CN102918772B - 分布式二极管混频器电路 - Google Patents
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Abstract
一种分布式二极管混频器电路，包括多个无源二极管混频器内核，至少包括第一和第二无源二极管混频器内核，所述无源二极管混频器内核包括对称平衡配置形式的双平衡二极管，每个混频器内核具有一对由参考信号驱动的差分参考节点和一对由数据信号驱动的差分节点，以及电抗性阻抗网络，该电抗性阻抗网络包括连接在每个第一和第二混频器内核的同类节点间的一个或多个电抗性部件或传输线。
Description
技术领域
本发明涉及分布式二极管混频器电路。
背景技术
混频器电路一般用于根据本地振荡器(LO)频率，将输入信号从一个频率转换到另一个频率。对于降频转换应用，混频器将高输入频率，例如射频(RF)，变换为低输出频率，例如中频(IF)；对于升频转换应用，输入频率将是低频率IF信号，输出将是高频率RF信号。本地振荡器(LO)频率或信号也被认为是参考频率或信号，高射频(RF)频率或信号也被认为是数据频率信号。这些频率转换通过对嵌入在混频器电路的混频器内核进行非线性操作来实现。连同所需的混频输出信号一起，混频器典型地生成其他互调产物和端到端泄漏，这些都被很好地抑制了。混频器设计能归为三种拓扑之一：单端混频器、单平衡混频器和双平衡混频器。双平衡拓扑使用平衡的混频内核结构，例如环、桥或星型，混频器内核通常由两个平衡-不平衡转换器差分驱动。该平衡差分驱动对端到端提供高度隔离、偶数模式谐波和互调产物的高拒绝以及高功率处理能力(因此，有好的动态范围)。因此，通常双平衡拓扑对高性能应用来说是首选的。宽带混频内核拓扑在之前的论文中已经提出并研究过，例如Fong-Cheng Chang等的“A 4-41 GHz Single Balanced Distributed Mixer Using GaAs pHEMTTechnology”，IEEE Microwave and Wireless Components Letters，Vol.17，No.2，2007年2月，以及Amin Q.Safarian等的“Design and Analysis of anUltrawide-Band Distributed CMOS Mixer”，IEEE Trans.On Very Large ScaleIntegration(VLSI)Systems，Vol.13，No.5，2005年5月，Pavio的美国专利，4,125,810，Will的美国专利4,224,572，Seely的美国专利4,355,421，Heydari的美国专利，公开号为US2005/0064840A1，Ahmed的美国专利6,850,575B1，Salib的美国专利6,993,312B1，Gamliel的美国专利7,013,122B2。在它们之中，平衡分布式拓扑是最可能获得超宽带宽而无其他混频性能衰减的方法之一。然而，之前所有双平衡分布式混频器不是要求有源偏置电流的有源(或基于Gilbert-cell)的混频器，就是基于单平衡FET的混频器。两种拓扑受劣质的功率操作性能和低线性所制。另外，有源分布式混频器有差的噪声性能。与双平衡混频器相比，单平衡分布式FET混频器受低的端到端隔离度所制。总而言之，现有的无源分布式混频器设计或者是单平衡的或者是完全无平衡的，这都导致端口间的隔离度不好。有源双平衡分布式混频器可以利用平衡拓扑提供良好的隔离，但受制于差的噪声性能，这极大地限制了有源混频器的动态范围。
一种现有技术方法，专利号为5,854,974的美国专利在二极管环的差分参考(LO)节点之间使用补偿电感器，与在参考(LO)频率处的二极管环的电容性电抗产生共振。该电感器位于参考(LO)平衡-非平衡转换器的差分输出两端，参考(LO)平衡-非平衡转换器与二极管环平行，电感器将抵消参考(LO)频率处二极管环表现出的电容。这样，以参考(LO)频率处的减小的三阶谐波而提升了线性度。其还公开了使用具有两个环形混频器内核的两个电感器，每个电感器连接在每个环的参考(LO)差分节点两端，以与每个环的电容在参考(LO)频率处共振。然而，由于该设计的共振特性，该方法只工作于窄的参考(LO)频率带宽，因此不适合于宽带设计。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的分布式二极管混频器电路。
本发明的另一目的是提供这样一种改进的分布式二极管混频器电路，该电路中混频器内核不需要偏置电路，并显著减少功率需求。
本发明的另一目的是提供这样一种改进的分布式二极管混频器电路，该电路提供优良的端到端信号隔离、低噪声、良好的线性度、操作带宽范围宽，并且无需终端电阻器，这进一步减少了功率需求。
本发明的另一目的提供这样一种改进的分布式二极管混频器电路，该电路具有高达10∶1的混合带宽比。
本发明由于实现了一种改进的混频器电路，该电路具有低噪声、良好的线性度，分布式电抗性高阻抗网络的宽带操作及无偏置电路的二极管网络的特点，这些特点是利用平衡连接无偏置二极管的两个或多个无源二极管混频器内核实现的，所述平衡连接无偏置二极管具有分布式电抗性高阻抗网络，每个混频器内核的各节点之间通过电抗性阻抗连接。
然而，在这些实施例中，本主题发明不需要达到所有的这些目的，相关的权利要求不应限制于可以达到这些目的的结构或方法。
本发明特征在于一种分布式二极管混频器电路，包括：多个无源二极管混频器内核，至少包括第一和第二无源二极管混频器内核，所述第一和第二元源二极管混频器内核包括对称平衡配置形式的双平衡二极管，每个混频器内核具有由参考信号驱动的差分参考节点对和由数据信号驱动的差分节点对；以及电抗性阻抗网络，包括连接在所述第一和第二混频器内核每一个的同类节点之间的一个或多个电抗性部件或传输线。
优选实施例中，可以有第三无源二极管混频器内核和第二分布式高阻抗网络，所述第二分布式高阻抗网络包括连接在所述第三混频器内核与所述第一和第二混频器内核之一的同类节点之间的电抗性阻抗。每个所述混频器内核包括环形配置的至少四个二极管，所述环形的每个分支能够由一个或多个二极管组成。电抗性阻抗可包括电感。电抗性阻抗可包括高阻抗传输线。每个所述混频器内核包括具有四个脚的二极管星形，其中在每个脚中有至少一个二极管。可以有提供差分参考信号的参考平衡-非平衡转换器和提供差分数据信号的数据平衡-非平衡转换器。
一种分布式二极管混频器电路，包括：提供差分参考信号的参考平衡-非平衡转换器和提供差分数据信号的数据平衡-非平衡转换器；多个无源二极管混频器内核，包括至少第一和第二无源二极管混频器内核，所述第一和第二无源二极管混频器内核包括对称平衡配置形式的双平衡二极管，每个混频器内核具有由所述参考信号驱动的差分参考节点对和由所述数据信号驱动的差分节点对。电抗性阻抗网络，包括连接在所述第一和第二混频器内核中的每一个的同类节点之间的一个或多个电抗性部件或传输线。
优选的实施例中，可以有第三无源二极管混频器内核和第二分布式高阻抗网络，所述第二分布式高阻抗网络包括连接在所述第三混频器内核和所述第一和第二混频器内核之一的同类节点之间的电抗性阻抗。每个所述混频器内核包括环形配置的至少四个二极管，所述环形的每个支路能够由一个或多个二极管组成。电抗性阻抗可包括电感。电抗性阻抗可包括高阻抗传输线。每个所述混频器内核包括具有四个脚的二极管星形，其中在每个脚中有至少一个二极管。
附图说明
从优选实施例和附图接下来的表述，向本领域技术人员呈现其他的目的、特征和优点，其中：
图1是根据本发明的参考(LO)和数据(RF)平衡-非平衡转换器的分布式二极管混频器电路的结构图；
图2是对图1的电路更详尽的示意；
图3和4是图1和2中可使用的可选混频器内核的示意图；
图5类似图1，示出了任意数量混频器内核使用的视图；
图6类似图5，示出了高阻抗传输线替换分布式网络中电感器的视图；
图7是由本发明获得的改进的隔离的曲线图；
图8是本发明获得的改进的三次谐波隔离的曲线图；
图9是本发明获得的改进的收敛增益的曲线图
具体实施方式
除了优选实施例或以下公开的实施例，本发明可采用其它实施例、并用多种方式实现或执行。因此，应当理解，本发明在应用方面并不限于在后描述或附图所示的结构细节和组件的排列。如果本说明书只记载一个实施例，本权利要求书并不限于该实施例。此外，其权利要求不能被严格限定，除非有明确和令人信服的证据体现一定排斥、限制或否定。
本发明提供了多个相似类型的混频器内核，内核以串联的方式与具有电感性的高阻抗网络相连接。本发明为混频器提出了一种解决方案，该混频器提供多倍频程的带宽，并且可以通过使用常见可用的半导体和其他平面处理工艺以紧凑的电路尺寸实现。它可以在超宽带宽上提供期望的优良隔离度和高动态范围。使用目前的无源分布式混频器或者有源分布式混频器的拓扑结构无法获得这些组合的特点。
所提到的无源双平衡混频器结合了双平衡拓扑和无源操作的优势，取得了良好的端对端隔离和高动态范围。在从0.6到6GHz的整个工作频段上，LO至RF之间的隔离度大于34dB，在公开的具体实施例之中，单边带噪声系数等于转换损耗，并且输出端IP3好于18dBm。
本发明的混频器电路提供了多倍频程的信号转换带宽。这里展示的混频器示例中，一个双平衡混频器展示了从0.6到6GHz低于10-dB的转换损耗，以及1到10的带宽比。本发明可以通过分布式耦合线路和集成元件实现。这两种选择可以很容易地在大多数的半导体和其他平面制造工艺中实现。集成元件的方法需要最少的占用面积并展示了在射频和微波频率应用中最紧凑的电路面积的解决方案。
为了克服现有技术中有源分布式和单平衡分布式场效应晶体管混频器的局限性，本发明提出了一种基于新的分布式平衡二极管的方法，该方法不仅保留了传统的双平衡二极管混频器的优点，还提供由分布式方法带来的超宽带。尤其是当与混频器相关的平衡-非平衡转换器不是频率限制因素时，本发明提出了适合于大多数宽带应用的更好的宽带混频内核拓扑。
根据本发明，图1中所示的混频器电路10包括由分布式的电抗性高阻抗网络16-1互连的两个或多个混频器内核12-1、12-2。在下文实施例中所公开的参考信号或频率将被称为本地振荡器频率或信号(LO)，数据信号或频率将被称为相关电路的射频(RF)频率或信号。LO平衡-非平衡转换器18可以在LO端口20在一个方向上接收单端LO输入，并将其转换为线路22、24上的正负输出信号。这些信号分别提供给混频器内核12-1和12-2的正负LO节点26、28和30、32。类似的，RF平衡-不平衡转换器34可以在RF端口36接收单端输入，并把它分解成在线路38和40上的差分正负输出，分别传送给混频器内核12-1和12-2的RF正负节点42、44、46和48。混频输出(IF)可以从平衡-非平衡转换器34在IF输出端口50上带出的抽头上获得。在本实施例中的分布式电抗性高阻抗网络16-1，有但只有两个混频器内核12-1和12-2，包括四个电抗性阻抗52、54、56和58。在这个具体例子中，这些电抗性阻抗是电感；其他的阻抗可以使用例如高阻抗传输线，或者可以是这两者的组合。注意，每个电抗性阻抗52、54、56、58连接在每个混频器内核12-1和12-2的类似节点之间。例如，电抗性阻抗52连接在混频器12-1的LO正节点26和混频器12-2的LO正节点30之间。电抗性阻抗54连接在混频器12-1的LO负节点28和混频器12-2的LO负节点32之间。电抗性阻抗56连接在混频器12-1的RF负节点44和混频器12-2的RF负节点48之间。电抗性阻抗58连接在混频器12-1的RF正节点42与混频器12-2的RF正节点46之间。
在一个具体实施中，在图2中，混频器电路10a包括混频器内核12-1a和12-2a，每个混频器内核由二极管环形成，二极管环由四个二极管60、62、64和66形成，阳极连接阴极以形成混频器12-1a的环68，二极管70、72、74、和76阳极连接阴极以形成混频器内核12-2a的环78。LO平衡-非平衡转换器18a和RF平衡-非平衡转换器34a可以是典型的单端平衡的平衡-非平衡变压器。LO平衡-非平衡转换器18a可以包括主线圈80，主线圈80包括串联连接通过AC电容器86接地88的两个部分82和84。平衡-非平衡转换器18a还可以包括副线圈90，它包括具有接地的中心抽头96的两个部分92和94。副线圈90提供LO正输出98分别到混频器内核12-1a和12-2a的节点26和30，并在100处提供第二LO负输出分别到混频器内核12-1a和12-2a的节点28和32。平衡-非平衡转换器34a包括主线圈110，主线圈110包括串联连接通过AC接地电容器116接地118的两个部分112和114。副线圈120包括串联在一起的两个部分122和124，以提供一个输出126RF+分别到混频器内核12-1a和12-2a的节点42和46，以及第二输出128提供RF-分别到混频器内核12-1a和12-2a的节点44和48。混频输出可以在混频器内核12-1a和12-2a的中任一节点的任何地方获取，但更常见的是从副线圈120的中心抽头130处获取。从那里，其通过高阻抗传输线或微带线132传送到IF端口50。电容器134可以被用于信号的IF部分滤波以及作为中心抽头130的AC接地。尽管目前无源二极管混频器内核已显示为如图2中由四个二极管的环，但这并不是对本发明的强制限定。例如如图3中所示，每个脚上有多个二极管。用混频器内核12-1b作为示例，环的每个脚则可以包括两个二极管60、60a；62、62a；64、64a和66、66a。事实上，每个脚可以使用任意数量的二极管，其中，典型地，总数为四的某个整数倍。本发明中的无源二极管混频器内核并不限制为环形结构。例如，可以使用图4中12-1c显示的星形结构，其中的二极管连接到一个公共节点65，LO和RF信号的差分端口可选择地互连以驱动该星形混频内核。因此，例如，如果图2中的无源二极管混频器内核12-1a和12-2a由例如图4中的12-1c的星形结构构成，驱动每个二极管LO+、RF-；LO+、RF+；LO-、RF-；LO-、RF+的信号将在图4-1的节点98、100、126和128处通过耦合线97、99、125和127分裂为LO+、LO-、RF+和RF-信号来获得。用这样的方法，第一混频器内核12-1c中的二极管62’由节点25处的LO+和RF+驱动，在该情况下，第二混频器内核12-2c中的二极管72’在节点30’处由经过58’组成的高阻抗网络的相同LO+和RF+信号驱动。图4-1中，混频输出信号可以从130和131获取，并通过传输线133和132到达端口50。紧耦合线对97、99、125和127的长度通常为四分之一波长，以获得所期望的良好平衡操作以及LO和RF信号端口间的高度隔离。
图1和图2中的例子示出了只使用两个混频器内核12-1和12-2的情况，但这不是本发明的强制限定。如图5所示，可能有任意数量的混频器内核12-1、12-2、12-n，并且将有n-1个分布式高阻抗网络16-1到16-(n-1)，在每个分布式高阻抗网络中的每个电抗性阻抗连接在相邻混频器内核的类似节点之间。例如：第一网络16-1的阻抗52-58连接在混频器内核12-1和12-2之间；分布式高阻抗网络16-(n-1)包括电抗性阻抗52-(n-1)、54-(n-1)、56-(n-1)和58-(n-1)，在混频器内核12-n和前面一个的混频器内核的类似节点之间延伸。图5还示出了终端电阻器150、152、154和156，但这些本发明不作要求，优选地，可以并且通常省略以进一步降低功耗。
目前为止，实施例所示的电抗性阻抗为电感52-(n-1)-58-(n-1)，但也可以使用其它类型的阻抗，例如高阻抗传输线52’-58’、图6和52’-(n-1)-58’-(n-1)。参考图7、8和9可以进一步理解本发明的效果，图中示出了根据本发明设计的混频器测得的性能测试结果。测量中，LO频率被设定在低于RF频率的100MHz。图7示出了LO-RF隔离度160，图7中，其中400和5900MHz的LO频率之间的隔离度是至少约35dB以下。图8中的三次谐波特性162的输入截点(IIP)表明了三次伪谐波功率电平低于基波信号，再一次，这里25dBm的典型值对应于在0dBm输入射频功率电平处的三阶峰值的50dB抑制。图9中收敛增益(CG)164表示有多少RF实际转换为IF，这里可以看到，是从约600MHz到高达6GHz的相当大的宽范围RF频率。
尽管本发明的特定特征在一些附图中示出而没有在其他附图中示出：这仅仅是为了方便，因为每个特征可以与本发明中的任何或所有其他特征结合。本文使用的词“包括”、“包含”、“具有”、“与”具有广泛而全面的解释并且不局限于任何物理互连。此外，在本申请公开的任意实施例不作为唯一可能的实施例。
此外，对本专利在专利申请过程中提出的任何修改并不放弃任何在申请中提出的可要求的要素：本领域技术人员不能合理预期起草一个权利要求，该权利要求将在字面上包含所有可能的同等物，许多同等物在修订时不可预见并超出可让步的公平的解释(如果有的话)，修改依据可能不过是多个等同物的切向关系，和/或有许多其他原因，申请人不能描述修改的任何权利要求要素的某些非实质的替代物。
其它实施例对本领域技术人员来说会出现并包括在权利要求中。
Claims (12)
1.一种分布式二极管混频器电路，包括：
多个无源二极管混频器内核，至少包括第一和第二无源二极管混频器内核，所述第一和第二无源二极管混频器内核包括对称平衡配置形式的双平衡二极管，每个混频器内核具有由参考信号驱动的差分的第一和第二参考节点和由数据信号驱动的差分的第一和第二数据节点；以及
电抗性阻抗网络，包括连接在所述第一和第二无源二极管混频器内核每一个的同类节点之间的一个或多个电抗性部件或传输线，所述电抗性阻抗网络包括：
第一阻抗，位于所述第一和第二无源二极管混频器内核的各第一参考节点之间，
第二阻抗，位于所述第一和第二无源二极管混频器内核的各第二参考节点之间，
第三阻抗，位于所述第一和第二无源二极管混频器内核的各第一数据节点之间，以及
第四阻抗，位于所述第一和第二无源二极管混频器内核的各第二数据节点之间。
2.如权利要求1所述的分布式二极管混频器电路，其中有第三无源二极管混频器内核和第二分布式高阻抗网络，所述第二分布式高阻抗网络包括连接在所述第三无源二极管混频器内核与所述第一和第二无源二极管混频器内核之一的同类节点之间的电抗性阻抗。
3.如权利要求1所述的分布式二极管混频器电路，其中每个所述混频器内核包括环形配置的至少四个二极管，所述环形的每个分支能够由一个或多个二极管组成。
4.如权利要求1所述的分布式二极管混频器电路，其中所述电抗性阻抗包括电感。
5.如权利要求1所述的分布式二极管混频器电路，其中所述电抗性阻抗包括高阻抗传输线。
6.如权利要求1所述的分布式二极管混频器电路，其中每个所述混频器内核包括具有四个脚的二极管星形，其中在每个脚中有至少一个二极管。
7.一种分布式二极管混频器电路，包括：
提供差分参考信号的参考平衡-非平衡转换器和提供差分数据信号的数据平衡-非平衡转换器；
多个无源二极管混频器内核，包括至少第一和第二无源二极管混频器内核，所述第一和第二无源二极管混频器内核包括对称平衡配置形式的双平衡二极管，每个混频器内核具有由所述参考信号驱动的差分的第一和第二参考节点和由所述数据信号驱动的差分的第一和第二数据节点；以及
电抗性阻抗网络，包括连接在所述第一和第二无源二极管混频器内核中的每一个的同类节点之间的一个或多个电抗性部件或传输线，所述电抗性阻抗网络包括：
第一阻抗，位于所述第一和第二无源二极管混频器内核的各第一参考节点之间，
第二阻抗，位于所述第一和第二无源二极管混频器内核的各第二参考节点之间，
第三阻抗，位于所述第一和第二无源二极管混频器内核的各第一数据节点之间，以及
第四阻抗，位于所述第一和第二无源二极管混频器内核的各第二数据节点之间。
8.如权利要求7所述的分布式二极管混频器电路，其中有第三无源二极管混频器内核和第二分布式高阻抗网络，所述第二分布式高阻抗网络包括连接在所述第三无源二极管混频器内核和所述第一和第二无源二极管混频器内核之一的同类节点之间的电抗性阻抗。
9.如权利要求7所述的分布式二极管混频器电路，其中每个所述混频器内核包括环形配置的至少四个二极管，所述环形的每个支路能够由一个或多个二极管组成。
10.如权利要求7所述的分布式二极管混频器电路，其中所述电抗性阻抗包括电感。
11.如权利要求7所述的分布式二极管混频器电路，其中所述电抗性阻抗包括高阻抗传输线。
12.如权利要求7所述的分布式二极管混频器电路，其中每个所述混频器内核包括具有四个脚的二极管星形，其中在每个脚中有至少一个二极管。
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