CN109743023B - 一种可上下变频复用的24GHz混频器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混频器技术，具体涉及一种可上下变频复用的24GHz混频器，包括第一平衡‑不平衡转换器T1、第二平衡‑不平衡转换器T2、有源巴伦电路、第一跨导放大电路、第二跨导放大电路、开关级电路、第一缓冲电路和第二缓冲电路。该混频器利用开关级MOS晶体管源漏级的互易特性，使电路可以分别工作于上变频和下变频两种状态。当电路工作于两种不同状态时，混频器的射频端口既可作为上变频信号输出端口，与发射支路的功率放大器相连接，也可作为下变频信号输入端口，与接收支路的低噪放大器相连接。由此将收发机中的上下混频链路合二为一，减少了电路的复杂度，节省了系统的整体功耗和面积。

Description

一种可上下变频复用的24GHz混频器

技术领域

本发明属于混频器技术领域，尤其涉及一种可上下变频复用的24GHz混频器。

背景技术

随着智能交通的迅速发展，雷达传感器在汽车驾驶辅助系统中的运用越来越广泛，24GHz雷达传感器以其波束角度小、灵敏度高、体积小巧等优势迅速成为汽车驾驶辅助系统中应用最为广泛的雷达传感器。混频器作为雷达传感器系统中负责频率变换的关键模块，具有十分重要的地位。

雷达收发器中的混频链路由上变频器和下变频器组成，上变频器处于发射支路，负责将基带信号变换至射频信号并发送给功率放大器；下变频器处于接收支路，负责接收低噪放大器放大后的射频信号并将其变换至中频信号，两者通常分开设计并独立工作。上下变频电路的分开独立设计方式，必然会占用更大的芯片面积，消耗更多的功耗和提升系统复杂度。在提倡低功耗设计和小型化设计的今天，需要尝试新的设计方式以改观上述情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种将收发机中的上下混频链路合二为一的混频器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可上下变频复用的24GHz混频器，包括第一平衡-不平衡转换器T1、第二平衡-不平衡转换器T2、有源巴伦电路、第一跨导放大电路、第二跨导放大电路、开关级电路、第一缓冲电路和第二缓冲电路；

上变频工作状态时，单端基带输入信号通过有源巴伦电路转换为差分基带电压信号，并输入至第一、第二跨导级放大电路，第一、第二跨导放大电路将其转换为差分基带电流信号，并输入至开关级电路；单端本振输入信号通过第一平衡-不平衡转换器T1转换为正向本振电压信号LO+和反向本振电压信号LO-，并驱动开关级电路的导通和截止，使流入开关级电路的差分基带电流信号进行周期性换向，产生差分射频电流信号并输入至第二平衡-不平衡转换器；第二平衡-不平衡转换器将差分射频电流信号合成并产生射频输出信号；

下变频工作状态时，单端射频输入信号通过第二平衡-不平衡转换器T2转换为差分射频电流信号，并输入至开关级电路；单端本振输入信号通过第一平衡-不平衡转换器T1转换为正向本振电压信号LO+和反向本振电压信号LO-，并驱动开关级电路的导通和截止，使流入开关级电路的差分射频电流信号进行周期性换向，产生差分中频电流信号并输入至第一、第二跨导放大电路；第一、第二跨导放大电路将差分中频电流信号转换为差分中频电压信号，并输入至第一、第二缓冲电路；第一、第二缓冲电路对差分中频电压信号进行缓冲放大成为中频输出信号。

在上述的可上下变频复用的24GHz混频器中，有源巴伦电路包括晶体管M1、M2、M3、M4和电阻R0、R1、R2，晶体管M1和晶体管M2的栅极互相连接并接入单端基带输入信号，两者源极接地，晶体管M1的漏级和晶体管M3的源级相连，晶体管M3的漏级和电阻R1的一端相连，输出正向基带电压信号BB+，电阻R1的另一端连接电源电压VDD；晶体管M2的漏级和电阻R0的一端相连，电阻R0的另一端与晶体管M4的源级相连，晶体管M4的漏级和电阻R2的一端相连，输出反向基带电压信号BB-，电阻R2的另一端连接电源电压VDD。

在上述的可上下变频复用的24GHz混频器中，第一跨导电路包括晶体管M5，第二跨导电路包括晶体管M6，晶体管M5源极接地，栅级与电容C1一端相连并接入正向基带电压信号BB+，漏级与开关级电路连接；晶体管M6源极接地，栅级与电容C2一端相连并接入反向基带电压信号BB-，漏级与开关级电路连接。

在上述的可上下变频复用的24GHz混频器中，开关级电路包括晶体管M7、M8、M9和M10，晶体管M7和晶体管M10的栅极接入正向本振电压信号LO+，晶体管M8和晶体管M9的栅极接入反向本振电压信号LO-；晶体管M7和晶体管M8的源极相连，并与电容C3的一端相连，电容C3的另一端输出正向中频电压信号IF+；晶体管M9和晶体管M10的源极相连，并与电容C4的一端相连，电容C4的另一端输出反向中频电压信号IF-；晶体管M7和晶体管M9的漏极相连，并与第二平衡-不平衡转换器T2连接，晶体管M8和M10的漏极相连，并与第二平衡-不平衡转换器T2连接。

在上述的可上下变频复用的24GHz混频器中，第一缓冲电路包括晶体管M11和晶体管M12，电阻R5，第二缓冲电路包括晶体管M13和晶体管M14，电阻R6，晶体管M11源极接地，晶体管M12源极连接至电源电压VDD，晶体管M11和晶体管M12的栅极相连并与电阻R5的一端相连，此端与正向中频电压信号IF+连接，两者的漏级相连并与电阻R5的另一端相连，此端作为正向中频输出信号IFoutput+；晶体管M13源极接地，晶体管M14源极连接至电源电压VDD，晶体管M13和晶体管M14的栅极相连并与电阻R6的一端相连，此端与反向中频电压信号IF-连接，两者的漏级相连并与电阻R6的另一端相连，此端作为反向中频输出信号IFoutput-。

本发明的有益效果：本发明将收发机中的上下混频链路合二为一，减少了电路的复杂度，节省了系统的整体功耗和面积。

附图说明

图1是本发明一个实施例可上下变频复用的24GHz混频器的电路原理图；

图2是本发明一个实施例上变频工作状态下的输出信号瞬态仿真图；

图3是本发明一个实施例下变频工作状态下的输出信号瞬态仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例利用开关级MOS晶体管源漏级的互易特性，使电路可以分别工作于上变频和下变频两种状态。当电路工作于两种不同状态时，混频器的射频端口既可作为上变频信号输出端口，与发射支路的功率放大器相连接，也可作为下变频信号输入端口，与接收支路的低噪放大器相连接。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，如图1所示，一种可上下变频复用的24GHz混频器，包括第一平衡-不平衡转换器T1、第二平衡-不平衡转换器T2、有源巴伦电路、第一跨导放大电路、第二跨导放大电路、开关级电路、第一缓冲电路和第二缓冲电路；

第一平衡-不平衡转换器输出一端为正向本振电压信号LO+，另一端为反向本振电压信号LO-；

第二平衡-不平衡转换器中心抽头为偏置电压信号Vb3；

有源巴伦电路输出一端为正向基带电压信号BB+，另一端为反向基带电压信号BB-；

第一跨导放大电路和第二跨导放大电路工作于上变频状态时分别接入正向基带电压信号BB+和反向基带电压信号BB-，且分别转换为正向基带电流信号和反向基带电流信号，并输入至开关级电路；

开关级电路工作于上变频状态时分别接入正向本振电压信号LO+和反向本振电压信号LO-控制其导通和截止，对正向基带电流信号和反向基带电流信号进行周期性换向，产生正向射频电流信号和反向射频电流信号并输入至第二平衡-不平衡转换器；

第二平衡-不平衡转换器工作于上变频状态时将正向射频电流信号和反向射频电流信号合成并产生射频输出信号；

开关级电路工作于下变频状态时分别接入正向本振电压信号LO+和反向本振电压信号LO-控制其导通和截止，对第二平衡-不平衡转换器输出的正向射频电流信号和反向射频电流信号进行周期性换向，产生正向中频电流信号和反向中频电流信号并输入至第一、第二跨导放大电路；

第一跨导放大电路和第二跨导放大电路工作于下变频状态时分别将正向中频电流信号和反向中频电流信号转换为正向中频电压信号IF+和反向中频电压信号IF-，并输入至第一、第二缓冲电路；

第一缓冲电路和第二缓冲电路分别接入正向中频电压信号IF+和反向中频电压信号IF-进行缓冲放大成为中频输出信号。

而且，有源巴伦电路包括晶体管M1、M2、M3、M4和电阻R0、R1、R2，晶体管M1和M2的栅极互相连接并接入基带输入信号，两者源极接地，晶体管M1的漏级和M3的源级相连，晶体管M3的漏级和电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端连接电源电压VDD；晶体管M2的漏级和电阻R0的一端相连，电阻R0的另一端与M4的源级相连，晶体管M4的漏级和电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端连接电源电压VDD。

而且，第一跨导电路包括晶体管M5，第二跨导电路包括晶体管M6，晶体管M5源极接地，栅级与电容C1一端相连并接入正向基带电压信号BB+，漏级与开关级电路连接；晶体管M6源极接地，栅级与电容C2一端相连并接入反向基带电压信号BB-，漏级与开关级电路连接。

而且，开关级电路包括晶体管M7、M8、M9和M10，晶体管M7和M10的栅极接入正向本振电压信号LO+，晶体管M8和M9的栅极接入反向本振电压信号LO-；晶体管M7和M8的源极相连，并与电容C3的一端相连，电容C3的另一端输出正向中频电压信号IF+；晶体管M9和M10的源极相连，并与电容C4的一端相连，电容C4的另一端输出反向中频电压信号IF-；晶体管M7和M9的漏极相连，并与第二平衡-不平衡转换器T2连接，晶体管M8和M10的漏极相连，并与第二平衡-不平衡转换器T2连接。

而且，第一缓冲电路包括晶体管M11和M12，电阻R5，第二缓冲电路包括晶体管M13和M14，电阻R6，晶体管M11源极接地，晶体管M12源极连接至电源电压VDD，晶体管M11和M12的栅极相连并与电阻R5的一端相连，此端与正向中频电压信号端IF+连接，两者的漏级相连并与电阻R5的另一端相连，此端作为正向中频输出信号IFoutput+；晶体管M13源极接地，晶体管M14源极连接至电源电压VDD，晶体管M13和M14的栅极相连并与电阻R6的一端相连，此端与反向中频电压信号端IF-连接，两者的漏级相连并与电阻R6的另一端相连，此端作为反向中频输出信号IFoutput-。

本实施例的工作原理如下：当电路工作于上变频状态时，单端基带输入信号通过有源巴伦电路转换为差分基带电压信号正向基带电压信号BB+和反向基带电压信号BB-，并输入至第一、第二跨导级放大电路；第一、第二跨导放大电路晶体管M5和M6将差分基带电压信号转换为差分基带电流信号，并输入至开关级电路；单端本振输入信号通过第一平衡-不平衡转换器T1转换为差分本振信号正向本振电压信号LO+和反向本振电压信号LO-，并驱动开关级电路晶体管M7、M8和M9、M10轮流导通和截止，使流入开关级电路的差分基带电流信号进行周期性换向，并产生所需的差分射频电流信号，此时节点S1、S2和节点S3、S4分别对应开关级电路4个晶体管的源极和漏级，并分别作为基带电流信号的输入、输出节点；差分射频电流信号通过第二平衡-不平衡转换器T2转换为单端射频电压信号并从射频端口输出。当电路工作于下变频状态时，单端射频输入信号通过第二平衡-不平衡转换器T2转换为差分射频电流信号，并输入至开关级电路；单端本振输入信号通过第一平衡-不平衡转换器T1转换为差分本振信号正向本振电压信号LO+和反向本振电压信号LO-，并驱动开关级电路晶体管M7、M8和M9、M10轮流导通和截止，使流入开关级电路的差分射频电流信号进行周期性换向，并产生所需的差分中频电流信号，此时节点S3、S4和节点S1、S2分别对应开关级电路4个晶体管的源极和漏级，并分别作为差分射频电流信号的输入、输出节点；差分中频电流信号在第一、第二跨导放大电路晶体管M5和M6上产生差分中频电压信号正向中频电压信号IF+和反向中频电压信号IF-，并输入至第一、第二缓冲电路；第一、第二缓冲电路晶体管M11、M12和M13、M14将差分中频电压信号进一步放大，作为最终的输出信号并驱动后级负载。

如图2所示，本实施例混频器工作于上变频状态时的输出信号瞬态仿真图，此时的输入射频信号为23.9GHz/-20dBm，输入本振信号为24GHz/-20dBm。

如图3所示，本实施例混频器工作于下变频状态时的输出信号瞬态仿真图，此时的输入基带信号为0.1GHz/-20dBm，输入本振信号为24GHz/-20dBm。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种可上下变频复用的24GHz混频器，其特征是，包括第一平衡-不平衡转换器T1、第二平衡-不平衡转换器T2、有源巴伦电路、第一跨导放大电路、第二跨导放大电路、开关级电路、第一缓冲电路和第二缓冲电路；

上变频工作状态时，单端基带输入信号通过有源巴伦电路转换为差分基带电压信号，并输入至第一、第二跨导级放大电路，第一、第二跨导放大电路将其转换为差分基带电流信号，并输入至开关级电路；单端本振输入信号通过第一平衡-不平衡转换器T1转换为正向本振电压信号LO+和反向本振电压信号LO-，并驱动开关级电路的导通和截止，使流入开关级电路的差分基带电流信号进行周期性换向，产生差分射频电流信号，节点S1、S2和节点S3、S4分别对应开关级电路4个晶体管的源极和漏级，并分别作为基带电流信号的输入、输出节点；差分射频电流信号通过第二平衡-不平衡转换器转换为单端射频电压信号并从射频端口输出；

下变频工作状态时，单端射频输入信号通过第二平衡-不平衡转换器T2转换为差分射频电流信号，并输入至开关级电路；单端本振输入信号通过第一平衡-不平衡转换器T1转换为正向本振电压信号LO+和反向本振电压信号LO-，并驱动开关级电路的导通和截止，使流入开关级电路的差分射频电流信号进行周期性换向，产生差分中频电流信号，节点S3、S4和节点S1、S2分别对应开关级电路4个晶体管的源极和漏级，并分别作为差分射频电流信号的输入、输出节点；差分中频电流信号在第一、第二跨导放大电路晶体管上产生差分中频电压信号正向中频电压信号IF+和反向中频电压信号IF-，并输入至第一、第二缓冲电路；第一、第二缓冲电路晶体管将差分中频电压信号进一步放大，作为最终的输出信号并驱动后级负载。

2.如权利要求1所述的可上下变频复用的24GHz混频器，其特征是，有源巴伦电路包括晶体管M1、M2、M3、M4和电阻R0、R1、R2，晶体管M1和晶体管M2的栅极互相连接并接入单端基带输入信号，两者源极接地，晶体管M1的漏级和晶体管M3的源级相连，晶体管M3的漏级和电阻R1的一端相连，输出正向基带电压信号BB+，电阻R1的另一端连接电源电压VDD；晶体管M2的漏级和电阻R0的一端相连，电阻R0的另一端与晶体管M4的源级相连，晶体管M4的漏级和电阻R2的一端相连，输出反向基带电压信号BB-，电阻R2的另一端连接电源电压VDD。

3.如权利要求2所述的可上下变频复用的24GHz混频器，其特征是，第一跨导电路包括晶体管M5，第二跨导电路包括晶体管M6，晶体管M5源极接地，栅级与电容C1一端相连并接入正向基带电压信号BB+，漏级与开关级电路连接；晶体管M6源极接地，栅级与电容C2一端相连并接入反向基带电压信号BB-，漏级与开关级电路连接。

4.如权利要求1所述的可上下变频复用的24GHz混频器，其特征是，开关级电路包括晶体管M7、M8、M9和M10，晶体管M7和晶体管M10的栅极接入正向本振电压信号LO+，晶体管M8和晶体管M9的栅极接入反向本振电压信号LO-；晶体管M7和晶体管M8的源极相连，并与电容C3的一端相连，电容C3的另一端输出正向中频电压信号IF+；晶体管M9和晶体管M10的源极相连，并与电容C4的一端相连，电容C4的另一端输出反向中频电压信号IF-；晶体管M7和晶体管M9的漏极相连，并与第二平衡-不平衡转换器T2连接，晶体管M8和M10的漏极相连，并与第二平衡-不平衡转换器T2连接。

5.如权利要求4所述的可上下变频复用的24GHz混频器，其特征是，第一缓冲电路包括晶体管M11和晶体管M12，电阻R5，第二缓冲电路包括晶体管M13和晶体管M14，电阻R6，晶体管M11源极接地，晶体管M12源极连接至电源电压VDD，晶体管M11和晶体管M12的栅极相连并与电阻R5的一端相连，此端与正向中频电压信号IF+连接，两者的漏级相连并与电阻R5的另一端相连，此端作为正向中频输出信号IFoutput+；晶体管M13源极接地，晶体管M14源极连接至电源电压VDD，晶体管M13和晶体管M14的栅极相连并与电阻R6的一端相连，此端与反向中频电压信号IF-连接，两者的漏级相连并与电阻R6的另一端相连，此端作为反向中频输出信号IFoutput-。

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