CN104518736A - 一种s波段高线性度、低噪声以及低增益的下变频有源混频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种S波段高线性度、低噪声以及低增益的下变频有源混频器,本发明采用的结构是基于吉尔伯特型单元，本发明还设计了本振驱动电路以提供一个较好的本振输入信号并提高整体电路性能，本发明的优点是具有低功耗、高线性度以及低噪声的特点，能够在低增益条件下提高混频器的线性度以及噪声性能。

Description

一种S波段高线性度、低噪声以及低增益的下变频有源混频器

技术领域

本发明涉及一种S波段高线性度、低噪声以及低增益的下变频有源混频器,涉及无线收发系统频率变换模块电路的设计，属于无线电子通信技术领域。

背景技术

目前，在无线通信中，频率转换是必不可少的，接收机部分需要将射频信号转换为中低频率以实现信号处理与信息提取，发射机部分需要将中低频信号转换为射频信号以实现传输。而混频器是实现频谱搬移的模块，在无线收发系统中，混频器占有一个非常重要的地位。混频器设计的重要性还体现在另一个方面，混频器的线性度决定了收发系统的动态范围，而混频器的噪声系数决定着整个系统的灵敏度，混频器的转换增益直接影响着整个系统的增益大小。

目前，现有传统的混频器的设计按照工作原理主要分为有源混频器与无源混频器两大类，有源混频器与无源混频器的划分的依据一般是按照是否提供正增益来确定的，若转换增益为正值则认为是有源混频器，否则即是无源混频器。

目前，现有传统的有源混频器的设计大部分是基于Gilbert型单元进行设计的，在其基础上进行电路结构拓展，以实现提高混频器性能的目的。线性度一般是以输出压缩1dB点的值来度量，而现有的有源混频器一般都以较大的增益来实现提高输出压缩1dB点的目标，并且来抑制噪声系数的大小，但是这么做的缺陷也很明显，就是大大增加了系统的功耗，与目前无线通信设备的趋于小型化、低功耗以及高性能的设计理念和发展趋势不符。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的S波段高线性度、低噪声以及低增益的下变频有源混频器，本发明应用于下变频接收机中，本发明能够在低增益条件下提高混频器的线性度以及噪声性能，本发明采用的结构是基于吉尔伯特(Gilbert)型单元，本发明采用线性化技术以及降噪技术以提高有源混频器性能，本发明还设计了本振驱动电路以提供一个较好的本振输入信号并提高整体电路性能。本发明由跨导级电路、开关级电路、负载级电路、本振驱动电路组成；所述本振驱动电路与开关级电路连接，所述负载级电路、开关级电路、跨导级电路依次连接。

本发明采用吉尔伯特(Gilbert)型电路拓扑结构，本发明的跨导级电路由两个晶体管构成，用于完成射频电压信号到电流信号的转变。一个简化的跨导级输入电路分析方式如公式(1)所示：

$\mathrm{IIP}3=\sqrt{\frac{4}{3}\frac{\left|{\mathrm{\α}}_1\right|}{\left|{\mathrm{\α}}_3\right|}}=\sqrt{\frac{32}{3}\frac{I_D}{K_{\mathrm{RF}}}}---\left(1\right)$

所述IIP3是度量混频器线性度的一个参数，公式(1)中，α₁及α₃分别代表一阶和三阶交调因子，I_D是混频器跨导级电流，K_RF是跨导级晶体管参数。由公式(1)能够看出混频器跨导级电流越大，线性度越好，小的跨导级晶体管尺寸也能够使混频器线性度提高，但是小尺寸的跨导级晶体管也会引起噪声贡献的增加，本发明在此充分考虑了在噪声以及线性度之间的折衷。

本发明的开关级电路由四个相同的双极型晶体管以及两个注入电流源构成，用于完成射频信号与本振信号的混频以及电流注入功能，由于双极型晶体管相对于MOS晶体管来说具有较低的闪烁噪声，而且双极型晶体管对于本振信号幅度的要求要小得多，所以本发明采用双极型晶体管作为开关管，而由于获得一个较好的开关性能以及噪声性能要求开关管电流不能很大，这与跨导级的大电流要求不符，本发明的所述的开关级电路采用电流注入技术以解决上述矛盾。

本发明的负载级电路由两个并联的RC电路构成，用于完成中频输出电流信号到电压信号的转变以及增益调节等功能，所述RC电路能够作为一个低通滤波器来使用并且能够调节混频器增益以及线性度性能。

本发明的本振驱动电路采用两级放大结构，本发明的本振驱动电路的第一级放大电路用于实现单端本振信号到双端本振差分信号的转换以及信号放大功能；本发明的本振驱动电路的第二级放大电路对于差分本振信号进行放大并处理后输出差分本振信号到有源混频器的本振输入端口。

本发明的优点是具有低功耗、高线性度以及低噪声的特点，能够在低增益条件下提高混频器的线性度以及噪声性能。

附图说明

图1是本发明的跨导级电路的结构图；

图2是本发明的开关级电路的结构图；

图3是本发明的负载级电路的结构图；

图4是本发明的整体电路的结构图；

图5是本发明的本振驱动电路的结构图；

图6是本发明的方框原理结构图；

图7是本发明的应用电路的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步详细描述，但本发明的保护范围不局限于以下描述。

本发明的跨导级电路如图1所示，由两个晶体管构成，用于完成射频电压信号到电流信号的转变。一个简化的跨导级输入电路分析方式如公式(1)所示：

$\mathrm{IIP}3=\sqrt{\frac{4}{3}\frac{\left|{\mathrm{\α}}_1\right|}{\left|{\mathrm{\α}}_3\right|}}=\sqrt{\frac{32}{3}\frac{I_D}{K_{\mathrm{RF}}}}---\left(1\right)$

所述IIP3是度量混频器线性度的一个参数，公式(1)中，α₁及α₃分别代表一阶和三阶交调因子，I_D是混频器跨导级电流，K_RF是跨导级晶体管参数。由公式(1)能够看出混频器跨导级电流越大，线性度越好，小的跨导级晶体管尺寸也能够使混频器线性度提高，但是小尺寸的跨导级晶体管也会引起噪声贡献的增加，本发明在此充分考虑了在噪声以及线性度之间的折衷。

图1中晶体管M1以及M2构成跨导级电路，RF+以及RF-分别代表差分的射频输入信号，V1以及V2是晶体管M1以及M2的栅极偏置电压。

本发明的开关级电路由四个相同的双极型晶体管以及两个注入电流源构成，用于完成射频信号与本振信号的混频以及电流注入功能，如图2所示；由于双极型晶体管相对于MOS晶体管来说具有较低的闪烁噪声，而且双极型晶体管对于本振信号幅度的要求要小得多，所以本发明采用双极型晶体管作为开关管，而由于获得一个较好的开关性能以及噪声性能要求开关管电流不能很大，这与跨导级的大电流要求不符，本发明的所述的开关级电路采用电流注入技术以解决上述矛盾。图2中双极型晶体管Q1-Q4是开关级电路的开关放大晶体管，I1与I2是注入电流源，LO+与LO-分别代表差分的本振输入信号，IF+与IF-代表差分的中频输出信号，V1是双极型晶体管Q1与Q4的基极偏置电压，V2是Q2与Q3的基极偏置电压。

本发明的负载级电路由两个并联的RC电路构成，用于完成中频输出电流信号到电压信号的转变以及增益调节等功能，如图3所示；所述RC电路能够作为一个低通滤波器来使用并且能够调节混频器增益以及线性度性能；图3中，R1、R2与C1、C2分别是两个RC并联电路的电阻与电容，Vdd是电源电压。

图4是本发明的本振驱动电路结构图，本发明的本振驱动电路为两级放大电路，用于为有源混频器提供一个质量较高的本振驱动信号。

本发明的本振驱动电路采用两级放大结构，本发明的本振驱动电路的第一级放大电路用于实现单端本振信号到双端本振差分信号的转换以及信号放大功能；本发明的本振驱动电路的第二级放大电路对于差分本振信号进行放大并处理后输出差分本振信号到有源混频器的本振输入端口。

图4中，电阻R1-R4为负载电阻，LOIN是本振输入信号，双极型晶体管Q1、Q2组成第一级放大电路，I1是尾电流源，R5是输入匹配电阻，电容C以及Q1、Q2完成单端本振输入信号到差分信号的转换，双极型晶体管Q3与Q4组成第二级放大电路，I2是尾电流源，OUT+与OUT-是差分本振输出信号，Vdd是电源电压。

图5是本发明的整体电路结构图；其中左边部分是其偏置电路，为混频器提供稳定的直流工作点；中间部分是混频器的核心电路部分，用于实现混频功能；右边部分是本振驱动电路部分，用于放大及调整本振信号。本发明采用基于Gilbert型单元电路的拓扑结构，并使用BiCMOS工艺设计。首先使用四个双极型晶体管作为开关管，并采用RC并联电路作为负载级电路，整个结构为差分本振信号输入以及差分射频信号输入，完成混频工作后进行中频差分信号输出。若后端需要进行单端信号处理，则再加入一级双端信号到单端信号的转换电路进行处理。而在接收机中混频器前端一般都是低噪声放大器模块电路，对天线接收到的射频信号进行处理并输出到混频器的射频信号输入端。

图5中，Vdd代表电源电压，Iref2是参考电流，R4、R9、R10以及R11均为分压电阻；晶体管M6、M7组成镜像电流源，晶体管M8-M13均为镜像电流源组成部分。电阻R5-R8分别是保护电阻，V1是双极型晶体管Q1与Q4的基极偏置电压，V2是Q2与Q3的基极偏置电压，V3以及V4分别是跨导级晶体管M3与M4的栅极偏置电压。R2、C1以及R3、C2分别组成两个并联电路作为负载级电路。双极型晶体管Q1-Q4是开关级电路的开关放大晶体管，I1与I2是注入电流源，LO+与LO-分别代表差分的本振输入信号，IF+与IF-代表差分的中频输出信号，晶体管M3以及M4构成跨导级电路，RF+以及RF-分别代表差分的射频输入信号。Iref1为参考电流源，R1为分压电阻，晶体管M1、M2及M5为镜像电流源晶体管，组成混频器尾电流源电路。R12-R15是本振驱动电路部分的负载电阻，LOIN是单端本振输入信号，双极型晶体管Q5、Q6组成第一级放大电路，I3是尾电流源，R16是输入匹配电阻，电容C3以及Q5、Q6完成单端本振输入信号到差分信号的转换，双极型晶体管Q7与Q8组成第二级放大电路，I4是尾电流源，LO+与LO-是差分本振输出信号，Vdd是电源电压。

在实施例中，本发明的射频输入信号范围是2.1GHz-2.5GHz，本振输入信号范围是2.3GHz-3GHz，具体的频点根据实际需求来选择。

图6是本发明的电路结构方框图，主要由本振驱动电路，负载级电路，开关级电路，跨导级电路构成。单端本振信号经本振驱动电路放大并转为差分输出到开关级电路，与来自跨导级电路的射频差分信号混频，转换为中频电流信号经负载级电路转换为中频电压信号输出。

图6中，LOin代表本振输入信号，RFin代表射频输入信号，IFout代表中频输出信号。

图7是本发明的应用电路结构图，首先由本振信号发生器产生的本振信号或者由锁相环电路产生的本振信号进入本振驱动电路进行本振信号整形以及放大处理，之后将本振驱动电路处理好的本振信号输入到有源混频器的本振输入端口，将低噪声放大器处理之后的射频信号输入到有源混频器的射频输入端口，在有源混频器模块完成混频功能，并进行中频差分信号输出；若需要单端中频信号，则在混频器后面加入一级双端信号到单端信号的转换电路。在本发明的应用电路的实施例中，单端本振输入信号进入本振驱动电路，完成单端信号到双端差分信号的转换以及放大工作，然后进入混频器与差分射频输入信号进行混频，并输出中频差分信号。

图7中，LOin代表单端本振输入信号，outp与outn代表差分本振输出信号，RFin代表射频输入信号，out代表射频输出信号，IFoutp与IFoutn代表差分中频输出信号，IFout代表单端中频输出信号。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种S波段高线性度、低噪声以及低增益的下变频有源混频器，其特征在于，由跨导级电路、开关级电路、负载级电路、本振驱动电路组成；所述本振驱动电路与开关级电路连接，所述负载级电路、开关级电路、跨导级电路依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种S波段高线性度、低噪声以及低增益的下变频有源混频器，其特征在于，所述跨导级电路由两个晶体管构成。

3.根据权利要求1所述的一种S波段高线性度、低噪声以及低增益的下变频有源混频器，其特征在于，所述开关级电路由四个相同的双极型晶体管以及两个注入电流源构成。

4.根据权利要求1所述的一种S波段高线性度、低噪声以及低增益的下变频有源混频器，其特征在于，所述负载级电路由两个并联的RC电路构成。

5.根据权利要求1所述的一种S波段高线性度、低噪声以及低增益的下变频有源混频器，其特征在于，所述本振驱动电路采用两级放大结构。