连接点及 D2 与D3连接点）分别连接本振巴伦10的两个平衡差分信号输出端24a、24b，另外两个对角线点（（D3与D4连接点及 D1 与D2连接点）分别连接输入巴伦12的两个平衡差分信号输出端28a、28b。本振巴伦的同相信号输出端26及输入巴伦的同相信号输出端30分别连接输出巴伦平衡差分变频信号的两个输入端34、32。

上述本振巴伦10和输入巴伦12中，除了分别具有一个单端信号端口和两个双端平衡差分信号端口，可以实现单端不平衡信号和平衡差分信号之间的转化，还同时分别具有第四个:同相信号端口。对于本振巴伦10，输入端22将单端不平衡的本振输入信号功率变为位于端口24a和24b的平衡差分信号（相同幅度，但相反相位），端口26起到将端口24a和24b的共有信号收集出来的作用。此时的共有信号是二极管环路产生的混合信号中一个差分平衡输出口。端口26相对于双端平衡差分信号口24a 和24b的差分信号来说为开路，不影响双端口的平衡差分信号。但对于双端平衡差分信号端口上的同相位信号来说，端口26可完全导出该类同相位信号，而不使此信号传递到巴伦的单端信号口。端口26相对于双端平衡差分信号来说为开路，不影响双端口的平衡差分信号。但对于双端平衡差分信号口上的同相位信号来说，此端口可完全导出该类同相位信号，而不使此信号传递到巴伦的单端信号端口。同理，对于输入巴伦12，输入端18将单端不平衡的输入信号功率变为位于端口28a和28b的平衡差分信号（相同幅度，但相反相位），端口30起到将端口28a和28b的共有信号收集出来的作用。此时的共有信号是二极管环路产生的混合信号中另一个差分平衡输出口，而且30和26由于二极管环路的对称设计，自然形成了对称的平衡差分变频信号，从而使变频信号以平衡差分形式在输出巴伦14合成为变频后的单端输出20。变频输出端20与被变频信号输入端18功能可以互换，即20用作被变频信号输入端，18则为变频输出信号。

本发明由于设计了图2结构，采用了非线性二极管作为非线性器件，同时利用二极管环路的对称结构和特殊构建的平衡差分驱动巴伦结构，从而使二极管环路中二极管随本振大信号的交流驱动而交替打开和闭合，使输入的差分高频信号交替出现在两个巴伦的同相合成端口。两个巴伦的同相合成端口又同时连接在变频输出的巴伦平衡差分端口上，从而使二极管环路中的mf _LO ±nf _RF多个频率分量中，整数m,n之和为偶数的变频信号可以被输出巴伦的平衡差分变单端导出，整数m,n和为奇数的将为同相信号，是需要被抑制的杂散信号，可以被输出巴伦抑制。这里f _RF为输入信号频率，f _LO为输出信号频率，可根据所需输入，输出和本振频率范围和电路布版需求决定。

三个巴伦内部，包含两级相互耦合的金属导线，两级金属导线之间设有绝缘介质层，相互之间通过电磁耦合传输信号，第一金属导线为初级导体，第二金属导线为次级导体。初级导体一端与巴伦的单端信号口相连，另一端通过电容接地或者不连接器件从而保持开路或者与两个平衡差分信号口中的一个端口相连，具体选用方案由所设计的频率范围决定。一般来说，对较低频段应用，选用电容接地，而对较高频段应用选用开路，而对于工作频率范围低端需要到DC的，则选择与两个平衡差分信号口中的一个端口相连。

在初级导体另一端接地或开路的情况下，次级导体的两端与两个平衡差分信号口相连，而次级导体的中点则开路或接地；在初级导体另一端与一个平衡差分信号口相连的情况下，次级导体一端则接地而另一端则连接两个平衡差分信号口中的另一个端口。本振巴伦和输入巴伦都具有第四个同相信号端口。此同相信号端口的连接通过同时与两个平衡差分信号口以对称的方式耦合实现。此耦合连接的方式可通过以下两种方法之一实现：1）在两个平衡差分信号口之间跨接两个对称的串联的电感或电容网络，这两个串联的网络的中点作为同相信号端导出，从而使两个平衡差分信号口上的同相信号从此端口导出，但不影响两个平衡差分信号口上的差分信号； 2）平行于两个平衡差分信号口与单端不平衡输入信号口之间的两级金属导体增加第三级的金属导体，此导体距离主次级导体两端连接平衡差分端口的金属段较近，同时与次级导体之间设有绝缘介质层。第三级金属导体与前两级导体相互之间通过电磁耦合传输信号，同时第三级金属导体的靠近两个平衡差分端口的两端接地，而第三级金属导体的相对于两个平衡差分端口的中点作为同相信号端，从而使两个平衡差分信号口上的同相信号从此端口导出，但不影响两个平衡差分信号口上的差分信号。本振巴伦的同相信号口和输出巴伦的同相信号口与各自的平衡差分端口的耦合与连接可以使用相同或不同的耦合方式实现。三个巴伦的各级金属导体具体采用的连接和耦合方式则可需要根据设计要求选择。

图3 - 图6是本振巴伦和输入巴伦的实施结构，图7、8是输出巴伦的实施结构。

如图3，本振巴伦和输入巴伦结构30包含单端输入端31, 两个平衡差分端口33a和33b以及将平衡差分端口中的同相信号提取合成的同相位端口35。由于从31输入端输入的信号被转化为位于33a和33b同幅度且反相位的输出信号, 同相端35就位于输出差分信号的虚拟零相位点，从而使同相位端口与单端信号口有一定的隔离度。初级线圈为两个绕线线圈38 b串接后连接接地电容39，初级线圈的另一端为输入端31，该输入端通过电容32接地。与初级线圈电磁耦合的次级线圈为两个绕线线圈38a串接，中心抽头接地，次级线圈的两端分别连接电容36a和36b（起到匹配和选频的作用）后分别作为平衡差分信号的两个输出端33a和33b，平衡差分信号的两个输出端之间连接两串接的电感线圈37a和37b，中心抽头为同相位信号输出端35。

如图4，本振巴伦和输入巴伦结构40包含单端输入端41, 两个平衡差分端口43a和43b以及以及将平衡差分端口中的同相信号提取合成的同相位端口45。由于从41输入端输入的信号被转化为位于43a和43b同幅度且反相位的输出信号, 同相端45就位于对称输出差分信号43a和43b的虚拟零相位点，从而使同相位端口与单端信号口有一定的隔离度。初级线圈为两个绕线线圈48 b串接后连接接地电容49，初级线圈的另一端为输入端41，该输入端通过电容42接地。与初级线圈电磁耦合的次级线圈为两个绕线线圈48a串接，中心抽头接地，次级线圈的两端分别连接电感46a和46b（起到匹配和选频的作用）后分别作为平衡差分信号的两个输出端43a和43b，平衡差分信号的两个输出端之间连接两串接的电容47a和47b，两电容的串接点为同相位信号输出端45。

如图5，本振巴伦和输入巴伦结构50包含单端输入端51, 两个平衡差分端口53a和53b以及以及将平衡差分端口中的同相信号提取合成的同相位端口55。由于从51输入端输入的信号被转化为位于53a和53b同幅度且反相位的输出信号, 同相端55就位于对称输出差分信号53a和53b的虚拟零相位点，从而使同相位端口与单端信号口有一定的隔离度。初级线圈为两个绕线线圈58a 、58 b串接后连接接地电容59，初级线圈的一端为输入端51，（该输入端可通过电容或多个电容或电感组成的阻抗匹配电路后接地，图中未显示）。与初级线圈电磁耦合的次级线圈52中心抽头接地，次级线圈的两端分别连接平衡差分信号的两个输出端53a和53b，与次级线圈52电磁耦合的第二次级线圈57a和57b，其中心抽头为同相位信号输出端55，第二次级线圈两端56a和56b接地。

如图6，本振巴伦和输入巴伦结构60包含单端输入端61, 两个平衡差分端口63a和63b以及以及将平衡差分端口中的同相信号提取合成的同相位端口65。由于从61输入端输入的信号被转化为位于63a和63b同幅度且反相位的输出信号, 同相端65就位于对称输出差分信号63a和63b的虚拟零相位点，从而使同相位端口与单端信号口有一定的隔离度。初级金属微带线68a 和68b串接， 61为输入端，另一端通过电容69接地（或开路），与初级金属微带线68a 和68b相邻平行并同时电磁耦合的两段次级金属微带线之间的距离近端分别连接平衡差分信号的两个输出端63a、63b，两段金属微带线的另外两端66a 和66b分别接地（或通过电容接地），设置与次级两段金属微带线相邻平行并分别同时电磁耦合的第二次级两段金属微带线之间的距离近端62a 和62b分别接地，另外两端67a 和67b连接在一起作为同相位信号输出端65。

图7所示的输出巴伦的结构70中，平衡差分变频信号的一个输入端与变频信号输出端之间连接两段串接初级线圈，中心抽头通过电感接地，变频信号输出端可通过电容接地。平衡差分变频信号的另一个输入端连接与两段初级线圈分别同时电磁耦合的两段次级线圈的一端，次级线圈的另一端通过电感接地，次级线圈的中心抽头通过电容接地。

图8所示的输出巴伦的结构80中，两个平衡差分变频信号的输入端之间连接两段串接次级线圈，中心抽头接地，与两段次级线圈分别同时电磁耦合的两段初级线圈一端为变频信号输出端，该输出端可通过电容接地，初级线圈另一端可通过电容接地。

Claims

1.一种无源三平衡变频器，其特征在于：设有一个由四个二极管之间阴极与阳极依次首尾相连的闭合环路以及本振、输入及输出三个信号转化巴伦，本振巴伦设有四个端口：与本振信号连接的一个输入端、两个输出相同幅度但相位相反的平衡差分信号输出端以及一个同相信号输出端，该同相信号输出端处于两个相互对称的平衡差分信号输出端的中间位置，此端口相对于两个平衡差分信号输出端上的差分信号位于虚拟零电位，而相对于两个平衡差分信号输出端上的同相信号位于同相输出点；输入巴伦设有四个端口：与被变频信号连接的一个输入端、两个相同幅度但相位相反的平衡差分信号输出端以及一个同相信号输出端，该同相信号输出端处于两个相互对称的平衡差分信号输出端的中间位置，此端口相对于两个平衡差分信号输出端上的差分信号位于虚拟零电位，而相对于两个平衡差分信号输出端上的同相信号位于同相输出点；输出巴伦设有三个端口：分别与两个相同幅度但相位相反的平衡差分变频信号连接的输入端以及一个变频信号输出端；四个二极管闭合环路中，其中的两个对角线点分别连接本振巴伦的两个平衡差分信号输出端，另外两个对角线点分别连接输入巴伦的两个平衡差分信号输出端，本振巴伦的同相信号输出端及输入巴伦的同相信号输出端分别连接输出巴伦平衡差分变频信号的两个输入端。

2.根据权利要求1所述的无源三平衡变频器，其特征在于：本振巴伦及输入巴伦的结构中，初级线圈的一端为输入端，该输入端通过电容接地，初级线圈的另一端通过电容接地，与初级线圈电磁耦合的次级线圈中心抽头接地，次级线圈的两端分别连接电容后分别作为平衡差分信号的两个输出端，平衡差分信号的两个输出端之间连接线圈，该线圈的中心抽头为同相信号输出端。

3.根据权利要求1所述的无源三平衡变频器，其特征在于：本振巴伦及输入巴伦的结构中，初级线圈的一端为输入端，该输入端通过电容接地，初级线圈的另一端通过电容接地，与初级线圈电磁耦合的次级线圈中心抽头接地，次级线圈的两端分别连接电感后分别作为平衡差分信号的两个输出端，平衡差分信号的两个输出端之间连接串接的两个电容，两个电容的串接点为同相信号输出端。

4.根据权利要求1所述的无源三平衡变频器，其特征在于：本振巴伦及输入巴伦的结构中，初级线圈的一端为输入端，另一端通过电容接地，与初级线圈电磁耦合的次级线圈中心抽头接地，次级线圈的两端分别连接平衡差分信号的两个输出端，设置于次级线圈外侧、与次级线圈电磁耦合的第二次级线圈，第二次级线圈两端接地，其中心抽头为同相信号输出端。

5.根据权利要求1所述的无源三平衡变频器，其特征在于：本振巴伦及输入巴伦的结构中，初级金属微带线的一端为输入端，另一端通过电容接地，与初级金属微带线电磁耦合的次级金属微带线分为两段，两段金属微带线之间的距离近端分别连接平衡差分信号的两个输出端，两段金属微带线的另外两端分别接地，设置于次级金属微带线外侧、与次级两段金属微带线分别电磁耦合的第二次级两段金属微带线，其两段金属微带线之间的距离近端分别接地，另外两端连接在一起作为同相信号输出端。

6.根据权利要求1所述的无源三平衡变频器，其特征在于：输出巴伦的结构中，平衡差分变频信号的一个输入端与变频信号输出端之间连接初级线圈，该线圈的中心抽头通过电感接地，变频信号输出端通过电容接地，平衡差分变频信号的另一个输入端连接与初级线圈电磁耦合的次级线圈的一端，次级线圈的另一端通过电感接地，次级线圈的中心抽头通过电容接地。

7.根据权利要求1所述的无源三平衡变频器，其特征在于：输出巴伦的结构中，平衡差分变频信号的正、反向输入端之间连接次级线圈，次级线圈中心抽头接地，与次级线圈电磁耦合的初级线圈一端为变频信号输出端，该输出端通过电容接地，初级线圈另一端通过电容接地。