CN106160669B - 改进型三平衡混频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进型三平衡混频器，包括两组分别由四个二极管首尾相连组成的闭合环路和三个信号端口：本振信号端，射频信号输入端和中频信号输出端；其中本振信号端提供外部电路的本地振荡源信号，射频信号输入端将需要被变频的信号导入，中频信号输出端导出中频输出信号；所述本振信号端和射频信号输入端分别由本振巴伦和射频巴伦构成，中频信号输出端由一个中频提取结构构成。本发明能够在宽频段内一直保持较低的变频损耗，同时提供较高的信号隔离度。
Description
技术领域
本发明涉及一种混频器，具体是一种改进型三平衡混频器，用于射频、微波、毫米波电路设计。
背景技术
混频器在射频微波毫米波电路与系统中有着大量的应用，它是收发机系统的关键部件，一般用来实现数字/模拟基带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，随着无线通信、测量和雷达等领域的飞速发展，同一款收发机所需要的无线工作频带越来越宽。与此同时，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，而且在很宽的工作频带内变频损耗随着频率的变化也应该较为稳定。
以传统的无源双平衡混频器为代表的很多混频器结构中，只有一组由四个完全相同的二极管首尾相连组成的闭合环路构成，限制了进一步拓展混频器工作频带的宽度。而在另一些相关的混频器文献与专利中，尽管通过采用两组分别由四个完全相同的二极管首尾相连组成的闭合环路构成的方式拓展了混频器的工作带宽，但是存在着变频损耗在宽带内变化范围较大，而且部分端口之间的隔离度较差的问题。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种改进型三平衡混频器，能够在宽频段内一直保持较低的变频损耗，同时提供较高的信号隔离度。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的第一种技术方案为一种改进型三平衡混频器，包括两组分别由四个二极管首尾相连组成的闭合环路和三个信号端口：本振信号端，射频信号输入端和中频信号输出端；其中本振信号端提供外部电路的本地振荡源信号，射频信号输入端将需要被变频的信号导入，中频信号输出端导出中频输出信号；所述本振信号端和射频信号输入端分别由本振巴伦和射频巴伦构成，中频信号输出端由一个中频提取结构构成；第一组闭合环路由第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管阴极和阳极首尾相连组成，所述第一二极管的阴极和第三二极管的阴极分别与本振巴伦的平衡差分信号双端口Out+和Out-连接，所述第四二极管的阴极和第二二极管的阴极分别与射频巴伦的平衡差分信号双端口Out+和Out-连接；第二组闭合环路由第五二极管、第六二极管、第七二极管以及第八二极管阴极和阳极首尾相连组成，所述第五二极管、第六二极管、第七二极管以及第八二极管的阴极分别通过第一电感、第四电感、第二电感以及第三电感连接第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管；在第五二极管、第六二极管、第七二极管以及第八二极管的阴极分别引出第一混频信号、第四混频信号、第二混频信号以及第三混频信号，通过中频提取结构，最终提取出所需的中频输出信号。
优选的，所述第一二极管的阴极和第三二极管的阴极分别通过第一电容和第二电容与本振巴伦的平衡差分信号双端口Out+和Out-连接，所述第四二极管的阴极和第二二极管的阴极分别通过第三电容和第四电容与射频巴伦的平衡差分信号双端口Out+和Out-连接。
优选的，所述中频提取结构包括第五电感、第六电感、第七电感和第八电感，所述第五二极管和第七二极管的阴极分别通过第五电感和第六电感接地，所述第八二极管和第六二极管的阴极分别通过第七电感和第八电感得到所需的中频输出信号。更优选的，所述第七电感和第八电感输出中频输出信号的一端还通过第五电容接地。
优选的，所述第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管的尺寸完全一致，所述第五二极管、第六二极管、第七二极管以及第八二极管的尺寸完全一致。
本发明采用的第二种技术方案为一种改进型三平衡混频器，包括两组分别由四个二极管首尾相连组成的闭合环路和三个信号端口：本振信号端，射频信号输入端和中频信号输出端；其中本振信号端提供外部电路的本地振荡源信号，射频信号输入端将需要被变频的信号导入，中频信号输出端导出中频输出信号；所述本振信号端和射频信号输入端分别由本振巴伦和射频巴伦构成，中频信号输出端由一个中频提取结构构成；第一组闭合环路由第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管阴极和阳极首尾相连组成，所述第一二极管的阴极和第三二极管的阴极分别与本振巴伦的平衡差分信号双端口Out+和Out-连接，所述第四二极管的阴极和第二二极管的阴极分别与射频巴伦的平衡差分信号双端口Out+和Out-连接；第二组闭合环路由第五二极管、第六二极管、第七二极管以及第八二极管阴极和阳极首尾相连组成，所述第五二极管、第六二极管、第七二极管以及第八二极管的阴极分别通过第一传输线、第四传输线、第二传输线以及第三传输线连接第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管；在第五二极管、第六二极管、第七二极管以及第八二极管的阴极分别引出第一混频信号、第四混频信号、第二混频信号以及第三混频信号，通过中频提取结构，最终提取出所需的中频输出信号。
优选的，所述第一二极管的阴极和第三二极管的阴极分别通过第一电容和第二电容与本振巴伦的平衡差分信号双端口Out+和Out-连接，所述第四二极管的阴极和第二二极管的阴极分别通过第三电容和第四电容与射频巴伦的平衡差分信号双端口Out+和Out-连接。
优选的，所述中频提取结构包括第五传输线、第六传输线、第七传输线和第八传输线，所述第五二极管和第七二极管的阴极分别通过相互耦合的第五传输线和第六传输线接地，所述第八二极管和第六二极管的阴极分别通过相互耦合的第七传输线和第八传输线得到所需的中频输出信号。更优选的，所述第七传输线和第八传输线输出中频输出信号的一端还通过第五电容接地。
优选的，所述第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管的尺寸完全一致，所述第五二极管、第六二极管、第七二极管以及第八二极管的尺寸完全一致。
有益效果：本发明利用了两组二极管闭合环路完成混频并在两个环路的连接处提取出中频输出信号，实现了在非常宽的频段内一直保持较低的变频损耗，同时还提供较高的信号隔离度的改进型三平衡混频器。基于本设计构架，对于给定的工作频率，可以选择适合的巴伦方案设计和布版。与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1）这种改进型三平衡混频器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，电路所占用的面积较小，结构简单，易于实现，工作稳定，进而可以较好地和其它电路集成。
2）工作频带非常宽。这主要归功于该电路中采用了两组二极管闭合环路一起进行混频。
3）变频损耗变化小。这主要是由于该电路的中频提取结构避开了本振巴伦和射频输入巴伦，使得两个巴伦一直保持较为完整的电路结构，工作特性良好，因而在很宽的工作频带内，混频器的变频损耗能够一直保持较为稳定。
4）中频信号的隔离度好。这是由于本发明中将中频信号与本振巴伦和射频输入巴伦相隔离开，再加以专门设计的中频提取结构完成滤波，从而提高了中频信号与其他两个端口信号之间的隔离度。
附图说明
图1为改进型三平衡混频器的电路原理图；
图2为改进型三平衡混频器的电路原理图（含中频提取结构）；
图3为第一种可用于本振巴伦或者射频巴伦的代表性巴伦结构；
图4为第二种可用于本振巴伦或者射频巴伦的代表性巴伦结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明是一种用于射频微波毫米波电路的改进型三平衡混频器，包括两组分别由四个完全相同的二极管首尾相连组成的闭合环路和三个信号端口：本振信号端12，射频信号输入端15和中频信号输出端21。其中本振（LO）信号端12提供外部电路的本地振荡源信号，射频（RF）信号输入端15 将需要被变频的信号导入，中频（IF）信号输出端21导出中频输出信号。以上的本振信号端12和射频信号输入端15分别由两个依据工作频率设计的巴伦(Balun)构成，中频信号输出端21由一个中频提取结构20构成。本发明中，第一组由四个二极管（第一二极管D1，第二二极管D2，第三二极管D3，第四二极管D4）阴极和阳极首尾相连组成的闭合环路中的两个对角节点分别和本振巴伦10的平衡差分信号双端口Out+13和Out-14连接，而该环路中的另两个对角节点和射频巴伦11的平衡差分信号双端口Out+16和Out-17连接。同样由四个二极管（第五二极管D5，第六二极管D6，第七二极管D7，第八二极管D8）阴极和阳极首尾相连组成与前面布局一致的第二组闭合环路，该环路上的各个节点分别通过一个电感（第一电感L1、第四电感L4、第二电感L2以及第三电感L3）与第一组闭合环路中的对应节点相连接。在两组二极管闭合环路中会产生混频信号，并且由于其结构自然形成了对称的平衡差分混频信号，从而使中频信号得以以平衡差分信号的形式输出。在本发明中，通过在两组二极管闭合环路对应节点的四个连接处分别引出第一混频信号IF1、第四混频信号IF4、第二混频信号IF2以及第三混频信号IF3，构建一个合适的中频提取结构20，最终经过滤波提取出所需的中频输出信号21。
如图1所示，一种用于射频微波毫米波电路的改进型三平衡混频器，包括本振信号端12：将单端信号变为平衡差分信号的本振巴伦(LO Balun) 10，射频信号输入端15：将单端信号变为平衡差分信号的射频巴伦(RF Balun) 11，中频信号输出端21：将平衡差分信号取出的中频提取结构20，分别由第一二极管D1，第二二极管D2，第三二极管D3，第四二极管D4和第五二极管D5，第六二极管D6，第七二极管D7，第八二极管D8组成的两组二极管闭合环路（其中，第一二极管D1，第二二极管D2，第三二极管D3，第四二极管D4的尺寸完全一致，第五二极管D5，第六二极管D6，第七二极管D7，第八二极管D8的尺寸也完全一致，但是两组二极管的尺寸可以略有不同）以及两组二极管闭合环路对应节点之间所加的电感第一电感L1，第四电感L4，第二电感L2，第三电感L3和滤除中频信号的第一电容C1，第二电容C2，第三电容C3，第四电容C4。
当本振信号加于单端口（即本振信号端）LOin12时，本振巴伦10可以将单端不平衡的本振信号变为位于Out+13和Out-14的平衡差分信号，平衡差分信号为相同幅度，但相反相位的信号。基于类似的原理，在射频信号输入端RFin15一侧，射频巴伦11可以将单端不平衡的射频输入信号变为位于Out+16和Out-17的平衡差分信号。本振端的平衡差分信号进入到第一组二极管闭合环路的两个对角节点处，同时分别通过第一电感L1和第二电感L2再进入到第二组二极管闭合环路的相同位置的两个对角节点处。同样的道理，射频端的平衡差分信号进入到第一组二极管闭合环路的另外两个对角节点处，同时分别通过第三电感L3和第四电感L4再进入到第二组二极管闭合环路的相同位置的两个对角节点处。
本发明采用的是二极管作为非线性器件进行混频，同时利用二极管环路特殊的对称结构，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，使输入的射频差分信号交替出现在信号通路上，最终在两组二极管闭合环路中均会产生混频信号。由于结构特性，此时的混频信号是对称的平衡差分信号，可以以平衡差分的形式输出。在本发明中，通过在两组二极管闭合环路对应节点的四个连接处分别引出第一混频信号IF1，第二混频信号IF2，第三混频信号IF3，第四混频信号IF4，经过合适的中频提取结构20，最终经过滤波提取出所需的中频输出信号。在此过程中，可以在本振巴伦10的两个平衡差分信号端口Out+13，Out-14和射频巴伦11的两个平衡差分信号端口Out+16，Out-17上分别加第一电容C1，第二电容C2，第三电容C3，第四电容C4以隔断这些端口处的中频信号。
如图2所示，本振信号和射频输入信号的进入以及在二极管环路中混频的原理均与图1中完全一致。在提取中频输出信号时，本振巴伦10一侧的两组二极管闭合环路对应节点的两个连接处可以各分别通过第五电感L5，第六电感L6连接起来，作为平衡差分的中频信号的接地端，射频巴伦11一侧的两组二极管闭合环路对应节点的另外两个连接处也可以分别通过第七电感L7，第八电感L8连接起来，作为平衡差分的中频信号的信号端。其中，无论是中频信号的接地端还是信号端均可以再加一些滤波元件或结构以达到更好的性能，如图2中列出的接地的第五电容C5。
根据所需本振信号，射频输入信号和中频输出信号的频率范围和实际电路布版需求，图1和图2中的本振巴伦10和射频巴伦11有多种实现方式。图3是利用第一变压器T1和第二变压器T2实现的代表性巴伦电路之一。其中，第一端口31可以输入单端不平衡的本振信号或者射频信号，此时在第二端口32和第三端口33处会产生平衡差分的本振信号或者射频信号，所述的第二变压器T2的端口34连接接地的第六电容C6，可以用来调整该巴伦的工作特性，所述的第一变压器T1的端口35和第二变压器T2的端口36可以并联第七电容C7、串联第九电感L9和第十电感L10，起到匹配和选频的作用。图4是利用第一耦合微带线W1和第二耦合微带线W2实现的代表性巴伦电路之一。其中，第四端口41可以输入单端不平衡的本振信号或者射频信号，此时在第五端口42和第六端口43处会产生平衡差分的本振信号或者射频信号，所述的第二耦合微带线W2的端口44连接接地的第八电容C8，可以用来调整该巴伦的工作特性，所述的第一微带线W1的端口45和第二耦合微带线W2的端口46可以并联第九电容C9、串联第十一电感L11和第十二电感L12，起到匹配和选频的作用。图1和图2中的本振巴伦10和射频巴伦11还可以不仅限于图3和图4种所列的巴伦的形式，只要尺寸与电路布版选取合适，对混频器的其他部分的设计不会有影响。
另外，本发明中的第一电感L1至第八电感L8可以分别用第一传输线至第八传输线替代，实现相同的功能。
Claims (8)
1.一种改进型三平衡混频器，其特征在于，包括两组分别由四个二极管首尾相连组成的闭合环路和三个信号端口：本振信号端（12），射频信号输入端（15）和中频信号输出端（21）；其中本振信号端（12）提供外部电路的本地振荡源信号，射频信号输入端（15）将需要被变频的信号导入，中频信号输出端（21）导出中频输出信号；所述本振信号端（12）和射频信号输入端（15）分别由本振巴伦（10）和射频巴伦（11）构成，中频信号输出端（21）由一个中频提取结构（20）构成；第一组闭合环路由第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）以及第四二极管（D4）阴极和阳极首尾相连组成，所述第一二极管（D1）的阴极和第三二极管（D3）的阴极分别与本振巴伦的平衡差分信号双端口Out+(13) 和Out-(14) 连接，所述第四二极管（D4）的阴极和第二二极管（D2）的阴极分别与射频巴伦的平衡差分信号双端口Out+(16) 和Out-(17) 连接；第二组闭合环路由第五二极管（D5）、第六二极管（D6）、第七二极管（D7）以及第八二极管（D8）阴极和阳极首尾相连组成，所述第五二极管（D5）、第六二极管（D6）、第七二极管（D7）以及第八二极管（D8）的阴极分别通过第一电感（L1）、第四电感（L4）、第二电感（L2）以及第三电感（L3）连接第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）以及第四二极管（D4）；在第五二极管（D5）、第六二极管（D6）、第七二极管（D7）以及第八二极管（D8）的阴极分别引出第一混频信号（IF1）、第四混频信号（IF4）、第二混频信号（IF2）以及第三混频信号（IF3），通过中频提取结构(20)，最终提取出所需的中频输出信号，所述中频提取结构（20）包括第五电感（L5）、第六电感（L6）、第七电感（L7）和第八电感（L8），所述第五二极管（D5）和第七二极管（D7）的阴极分别通过第五电感（L5）和第六电感（L6）接地，所述第八二极管（D8）和第六二极管（D6）的阴极分别通过第七电感（L7）和第八电感（L8）得到所需的中频输出信号。
2.根据权利要求1 所述改进型三平衡混频器，其特征在于：所述第一二极管（D1）的阴极和第三二极管（D3）的阴极分别通过第一电容（C1）和第二电容（C2）与本振巴伦（10）的平衡差分信号双端口Out+(13) 和Out-(14) 连接，所述第四二极管（D4）的阴极和第二二极管（D2）的阴极分别通过第三电容（C3）和第四电容（C4）与射频巴伦（11）的平衡差分信号双端口Out+(16) 和Out-(17) 连接。
3.根据权利要求1 所述改进型三平衡混频器，其特征在于：所述第七电感（L7）和第八电感（L8）输出中频输出信号的一端还通过第五电容（C5）接地。
4.根据权利要求1 所述改进型三平衡混频器，其特征在于：所述第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）以及第四二极管（D4）的尺寸完全一致，所述第五二极管（D5）、第六二极管（D6）、第七二极管（D7）以及第八二极管（D8）的尺寸完全一致。
5.一种改进型三平衡混频器，其特征在于，包括两组分别由四个二极管首尾相连组成的闭合环路和三个信号端口：本振信号端（12），射频信号输入端（15）和中频信号输出端（21）；其中本振信号端（12）提供外部电路的本地振荡源信号，射频信号输入端（15）将需要被变频的信号导入，中频信号输出端（21）导出中频输出信号；所述本振信号端（12）和射频信号输入端（15）分别由本振巴伦（10）和射频巴伦（11）构成，中频信号输出端（21）由一个中频提取结构（20）构成；第一组闭合环路由第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）以及第四二极管（D4）阴极和阳极首尾相连组成，所述第一二极管（D1）的阴极和第三二极管（D3）的阴极分别与本振巴伦的平衡差分信号双端口Out+(13) 和Out-(14) 连接，所述第四二极管（D4）的阴极和第二二极管（D2）的阴极分别与射频巴伦的平衡差分信号双端口Out+(16) 和Out-(17) 连接；第二组闭合环路由第五二极管（D5）、第六二极管（D6）、第七二极管（D7）以及第八二极管（D8）阴极和阳极首尾相连组成，所述第五二极管（D5）、第六二极管（D6）、第七二极管（D7）以及第八二极管（D8）的阴极分别通过第一传输线、第四传输线、第二传输线以及第三传输线连接第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）以及第四二极管（D4）；在第五二极管（D5）、第六二极管（D6）、第七二极管（D7）以及第八二极管（D8）的阴极分别引出第一混频信号（IF1）、第四混频信号（IF4）、第二混频信号（IF2）以及第三混频信号（IF3），通过中频提取结构(20)，最终提取出所需的中频输出信号，所述中频提取结构（20）包括第五传输线、第六传输线、第七传输线和第八传输线，所述第五二极管（D5）和第七二极管（D7）的阴极分别通过相互耦合的第五传输线和第六传输线接地，所述第八二极管（D8）和第六二极管（D6）的阴极分别通过相互耦合的第七传输线和第八传输线得到所需的中频输出信号。
6.根据权利要求5所述改进型三平衡混频器，其特征在于：所述第一二极管（D1）的阴极和第三二极管（D3）的阴极分别通过第一电容（C1）和第二电容（C2）与本振巴伦（10）的平衡差分信号双端口Out+(13) 和Out-(14) 连接，所述第四二极管（D4）的阴极和第二二极管（D2）的阴极分别通过第三电容（C3）和第四电容（C4）与射频巴伦（11）的平衡差分信号双端口Out+(16) 和Out-(17) 连接。
7.根据权利要求5 所述改进型三平衡混频器，其特征在于：所述第七传输线和第八传输线输出中频输出信号的一端还通过第五电容（C5）接地。
8.根据权利要求5所述改进型三平衡混频器，其特征在于：所述第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）以及第四二极管（D4）的尺寸完全一致，所述第五二极管（D5）、第六二极管（D6）、第七二极管（D7）以及第八二极管（D8）的尺寸完全一致。
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