CN108631734A - 一种基于多耦合传输线的毫米波宽带混频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多耦合传输线的毫米波宽带混频器，包括多耦合传输线结构、反向并联接地二极管对结构、低通滤波器等。所述多耦合传输线结构、反向并联接地二极管对结构和低通滤波器依次连接；所述多耦合传输线结构由五根平行耦合的微带线组成，射频输入信号连接第四传输线的左侧端，本振输入信号连接第二传输线的右侧端，第一传输线、第三传输线和第五传输线的两端连接在一起，第三传输线的右侧端连接反向并联接地二极管对结构的另一端，再连接低通滤波器至中频输出。本发明具有电路结构简单、工作频带宽、芯片面积小，易于在集成电路工艺上单片集成等特点。

Description

一种基于多耦合传输线的毫米波宽带混频器

技术领域

本发明涉及微波及毫米波电路中的混频器，具体涉及基于集成电路工艺实现单片集成的混频电路，设计结构简单，可将宽频带的毫米波信号转换至中频。

背景技术

随着无线通信以及大数据业务的高速发展，无线频谱的低频段资源已逐渐饱和，即便采用更加复杂的调制方式来提高频谱利用率，也难以满足未来通信发展的需求。因此，高速、宽带的无线通信系统对大带宽和充沛频谱资源提出了更高的需求，使得其工作频段朝着微波毫米波延伸成为了必然趋势。毫米波由于其频带宽、波长短，可以实现高速率的数据传输，在第五代以及下一代无线通信中有着广泛的应用前景。

混频器是毫米波前端系统中的关键模块之一，担负着将毫米波信号转换至中频的重任。但在微波毫米波频段，高性能的本振源难以实现，而利用本振信号频率的谐波分量进行混频，为解决高性能本振源问题提供了一种选择。因此，宽带的谐波混频器成为毫米波宽带通信系统中的重要模块之一。

通常利用有源晶体管(场效应管和双极晶体管)或二极管的非线性特性来实现混频器的设计。基于有源器件的混频器能够实现比较好的变频增益，但会引入比较大的噪声；而基于二极管的混频器实现宽带混频器时则常常采用双平衡结构，不仅结构比较复杂(需要2个巴伦和4个二极管器件)，而且难以实现非常高的带宽。另外，这种结构在工作在非常高的频率比如毫米波频段时，变频损耗及噪声也会变得比较差。

发明内容

本发明的目的是为毫米波通信系统中的宽带毫米波信号接收问题，同时简化混频器的设计并优化电路性能，而提出一种基于多耦合传输线的毫米波宽带混频器电路。

本发明为解决上述技术问题所采用的方案：

一种基于多耦合传输线的毫米波宽带混频器，包括多耦合传输线结构、反向并联接地二极管对结构和低通滤波器；所述多耦合传输线结构、反向并联接地二极管对结构和低通滤波器依次连接；所述反向并联接地二极管对结构由两个二极管反向并联而成，其中一端接地；所述多耦合传输线结构由五根平行耦合的微带线组成，其中第一传输线与第二传输线平行耦合，第二传输线与第三传输线平行耦合，第三传输线与第四传输线平行耦合，第四传输线与第五传输线平行耦合；射频输入信号连接第四传输线的一端，第四传输线的另一端开路；第二传输线一端连接一个接地的电阻，第二传输线的另一端连接本振输入和一个并联开路的传输线；第一传输线、第三传输线和第五传输线的一端连接在一起，第一传输线、第三传输线和第五传输线的另一端连接反向并联接地二极管对结构的另一端，再连接低通滤波器至中频输出；

作为优选，所述多耦合传输线由集成电路工艺的顶层金属线平行耦合构成，第一传输线、第三传输线和第五传输线的两端采用下层金属和过孔进行连接。

作为优选，所述的毫米波宽带混频器采用集成电路工艺实现单片集成。

本发明的优点和显著效果：

1、本发明采用多耦合传输线结构实现对射频和本振信号的宽带匹配，扩展了混频器工作带宽，减小了芯片面积；

2、本发明采用多耦合传输线匹配的方式，直接实现了直流隔离功能，省去了隔直电容的使用，简化了混频器的匹配结构并优化了电路性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例的多耦合传输线结构示意图；

图3为本发明实施例的混频器转换损耗仿真结果；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

如图1所示，一种基于多耦合传输线的毫米波宽带混频器，包括多耦合传输线结构、反向并联接地二极管对结构、低通滤波器等。毫米波宽带混频器采用集成电路工艺实现单片集成。

所述多耦合传输线结构、反向并联接地二极管对结构和低通滤波器依次连接；所述反向并联接地二极管对结构由两个二极管D1和D2反向并联而成，其中一端接地；所述多耦合传输线结构由五根平行耦合的微带线组成，射频输入信号RF连接第四传输线的一端，第四传输线的另一端开路；第二传输线一端连接一个接地的电阻R，第二传输线的另一端连接一个并联开路的传输线L1，再连接至本振输入LO；第一传输线、第三传输线和第五传输线的两端连接在一起，第三传输线的另一端连接反向并联接地二极管对结构的另一端，再连接低通滤波器至中频输出IF。

所述多耦合传输线由集成电路工艺的顶层金属线平行耦合构成，第一传输线、第三传输线和第五传输线的两端采用下层金属和过孔进行连接。

以W/D波段毫米波宽带混频器电路为例对本发明进行描述。

混频器采用反向并联二极管对结构，能够降低本振信号的工作频率(通常为射频信号频率的一半)，并且只输出射频和本振信号的奇次混频分量，并且比单管混频结构更大的幅度；同时让偶次混频分量仅存在于管对环路内部，使得信号功率得以充分使用，降低了转换损耗。另外，采用反向并联接地二极管对结构作为混频核心还能够直接提供直流接地回路，减小电路的面积。实施例中混频器电路的射频RF输入为80～170GHz，本振LO输入为射频频率的一半，中频IF输出为DC～5GHz。

实施例中混频器电路基于GaAs HEMT工艺实现，二极管由HEMT器件构成。为保持平衡对称，二极管D1和D2采用同样的尺寸参数，其栅长为3um，栅宽为26μm(包含2个叉指，每个叉指长13μm)。

实施例中多耦合传输线采用五根平行耦合微带线结构，其三维结构如图2所示。其中，传输线采用了所用工艺的顶层金属(厚度为1.25μm)，五根微带线长度均为130μm，宽带分别为12μm、10μm、18μm、10μm和14μm，间隙分别为4μm、3μm、7μm和9μm。第一传输线、第三传输线和第五传输线的两端采用下层金属(厚度为0.65μm)和过孔进行连接，两层金属之间的间距为0.945μm。

实施例多耦合传输线中第二传输线一端连接一个接地的电阻R为130欧姆，第二传输线的另一端连接一个并联开路的传输线L1。该开路传输线也为微带线结构，长度为70μm，宽度为10μm。实施例中的低通滤波器由一根级联微带线和一个并联接地电容组成，其中级联微带线长度为240μm，宽度为10μm；并联接地电容为175fF。

如图3所示，采用工艺线提供的二极管模型，并经过全电路的电磁场仿真和优化，该混频器在本振LO功率为13dBm时，可以对输入信号为80～170GHz的毫米波信号进行下混频变换，转换损耗为-15.8～-17.8dB，3dB带宽大于72％，工作频段范围内本振至射频(LO-RF)隔离度和本振至中频(LO-IF)隔离度均大于20dB。

以上内容是结合具体的实施案例对本发明作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所述技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，对本发明的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下，进行的等效变换或替代，也落入本发明的保护范围。

本发明未公开的技术属本领域公知技术。

Claims (3)

1.一种基于多耦合传输线的毫米波宽带混频器，包括多耦合传输线结构、反向并联接地二极管对结构和低通滤波器；

其特征在于：所述多耦合传输线结构、反向并联接地二极管对结构和低通滤波器依次连接；所述反向并联接地二极管对结构由两个二极管反向并联而成，其中一端接地；所述多耦合传输线结构由五根平行耦合的微带线组成，其中第一传输线与第二传输线平行耦合，第二传输线与第三传输线平行耦合，第三传输线与第四传输线平行耦合，第四传输线与第五传输线平行耦合；射频输入信号连接第四传输线的一端，第四传输线的另一端开路；第二传输线一端连接一个接地的电阻，第二传输线的另一端连接本振输入和一个并联开路的传输线；第一传输线、第三传输线和第五传输线的一端连接在一起，第一传输线、第三传输线和第五传输线的另一端连接反向并联接地二极管对结构的另一端，再连接低通滤波器至中频输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于多耦合传输线的毫米波宽带混频器，其特征在于：所述多耦合传输线由集成电路工艺的顶层金属线平行耦合构成，第一传输线、第三传输线和第五传输线的两端采用下层金属和过孔进行连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于多耦合传输线的毫米波宽带混频器，其特征在于：所述的毫米波宽带混频器采用集成电路工艺实现单片集成。