CN106067765B - 一种有源混频器及基于有源混频器实现的混频方法 - Google Patents

一种有源混频器及基于有源混频器实现的混频方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有源混频器及基于有源混频器实现的混频方法，属于无线通信收发器领域，包括第一级电路(1)和第二级电路(2)；第一级电路(1)包括开关管单元(11、12)；开关管单元(11)用于在工作于饱和区时，对输入的原始射频信号(RF0±)进行放大处理，以获得放大射频信号(RF1±)；开关管单元(12)用于在工作于弱反型区时，输出三阶非线性电流，并对放大射频信号(RF1±)进行线性度调节处理，以获得放大射频信号(RF2±)；第二级电路(2)用于对放大射频信号(RF2±)和本振信号(LO±)进行混频处理和负载匹配处理，以获得中频信号(IF±)。本方案混频器能够在不影响其功耗及噪声性能的前提下，具备高增益、高线性的特性。

Description

一种有源混频器及基于有源混频器实现的混频方法
技术领域
本发明涉及无线通信收发器领域，尤其涉及一种有源混频器及基于有源混频器实现的混频方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展，集成无线通信芯片被大量应用于作战系统、大规模应急通信系统、导航定位、物联网、传感器网络、数字电视广播、公共安全、智能楼宇家居、无线电台、移动终端、玩具电子等多个行业，相应也衍生出了多样的通信协议标准。为了顺应市场的需求，当前无线通信领域最热门的研究就是设计一款兼容多协议的收发器芯片，以满足用户日益增长的语音、视频、数据浏览等需求，这就要求处在无线通信接收机最前端的射频模块具有良好的噪声、线性度以及增益性能。射频模块主要起到如下作用：天线接收信号后传送给低噪声放大器进行放大，再经过混频器进行下混频，起到去除载波的作用。根据模块的性能推算，处于后一级的混频器将极大的影响整体射频模块的线性度，由于模块增益的提升往往会带来线性度的下降，因此在通常的设计中，混频器的增益与线性度是一个很难折中的问题。
从结构上来看，目前市场上的混频器主要分为两类：一类是无源混频器，另一类是有源混频器。在射频或微波多载波通讯系统中，三阶交调点(IIP3，Input Third InterceptPoint)是一个衡量线性度或失真的重要指标。
无源混频器的优点是可以做到非常好的线性度，其IIP3往往可以做到大于0。但这类混频器的缺点也是很明显的，无源混频器往往无法直接提供增益，因此其对信号是有衰减作用的。业内通常采用在无源混频器后接一跨阻放大器来提供一定的信号增益，这是一种业界常用的混频器结构，这种混频器的主体部分为无源混频器，通常直接使用两对开关对实现混频，使用本振信号控制开关对晶体管的栅极，而射频信号从源极输入，漏极输出。由于开关对以本振信号的频率进行开关，从而完成了本振信号与射频信号的混频，产生和频与差频成分、二次谐波、三次谐波等信号。由于电路不存在直流电流，没有工作在饱和区的放大晶体管及负载存在，因此不能对信号提供增益。为解决增益问题，在主体部分后接一跨阻放大器，针对混频后的差频信号进行放大。这种结构可以得到优良的IIP3性能，但增益必须需要额外的放大器来提供，增加了设计的复杂度、功耗、面积与成本。
有源混频器，最具代表性的结构就是吉尔伯特双平衡混频器。这种结构是一种常见的有源混频器，其差分输入端有一对工作在饱和区的放大晶体管，信号由栅极输入漏极输出，然后经过开关对管到达负载。这种结构的优点是可以对信号产生一定的增益，同时相对于上述“无源混频器后接跨阻放大器”的方案来说面积会小很多，同时也能提供优良的噪声性能。但这类混频器的缺点是无法得到好的线性度性能，这是因为这类混频器产生增益的跨导引入非线性，使输入信号产生三次谐波，极大的降低了电路的IIP3性能。这种结构的混频器的IIP3典型值为负值。目前对线性度的补偿方式较有效的是通过使用电感电容谐振消除会产生三阶信号的二倍本振信号，但这只能在特定工作频率下达到较好的效果，无法在超宽带系统中得到运用。
可见，现有技术中存在混频器无法同时兼具优良的增益和优良的线性度性能，并且相应的补偿措施会带来其他方面的性能损失或具有局限性的技术问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的，混频器无法同时兼具优良的增益和优良的线性度性能，并且相应的补偿措施会带来其他方面的性能损失或具有局限性的技术问题，提供了一种有源混频器及基于有源混频器实现的混频方法，本申请方案的混频器能够在不影响其功耗及噪声性能的前提下，具备高增益、高线性的特性，并且能够保证在宽广的信号输入范围内具有稳定的增益。
一方面，本发明提供了一种有源混频器，包括：第一级电路和第二级电路；
所述第一级电路包括：第一开关管单元和第二开关管单元；
所述第一开关管单元用于输入原始射频信号，并在工作于饱和区时，对所述原始射频信号进行放大处理，以获得第一放大射频信号；
所述第二开关管单元用于在工作于弱反型区时，输出三阶非线性电流，并对所述第一放大射频信号进行线性度调节处理，以获得第二放大射频信号；
所述第二级电路与所述第二开关管单元相连，用于输入所述第二放大射频信号和本振信号，并对所述第二放大射频信号和所述本振信号进行混频处理和负载匹配处理，以获得中频信号，同时对所述中频信号进行输出。
可选的，所述第二级电路包括：混频子电路和源跟随器；
所述混频子电路与所述第二开关管单元相连，用于输入所述第二放大射频信号和所述本振信号，并对所述第二放大射频信号和所述本振信号进行混频处理，以获得混频信号；
所述源跟随器，用于对所述混频信号进行负载匹配处理，以获得所述中频信号，并对所述中频信号进行输出。
可选的，所述第一开关管单元包括第一晶体管和第二晶体管；
所述第一晶体管的栅极与射频信号输入端相连，用于输入所述原始射频信号中的同相信号，所述第一晶体管的源级接地；所述第二晶体管的栅极与射频信号输入端相连，用于输入所述原始射频信号中的反相信号，所述第二晶体管的源级接地；所述第一晶体管和所述第二晶体管的漏极均与所述第二开关管单元相连；
其中，当所述第一晶体管和所述第二晶体管均工作于饱和区时，所述第一晶体管的漏极用于输出所述第一放大射频信号中的同相信号，所述第二晶体管的漏极用于输出所述第一放大射频信号中的反相信号。
可选的，所述第二开关管单元包括：多对晶体管，每一对晶体管中的一晶体管的栅极用于输入所述原始射频信号中的同相信号、源极接地、漏极与所述第二级电路相连，每一对晶体管中的另一晶体管的栅极用于输入所述原始射频信号中的反相信号、源极接地、漏极与所述第二级电路相连。
可选的，所述第二开关管单元包括：第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；
所述第三晶体管的栅极通过所述第一电容与射频信号输入端相连，用于输入所述原始射频信号中的同相信号，所述第三晶体管的源极接地、漏极与所述第二级电路相连；
所述第四晶体管的栅极通过所述第二电容与射频信号输入端相连，用于输入所述原始射频信号中的反相信号，所述第四晶体管的源极接地、漏极与所述第二级电路相连；
所述第五晶体管的栅极通过所述第三电容和所述第一电容与射频信号输入端相连，用于输入所述原始射频信号中的同相信号，所述第五晶体管的源极接地、漏极与所述第二级电路相连；
所述第六晶体管的栅极通过所述第四电容和所述第二电容与射频信号输入端相连，用于输入所述原始射频信号中的反相信号，所述第六晶体管的源极接地、漏极与所述第二级电路相连。
可选的，所述混频子电路包括：第七晶体管、第八晶体管、第九晶体管和第十晶体管；
所述第七晶体管的栅极与本振信号输入端相连，用于输入所述本振信号中的同相信号；所述第七晶体管的源极与所述第二开关管单元相连，用于输入所述第二放大射频信号中的同相信号；
所述第八晶体管的栅极与本振信号输入端相连，用于输入所述本振信号中的同相信号；所述第八晶体管的源极与所述第二开关管单元相连，用于输入所述第二放大射频信号中的反相信号；
所述第九晶体管的栅极与本振信号输入端相连，用于输入所述本振信号中的反相信号；所述第九晶体管的源极与所述第二开关管单元相连，用于输入所述第二放大射频信号中的同相信号；所述第九晶体管的漏极与所述八晶体管的漏极以及所述源跟随器的信号输入端相连；
所述第十晶体管的栅极与本振信号输入端相连，用于输入所述本振信号中的反相信号；所述第十晶体管的源极与所述第二开关管单元相连，用于输入所述第二放大射频信号中的反相信号；所述第十晶体管的漏极与所述七晶体管的漏极以及所述源跟随器的信号输入端相连。
可选的，所述源跟随器包括：第十一晶体管、第十二晶体管、第十三晶体管、第十四晶体管、第一偏置电压输入端和第二偏置电压输入端；
所述第十一晶体管的栅极与所述混频子电路相连，用于输入所述混频信号中的反相信号；
所述第十二晶体管的栅极与所述混频子电路相连，用于输入所述混频信号中的同相信号；所述第十二晶体管的漏极和所述第十一晶体管的漏极相连，并接至所述第一偏置电压输入端；
所述第十三晶体管的栅极与所述第二偏置电压输入端相连，所述第十三晶体管的漏极与所述第十一晶体管的源极、以及所述混频器的中频信号输出端相连，所述第十三晶体管的源极接地；
所述第十四晶体管的栅极与所述第二偏置电压输入端相连，所述第十四晶体管的漏极与所述第十二晶体管的源极、以及所述混频器的中频信号输出端相连，所述第十四晶体管的源极接地。
可选的，所述第二级电路还包括：与所述混频子电路连接的输入保护子电路，用于对所述混频子电路的输入信号进行降压限流处理。
可选的，所述输入保护子电路包括：第一电阻、第二电阻、第五电容和第六电容；所述第一电阻和所述第五电容并联，以构成第一RC并联支路；所述第二电阻和所述第六电容并联，以构成第二RC并联支路；
所述源跟随器的反相信号输入端通过所述第一RC并联支路接地，所述源跟随器的同相信号输入端通过所述第二RC并联支路接地。
另一方面，本发明还提供了一种基于混频器实现的混频方法，其中，所述混频器包括第一级电路和第二级电路；所述第一级电路包括第一开关管单元和第二开关管单元；所述混频方法包括以下步骤：
S1、通过所述第一开关管单元输入原始射频信号，并控制调整所述第一开关管单元的偏置电压，以使所述第一开关管单元中的晶体管工作于饱和区，进而对所述原始射频信号进行放大处理，以获得第一放大射频信号；
S2、通过所述第二开关管单元输入所述第一放大射频信号，并控制调整所述第二开关管单元的偏置电压，以使所述第二开关管单元中的晶体管工作于弱反型区，进而输出三阶非线性电流，对所述第一放大射频信号进行线性度调节处理，以获得第二放大射频信号；
S3、通过所述第二级电路输入所述第二放大射频信号和本振信号，并对所述第二放大射频信号和所述本振信号进行混频处理和负载匹配处理，以获得中频信号，同时对所述中频信号进行输出。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于在本发明中，有源混频器包括：第一级电路和第二级电路；其中，所述第一级电路包括：第一开关管单元和第二开关管单元；所述第一开关管单元用于输入原始射频信号，并在工作于饱和区时，对所述原始射频信号进行放大处理，以获得第一放大射频信号；所述第二开关管单元用于在工作于弱反型区时，输出三阶非线性电流，并对所述第一放大射频信号进行线性度调节处理，以获得第二放大射频信号；所述第二级电路与所述第二开关管单元相连，用于输入所述第二放大射频信号和本振信号，并对所述第二放大射频信号和所述本振信号进行混频处理和负载匹配处理，以获得中频信号，同时对所述中频信号进行输出。也就是说，本发明方案通过提出一种全新的混频器结构，在第一级电路采用了多场效应晶体管技术，具体的，第一开关管单元包括由晶体管构成的全差分对，当该全差分对工作于饱和区时，对输入的射频信号起到放大的作用，进一步，第二开关管单元包括由晶体管构成的多对伪差分对，当所述多对伪差分对工作于弱反型区时，提供的三阶非线性电流，具有与第一开关管单元中晶体管相反的极性，二者互相抵消，从而消除第一开关管单元中晶体管带来的非线性问题，再通过第二级电路对第一级电路输出的具有高线性度且放大的射频信号进行混频处理和负载匹配处理，以获得中频信号。有效地解决了现有技术中混频器无法同时兼具优良的增益和优良的线性度性能，并且相应的补偿措施会带来其他方面的性能损失或具有局限性的技术问题。实现了在不影响混频器功耗及噪声性能的前提下，使混频器具备高增益、高线性的特性，并且能够保证在宽广的信号输入范围内具有稳定的增益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的第一种有源混频器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的第二开关管单元包括多对晶体管的有源混频器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的第二开关管单元包括两对晶体管的有源混频器的结构示意图；
图4A为图3所示有源混频器中第二开关管单元对第一开关管单元晶体管跨导的二阶导数的补偿曲线示意图；
图4B为图3所示有源混频器中第二开关管单元对第一开关管单元晶体管跨导的补偿曲线示意图；
图5为本发明实施例提供的第二种有源混频器的结构示意图；
图6为图5所示有源混频器的第二级电路的电路原理图；
图7为图6所示第二级电路中源跟随器的内部电路原理图；
图8为本发明实施例提供的一种基于有源混频器实现的混频方法流程图。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种有源混频器，解决了现有技术中存在的，混频器无法同时兼具优良的增益和优良的线性度性能，并且相应的补偿措施会带来其他方面的性能损失或具有局限性的技术问题，实现了在不影响混频器功耗及噪声性能的前提下，使混频器具备高增益、高线性的特性，并且能够保证在宽广的信号输入范围内具有稳定的增益。
本发明实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
本发明实施例提供了一种有源混频器，包括：第一级电路和第二级电路；所述第一级电路包括：第一开关管单元和第二开关管单元；所述第一开关管单元用于输入原始射频信号，并在工作于饱和区时，对所述原始射频信号进行放大处理，以获得第一放大射频信号；所述第二开关管单元用于在工作于弱反型区时，输出三阶非线性电流，并对所述第一放大射频信号进行线性度调节处理，以获得第二放大射频信号；所述第二级电路与所述第二开关管单元相连，用于输入所述第二放大射频信号和本振信号，并对所述第二放大射频信号和所述本振信号进行混频处理和负载匹配处理，以获得中频信号，同时对所述中频信号进行输出。
可见，在本发明实施例中，通过提出一种全新的混频器结构，在第一级电路采用了多场效应晶体管技术，具体的，第一开关管单元包括由晶体管构成的全差分对，当该全差分对工作于饱和区时，对输入的射频信号起到放大的作用，进一步，第二开关管单元包括由晶体管构成的多对伪差分对，当所述多对伪差分对工作于弱反型区时，提供的三阶非线性电流，具有与第一开关管单元中晶体管相反的极性，二者互相抵消，从而消除第一开关管单元中晶体管带来的非线性问题，再通过第二级电路对第一级电路输出的具有高线性度且放大的射频信号进行混频处理和负载匹配处理，以获得中频信号。有效地解决了现有技术中混频器无法同时兼具优良的增益和优良的线性度性能，并且相应的补偿措施会带来其他方面的性能损失或具有局限性的技术问题。实现了在不影响混频器功耗及噪声性能的前提下，使混频器具备高增益、高线性的特性，并且能够保证在宽广的信号输入范围内具有稳定的增益。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
实施例一
请参考图1，本发明实施例提供了一种有源混频器，用于对差分输入的射频信号进行处理以获得差分输出的中频信号。具体的，所述混频器包括：第一级电路1和第二级电路2；
第一级电路1包括：第一开关管单元11和第二开关管单元12；
第一开关管单元11用于输入原始射频信号(RF0+，RF0-)，并在工作于饱和区时，对原始射频信号(RF0+，RF0-)进行放大处理，以获得第一放大射频信号(RF1+，RF1-)；
第二开关管单元12用于在工作于弱反型区时，输出三阶非线性电流，并对第一放大射频信号(RF1+，RF1-)进行线性度调节处理，以获得第二放大射频信号(RF2+，RF2-)；
第二级电路2与第二开关管单元12相连，用于输入第二放大射频信号(RF2+，RF2-)和本振信号(LO+，LO-)，并对第二放大射频信号(RF2+，RF2-)和本振信号(LO+，LO-)进行混频处理和负载匹配处理，以获得中频信号(IF+，IF-)，同时对中频信号(IF+，IF-)进行输出。
其中，由于第一级电路1输入的原始射频信号为差分信号，在整个信号流的处理过程中，产生的第一放大射频信号、第二放大射频信号、中频信号均为差分信号。
在具体实施过程中，第一级电路1(亦可称“输入跨导级电路”)采用了多场效应晶体管技术(MGTR，Multi-gated Transistor)。请结合图1和图2，第一开关管单元11包括第一晶体管M1和第二晶体管M2；第一晶体管M1的栅极与射频信号输入端RF_IN相连，用于输入原始射频信号(RF0+，RF0-)中的同相信号RF0+，第一晶体管M1的源级接地；第二晶体管M2的栅极与射频信号输入端RF_IN相连，用于输入原始射频信号(RF0+，RF0-)中的反相信号RF0-，第二晶体管M2的源级接地；第一晶体管M1和第二晶体管M2的漏极均与第二开关管单元12相连；
其中，当第一晶体管M1和第二晶体管M2均工作于饱和区时，第一晶体管M1的漏极用于输出第一放大射频信号(RF1+，RF1-)中的同相信号RF1+，第二晶体管M2的漏极用于输出第一放大射频信号(RF1+，RF1-)中的反相信号RF1-。
进一步，仍请参考图2，第二开关管单元12包括：多对晶体管，每一对晶体管中的一晶体管的栅极(均通过隔直电容连接到射频信号输入端RF_IN)用于输入原始射频信号(RF0+，RF0-)中的同相信号RF0+、源极接地、漏极与所述第二级电路2相连，每一对晶体管中的另一晶体管的栅极(均通过隔直电容连接到射频信号输入端RF_IN)用于输入原始射频信号(RF0+，RF0-)中的反相信号RF0-、源极接地、漏极与所述第二级电路2相连。
具体的，图2中晶体管M31、M41构成一对晶体管，晶体管M32、M42构成一对晶体管，...，晶体管M3n、M4n构成一对晶体管，即第二开关管单元12包括n对晶体管，n为大于等于2的整数；其中，晶体管(M31～M3n)中任一晶体管的栅极通过隔直电容与射频信号输入端相连，用于输入所述原始射频信号(RF0+，RF0-)中的同相信号RF0+、源极接地、漏极与所述第二级电路2相连，晶体管(M41～M4n)中任一晶体管的栅极用于输入所述原始射频信号(RF0+，RF0-)中的反相信号RF0-、源极接地、漏极与所述第二级电路2相连。
图2中，第一晶体管M1和第二晶体管M2组成全差分放大级(FDA，FullyDifferential Amplified Stage)，当此全差分放大级工作于饱和区时，对输入的原始射频信号(RF0+，RF0-)起到放大的作用；n对晶体管形成n对伪差分放大级(PDA，PseudoDifferential Amplified Stage)，当所述n对伪差分放大级工作在弱反型区时，它们提供三阶非线性电流极性与该级的放大晶体管M1及M2相反，互相抵消，从而消除放大晶体管带来的非线性问题因此该级同时提供了增益与优良的线性性能。
在具体实施过程中，请参考图3，第二开关管单元12包括两级伪差分放大级(即第一伪差分放大级PDA1和第二伪差分放大级PDA2)，具体的，第一伪差分放大级PDA1由第三晶体管M3和第四晶体管M4构成，第二伪差分放大级PDA2由第五晶体管M5和第六晶体管M6；第二开关管单元12还包括：第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4。第三晶体管M3的栅极通过第一电容C1与射频信号输入端RF_IN相连，用于输入原始射频信号(RF0+，RF0-)中的同相信号RF0+，第三晶体管M3的源极接地、漏极与第二级电路2相连；
第四晶体管M4的栅极通过第二电容C2与射频信号输入端RF_IN相连，用于输入原始射频信号(RF0+，RF0-)中的反相信号RF0-，第四晶体管M4的源极接地、漏极与第二级电路2相连；
第五晶体管M5的栅极通过第三电容C3和第一电容C1与射频信号输入端RF_IN相连，用于输入原始射频信号(RF0+，RF0-)中的同相信号RF0+，第五晶体管M5的源极接地、漏极与第二级电路2相连；
第六晶体管M6的栅极通过第四电容C4和第二电容C2与射频信号输入端RF_IN相连，用于输入原始射频信号(RF0+，RF0-)中的反相信号RF0-，第六晶体管M6的源极接地、漏极与第二级电路2相连。
一般的有源放大类技术在增益提升时会带来严重的非线性问题，本发明在跨导级引入了多晶体管复用技术(MGTR)，使用额外的弱反型晶体管消除放大晶体管的非线性电流，从而去除因增益带来的非线性问题。
对于一个晶体管而言，其三阶交调点IIP3的计算如下式(1)所示：
Figure BDA0001070133310000121
其中，gm为晶体管的跨导，g″m为晶体管跨导的二阶导数，IIP3为输入三阶交调点(表征电路线性性能，越大越好)。从式(1)可以看出，为了使IIP3尽可能取得最大值，晶体管的二阶导数跨导g″m需要接近于0。然而，对于一个工作在饱和区(从而取得优良的放大效果)的晶体管而言，其g″m为负值，从而产生三阶非线性，导致IIP3指标下降。与工作在饱和区的晶体管不同的是，工作在弱反型区的晶体管的g″m为正值。在图3所示的混频器方案中，引入了两对(共4个)工作在弱反型区的晶体管M3～M6，通过设置第一级伪差分放大级PDA1中一对补偿管(M3、M4)的偏置和第二级伪差分放大级PDA2中一对补偿管(M5、M6)的偏置，实现在不同的输入信号范围内对M1及M2的g″m进行补偿，进而实现在极大的输入信号范围(±150mV)内达到接近于0的g″m值(如图4A所示)，提升IIP3。
与此同时，图3所示的混频器方案亦能使混频器在输入较大信号时，保持平稳的gm，从而实现高增益的稳定性(如图4B所示)。这也是由于第一级伪差分放大级PDA1及第二级伪差分放大级PDA2偏置不同，所得的gm峰值也不相同，从而在不同的信号范围内实现了对由晶体管(M1、M2)组成的全差分放大级FDA的补偿，使得跨导级的等效gm在极大的输入信号范围(±150mV)处于平衡的高值。而gm与电路的增益成正比关系，因此实现了电路的高增益、增益高稳定性的性能特点。
可见，在图3所示技术方案中，通过设置第一级伪差分放大级PDA1及第二级伪差分放大级PDA2的偏置，使得工作在弱反型区的第一级伪差分放大级PDA1及第二级伪差分放大级PDA2对起放大作用的全差分放大级FDA产生不同效果的补偿作用，实现了IIP3的提升，同时也稳定了电路的增益。
在具体实施过程中，请参考图5，所述第二级电路2(亦可称“开关对及负载级”)包括：混频子电路21和源跟随器22；
混频子电路21与第二开关管单元12相连，用于输入第二放大射频信号(RF2+，RF2-)和本振信号(LO+，LO-)，并对第二放大射频信号(RF2+，RF2-)和本振信号(LO+，LO-)进行混频处理，以获得混频信号(MIX+，MIX-)；
源跟随器22，用于对混频信号(MIX+，MIX-)进行负载匹配处理，以获得中频信号(IF+，IF-)，并对中频信号(IF+，IF-)进行输出。
在具体实施过程中，请参考图6，混频子电路21包括：第七晶体管M7、第八晶体管M8、第九晶体管M9和第十晶体管M10；
第七晶体管M7的栅极与本振信号输入端LO_IN相连，用于输入本振信号(LO+，LO-)中的同相信号LO+；第七晶体管M7的源极与第二开关管单元12相连，用于输入第二放大射频信号(RF2+，RF2-)中的同相信号RF2+；
第八晶体管M8的栅极与本振信号输入端LO_IN相连，用于输入本振信号(LO+，LO-)中的同相信号LO+；第八晶体管M8的源极与第二开关管单元12相连，用于输入第二放大射频信号(RF2+，RF2-)中的反相信号RF2-；
第九晶体管M9的栅极与本振信号输入端LO_IN相连，用于输入本振信号(LO+，LO-)中的反相信号LO-；第九晶体管M9的源极与第二开关管单元12相连，用于输入第二放大射频信号(RF2+，RF2-)中的同相信号RF2+；第九晶体管M9的漏极与八晶体管M8的漏极以及源跟随器22的信号输入端相连；
第十晶体管M10的栅极与本振信号输入端LO_IN相连，用于输入本振信号(LO+，LO-)中的反相信号LO-；第十晶体管M10的源极与第二开关管单元12相连，用于输入第二放大射频信号(RF2+，RF2-)中的反相信号RF2-；第十晶体管M10的漏极与七晶体管M7的漏极以及源跟随器22的信号输入端相连。
进一步，请参考图7，源跟随器22包括：第十一晶体管M11、第十二晶体管M12、第十三晶体管M13、第十四晶体管M14、第一偏置电压输入端V1和第二偏置电压输入端V2；
第十一晶体管M11的栅极与混频子电路21相连，用于输入混频信号(MIX+，MIX-)中的反相信号MIX-；
第十二晶体管M12的栅极与混频子电路21相连，用于输入混频信号(MIX+，MIX-)中的同相信号MIX+；第十二晶体管M12的漏极和第十一晶体管M11的漏极相连，并接至第一偏置电压输入端V1；
第十三晶体管M13的栅极与第二偏置电压输入端V2相连，第十三晶体管M13的漏极与第十一晶体管M11的源极、以及混频器的中频信号输出端(IF_OUT)相连，第十三晶体管M13的源极接地；
第十四晶体管M14的栅极与第二偏置电压输入端V2相连，第十四晶体管M14的漏极与第十二晶体管M12的源极、以及混频器的中频信号输出端(IF_OUT)相连，第十四晶体管M14的源极接地。
总之，第二级电路2主要负责实现信号混频。在混频子电路21中，开关对M7～M10工作在饱和区，接收第二放大射频信号(RF2+，RF2-)及来自本振缓冲器的本振信号(LO+，LO-)，通过本振信号(LO+，LO-)控制实现开关对M7～M10的交替开关，进而输出差频信号，即混频信号(MIX+、MIX-)。在负载输出处，引入了一个源跟随器22实现输出负载匹配，最终输出所需的中频信号(IF+，IF-)。
进一步，在具体实施过程中，仍请参考图5，第二级电路2还包括：与源跟随器22连接的输入保护子电路23，用于对源跟随器22的输入信号进行降压限流处理。
具体的，仍请参考图6，输入保护子电路23包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第五电容C5和第六电容C6；第一电阻R1和第五电容C5并联，以构成第一RC并联支路；第二电阻R2和第六电容C6并联，以构成第二RC并联支路；
源跟随器22的反相信号输入端通过第一RC并联支路接地，源跟随器22的同相信号输入端通过第二RC并联支路接地。
综上所述，本申请方案在有源混频器的基础上引入了MGTR补偿技术，具体的，第一开关管单元包括由晶体管构成的全差分对，当该全差分对工作于饱和区时，对输入的射频信号起到放大的作用，进一步，第二开关管单元包括由晶体管构成的多对伪差分对，当所述多对伪差分对工作于弱反型区时，提供的三阶非线性电流，具有与第一开关管单元中晶体管相反的极性，二者互相抵消，从而消除第一开关管单元中晶体管带来的非线性问题，再通过第二级电路对第一级电路输出的具有高线性度且放大的射频信号进行混频处理和负载匹配处理，以获得中频信号。有效地解决了现有技术中混频器无法同时兼具优良的增益和优良的线性度性能，并且相应的补偿措施会带来其他方面的性能损失或具有局限性的技术问题。实现了在不影响混频器功耗及噪声性能的前提下，使混频器具备高增益、高线性的特性，并且能够保证在宽广的信号输入范围内具有稳定的增益。并且这种补偿技术与频率相关性小，可以应用在超宽带系统中，同时由于补偿管工作在弱反型区，其产生的电流与噪声皆可忽略，因此不会对电路的功耗和噪声性能产生负面影响。本方案引入的负面成本极低。
实施例二
基于同一发明构思，请参考图8，本发明实施例还提供了一种基于有源混频器实现的混频方法，其中，所述混频器包括第一级电路1和第二级电路2；第一级电路1包括第一开关管单元11和第二开关管单元12；所述混频方法包括以下步骤：
S1、通过第一开关管单元11输入原始射频信号(RF0+，RF0-)，并控制调整第一开关管单元11的偏置电压，以使第一开关管单元11中的晶体管工作于饱和区，进而对原始射频信号(RF0+，RF0-)进行放大处理，以获得第一放大射频信号(RF1+，RF1-)；
S2、通过第二开关管单元12输入第一放大射频信号(RF1+，RF1-)，并控制调整第二开关管单元12的偏置电压，以使第二开关管单元12中的晶体管工作于弱反型区，进而输出三阶非线性电流，对第一放大射频信号(RF1+，RF1-)进行线性度调节处理，以获得第二放大射频信号(RF2+，RF2-)；
S3、通过第二级电路2输入第二放大射频信号(RF2+，RF2-)和本振信号(LO+，LO-)，并对第二放大射频信号(RF2+，RF2-)和本振信号(LO+，LO-)进行混频处理和负载匹配处理，以获得中频信号(IF+，IF-)，同时对中频信号(IF+，IF-)进行输出。
根据上面的描述，上述混频方法应用于上述混频器中，所以，该混频方法与上述混频器的一个或多个实施例一致，在此就不再一一赘述了。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种有源混频器，其特征在于，包括：第一级电路(1)和第二级电路(2)；
所述第一级电路(1)包括：第一开关管单元(11)和第二开关管单元(12)；
所述第一开关管单元(11)用于输入原始射频信号(RF0+，RF0-)，并在工作于饱和区时，对所述原始射频信号(RF0+，RF0-)进行放大处理，以获得第一放大射频信号(RF1+，RF1-)；
所述第二开关管单元(12)用于在工作于弱反型区时，输出三阶非线性电流，并对所述第一放大射频信号(RF1+，RF1-)进行线性度调节处理，以获得第二放大射频信号(RF2+，RF2-)；
所述第二级电路(2)与所述第二开关管单元(12)相连，用于输入所述第二放大射频信号(RF2+，RF2-)和本振信号(LO+，LO-)，并对所述第二放大射频信号(RF2+，RF2-)和所述本振信号(LO+，LO-)进行混频处理和负载匹配处理，以获得中频信号(IF+，IF-)，同时对所述中频信号(IF+，IF-)进行输出。
2.如权利要求1所述的有源混频器，其特征在于，所述第二级电路(2)包括：混频子电路(21)和源跟随器(22)；
所述混频子电路(21)与所述第二开关管单元(12)相连，用于输入所述第二放大射频信号(RF2+，RF2-)和所述本振信号(LO+，LO-)，并对所述第二放大射频信号(RF2+，RF2-)和所述本振信号(LO+，LO-)进行混频处理，以获得混频信号(MIX+，MIX-)；
所述源跟随器(22)，用于对所述混频信号(MIX+，MIX-)进行负载匹配处理，以获得所述中频信号(IF+，IF-)，并对所述中频信号(IF+，IF-)进行输出。
3.如权利要求1所述的有源混频器，其特征在于，所述第一开关管单元(11)包括第一晶体管(M1)和第二晶体管(M2)；
所述第一晶体管(M1)的栅极与射频信号输入端(RF_IN)相连，用于输入所述原始射频信号(RF0+，RF0-)中的同相信号(RF0+)，所述第一晶体管(M1)的源级接地；所述第二晶体管(M2)的栅极与射频信号输入端(RF_IN)相连，用于输入所述原始射频信号(RF0+，RF0-)中的反相信号(RF0-)，所述第二晶体管(M2)的源级接地；所述第一晶体管(M1)和所述第二晶体管(M2)的漏极均与所述第二开关管单元(12)相连；
其中，当所述第一晶体管(M1)和所述第二晶体管(M2)均工作于饱和区时，所述第一晶体管(M1)的漏极用于输出所述第一放大射频信号(RF1+，RF1-)中的同相信号(RF1+)，所述第二晶体管(M2)的漏极用于输出所述第一放大射频信号(RF1+，RF1-)中的反相信号(RF1-)。
4.如权利要求1所述的有源混频器，其特征在于，所述第二开关管单元(12)包括：多对晶体管，每一对晶体管中的一晶体管的栅极用于输入所述原始射频信号(RF0+，RF0-)中的同相信号(RF0+)、源极接地、漏极与所述第二级电路(2)相连，每一对晶体管中的另一晶体管的栅极用于输入所述原始射频信号(RF0+，RF0-)中的反相信号(RF0-)、源极接地、漏极与所述第二级电路(2)相连。
5.如权利要求1所述的有源混频器，其特征在于，所述第二开关管单元(12)包括：第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)、第五晶体管(M5)、第六晶体管(M6)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)和第四电容(C4)；
所述第三晶体管(M3)的栅极通过所述第一电容(C1)与射频信号输入端(RF_IN)相连，用于输入所述原始射频信号(RF0+，RF0-)中的同相信号(RF0+)，所述第三晶体管(M3)的源极接地、漏极与所述第二级电路(2)相连；
所述第四晶体管(M4)的栅极通过所述第二电容(C2)与射频信号输入端(RF_IN)相连，用于输入所述原始射频信号(RF0+，RF0-)中的反相信号 (RF0-)，所述第四晶体管(M4)的源极接地、漏极与所述第二级电路(2)相连；
所述第五晶体管(M5)的栅极通过所述第三电容(C3)和所述第一电容(C1)与射频信号输入端(RF_IN)相连，用于输入所述原始射频信号(RF0+，RF0-)中的同相信号(RF0+)，所述第五晶体管(M5)的源极接地、漏极与所述第二级电路(2)相连；
所述第六晶体管(M6)的栅极通过所述第四电容(C4)和所述第二电容(C2)与射频信号输入端(RF_IN)相连，用于输入所述原始射频信号(RF0+，RF0-)中的反相信号(RF0-)，所述第六晶体管(M6)的源极接地、漏极与所述第二级电路(2)相连。
6.如权利要求2所述的有源混频器，其特征在于，所述混频子电路(21)包括：第七晶体管(M7)、第八晶体管(M8)、第九晶体管(M9)和第十晶体管(M10)；
所述第七晶体管(M7)的栅极与本振信号输入端(LO_IN)相连，用于输入所述本振信号(LO+，LO-)中的同相信号(LO+)；所述第七晶体管(M7)的源极与所述第二开关管单元(12)相连，用于输入所述第二放大射频信号(RF2+，RF2-)中的同相信号(RF2+)；
所述第八晶体管(M8)的栅极与本振信号输入端(LO_IN)相连，用于输入所述本振信号(LO+，LO-)中的同相信号(LO+)；所述第八晶体管(M8)的源极与所述第二开关管单元(12)相连，用于输入所述第二放大射频信号(RF2+，RF2-)中的反相信号(RF2-)；
所述第九晶体管(M9)的栅极与本振信号输入端(LO_IN)相连，用于输入所述本振信号(LO+，LO-)中的反相信号(LO-)；所述第九晶体管(M9)的源极与所述第二开关管单元(12)相连，用于输入所述第二放大射频信号(RF2+，RF2-)中的同相信号(RF2+)；所述第九晶体管(M9)的漏极与所述第 八晶体管(M8)的漏极以及所述源跟随器(22)的信号输入端相连；
所述第十晶体管(M10)的栅极与本振信号输入端(LO_IN)相连，用于输入所述本振信号(LO+，LO-)中的反相信号(LO-)；所述第十晶体管(M10)的源极与所述第二开关管单元(12)相连，用于输入所述第二放大射频信号(RF2+，RF2-)中的反相信号(RF2-)；所述第十晶体管(M10)的漏极与所述第 七晶体管(M7)的漏极以及所述源跟随器(22)的信号输入端相连。
7.如权利要求2所述的有源混频器，其特征在于，所述源跟随器(22)包括：第十一晶体管(M11)、第十二晶体管(M12)、第十三晶体管(M13)、第十四晶体管(M14)、第一偏置电压输入端(V1)和第二偏置电压输入端(V2)；
所述第十一晶体管(M11)的栅极与所述混频子电路(21)相连，用于输入所述混频信号(MIX+，MIX-)中的反相信号(MIX-)；
所述第十二晶体管(M12)的栅极与所述混频子电路(21)相连，用于输入所述混频信号(MIX+，MIX-)中的同相信号(MIX+)；所述第十二晶体管(M12)的漏极和所述第十一晶体管(M11)的漏极相连，并接至所述第一偏置电压输入端(V1)；
所述第十三晶体管(M13)的栅极与所述第二偏置电压输入端(V2)相连，所述第十三晶体管(M13)的漏极与所述第十一晶体管(M11)的源极、以及所述混频器的中频信号输出端(IF_OUT)相连，所述第十三晶体管(M13)的源极接地；
所述第十四晶体管(M14)的栅极与所述第二偏置电压输入端(V2)相连，所述第十四晶体管(M14)的漏极与所述第十二晶体管(M12)的源极、以及所述混频器的中频信号输出端(IF_OUT)相连，所述第十四晶体管(M14)的源极接地。
8.如权利要求2所述的有源混频器，其特征在于，所述第二级电路(2)还包括：与所述源跟随器(22)连接的输入保护子电路(23)，用于对所述源跟随器(22)的输入信号进行降压限流处理。
9.如权利要求8所述的有源混频器，其特征在于，所述输入保护子电路 (23)包括：第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第五电容(C5)和第六电容(C6)；所述第一电阻(R1)和所述第五电容(C5)并联，以构成第一RC并联支路；所述第二电阻(R2)和所述第六电容(C6)并联，以构成第二RC并联支路；
所述源跟随器(22)的反相信号输入端通过所述第一RC并联支路接地，所述源跟随器(22)的同相信号输入端通过所述第二RC并联支路接地。
10.一种基于有源混频器实现的混频方法，其特征在于，所述混频器包括第一级电路(1)和第二级电路(2)；所述第一级电路(1)包括第一开关管单元(11)和第二开关管单元(12)；所述混频方法包括以下步骤：
S1、通过所述第一开关管单元(11)输入原始射频信号(RF0+，RF0-)，并控制调整所述第一开关管单元(11)的偏置电压，以使所述第一开关管单元(11)中的晶体管工作于饱和区，进而对所述原始射频信号(RF0+，RF0-)进行放大处理，以获得第一放大射频信号(RF1+，RF1-)；
S2、通过所述第二开关管单元(12)输入所述第一放大射频信号(RF1+，RF1-)，并控制调整所述第二开关管单元(12)的偏置电压，以使所述第二开关管单元(12)中的晶体管工作于弱反型区，进而输出三阶非线性电流，对所述第一放大射频信号(RF1+，RF1-)进行线性度调节处理，以获得第二放大射频信号(RF2+，RF2-)；
S3、通过所述第二级电路(2)输入所述第二放大射频信号(RF2+，RF2-)和本振信号(LO+，LO-)，并对所述第二放大射频信号(RF2+，RF2-)和所述本振信号(LO+，LO-)进行混频处理和负载匹配处理，以获得中频信号(IF+，IF-)，同时对所述中频信号(IF+，IF-)进行输出。
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