CN111865222A - 一种宽带变频系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种宽带变频系统，包括第一单刀三掷开关、预选器A1～A3、低噪声放大器B1～B3、LC滤波器C1～C3、混频器D1～D4、镜像抑制滤波器E1～E3、第二单刀三掷开关、高通滤波器、AGC(自动增益控制器)、低通滤波器、一本振及二本振。本发明将225～6000MHz的输入信号划分为三段，对其中任意一段频率的输入信号，仅通过一个DDS跳频源、一个点频源以及两个混频器进行两次变频便实现了225～6000MHz宽带下的变频，获得了140MHz或720MHz的变频信号，简化了电路结构，实现了225～6000MHz宽带下高镜像抑制和高线性度的变频系统。

Description

一种宽带变频系统
技术领域
本发明涉及变频技术领域，尤其涉及一种宽带变频系统。
背景技术
变频系统作为无线通信技术中连接自由空间和中频信号处理的纽带，其性能对整个通信系统来说至关重要。并且随着无线通信技术的发展，变频系统趋向于小型化、低功耗的同时，对其高带宽、高抑制、高线性度均提出更高的要求。
对于225～6000MHz的带宽，由于本振频率的限制，为了覆盖此带宽，必须对输入信号频率进行多个频段的划分，每个频段至少需要3次变频，导致变频系统的结构复杂、镜像频率抑制和线性度不足。
发明内容
有鉴于此本发明提出了一种宽带变频系统，以解决传统225～6000MHz带宽下变频系统的结构复杂、镜像频率抑制和线性度不足的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种宽带变频系统，包括第一单刀三掷开关、预选器A1～A3、LC滤波器C1～C3、混频器D1～D4、镜像抑制滤波器E1～E3、第二单刀三掷开关、高通滤波器、低通滤波器、一本振及二本振；
225～6000MHz输入信号经第一单刀三掷开关分为三路，第一路经依次连接的预选器A1、LC滤波器C1、混频器D1、镜像抑制滤波器E1到达第二单刀三掷开关，第二路经依次连接的预选器A2、LC滤波器C2、混频器D2、镜像抑制滤波器E2到达第二单刀三掷开关，第三路经依次连接的预选器A3、LC滤波器C3、混频器D3、镜像抑制滤波器E3到达第二单刀三掷开关，连接到达第二单刀三掷开关的信号经依次连接的高通滤波器、混频器D4、低通滤波器进行输出，一本振分别连接混频器D1～D3，二本振连接混频器D4；
预选器A1用于对225～6000MHz输入信号中225～2000MHz射频信号进行选择并抑制其镜像频率信号；LC滤波器C1用于对225～2000MHz射频信号的镜像频率信号进行二次抑制；混频器D1用于接收一本振输出的2945～4720MHz本振信号并将225～2000MHz射频信号变频为2720MHz；镜像抑制滤波器E1用于对2720MHz射频信号进行频率提取并对其镜像频率信号进行抑制；
预选器A2用于对225～6000MHz输入信号中2000～3500MHz射频信号进行选择并抑制其镜像频率信号；LC滤波器C2用于对2000～3500MHz射频信号的镜像频率信号进行二次抑制；混频器D2用于接收一本振输出的3860～5360MHz本振信号并将2000～3500MHz射频信号变频为1860MHz；镜像抑制滤波器E2用于对1860MHz射频信号进行频率提取并对其镜像频率信号进行抑制；
预选器A3用于对225～6000MHz输入信号中3500～6000MHz射频信号进行选择并抑制其镜像频率信号；LC滤波器C3用于对3500～6000MHz射频信号的镜像频率信号进行二次抑制；混频器D3用于接收一本振输出的6800～9300MHz本振信号并将3500～6000MHz射频信号变频为3300MHz；镜像抑制滤波器E3用于对3300MHz射频信号进行频率提取并对其镜像频率信号进行抑制；
混频器D4用于接收二本振输出的2580MHz本振信号并将2720MHz射频信号变频为140MHz、将1860MHz射频信号变频为720MHz以及将3300MHz射频信号变频为720MHz。
可选的，一本振为DDS宽带跳频频率源，二本振为点频源。
可选的，所述宽带变频系统还包括低噪声放大器B1～B3，低噪声放大器B1接入预选器A1与LC滤波器C1之间，低噪声放大器B2接入预选器A2与LC滤波器C2之间，低噪声放大器B3接入预选器A3与LC滤波器C3之间。
可选的，所述宽带变频系统还包括AGC，AGC接入高通滤波器与混频器D4之间。
可选的，混频器D1～D4中任一混频器包括MOS管S1～S6、电感L1、电阻R1～R2以及电容C1～C2；
电源VDD经电阻R1连接MOS管S3的漏极，电阻R1与MOS管S3漏极的公共端输出差分中频信号IF_P，电源VDD经电阻R2连接MOS管S6的漏极，电阻R1与MOS管S3漏极的公共端输出差分中频信号IF_N；
MOS管S3的漏极还连接MOS管S5的漏极，MOS管S6的漏极还连接MOS管S4的漏极，MOS管S3、MOS管S4的源极均连接MOS管S1的漏极，MOS管S5、MOS管S6的源极均连接MOS管S2的漏极，MOS管S4的栅极连接MOS管S5的栅极并接入差分本振信号LO_N，MOS管S3、MOS管S6的栅极均接入差分本振信号LO_P；
MOS管S1的栅极接入差分射频信号RF_P，MOS管S2的栅极接入差分射频信号RF_N，MOS管S1、MOS管S2的源极均接地，MOS管S1的漏极经电感L1连接MOS管S2的漏极，MOS管S1漏极与电感L1的公共端经电容C1接地，MOS管S2漏极与电感L1的公共端经电容C2接地，电感L1以及电容C1～C2的谐振频率等于射频信号频率。
可选的，所述任一混频器还包括电容C3～C4，电容C3与电阻R1并联，电容C4与电阻R2并联。
本发明的宽带变频系统相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明的宽带变频系统将225～6000MHz的输入信号划分为三段，对其中任意一段频率的输入信号，仅通过一个DDS跳频源、一个点频源以及两个混频器进行两次变频便实现了225～6000MHz宽带下的变频，获得了140MHz或720MHz的变频信号，简化了电路结构，实现了225～6000MHz宽带下高镜像抑制和高线性度的变频系统；
(2)本发明的混频器在跨导级与开关级之间加入了LC并联谐振电路，抑制了射频信号对地的馈通和闪烁噪声，改善了电路的信噪比，提升了电路的增益；
(3)本发明的混频器负载级采用了RC并联电路，可以改善电路的转换增益，还能起到滤波的作用，降低噪声信号干扰，提高本振信号到中频输出端的隔离度。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的宽带变频系统的结构示意图；
图2为本发明的混频器的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例的宽带变频系统包括第一单刀三掷开关、预选器A1～A3、低噪声放大器B1～B3、LC滤波器C1～C3、混频器D1～D4、镜像抑制滤波器E1～E3、第二单刀三掷开关、高通滤波器、AGC(自动增益控制器)、低通滤波器、一本振及二本振。
225～6000MHz输入信号经第一单刀三掷开关分为三路，第一路经依次连接的预选器A1、低噪声放大器B1、LC滤波器C1、混频器D1、镜像抑制滤波器E1到达第二单刀三掷开关，第二路经依次连接的预选器A2、低噪声放大器B2、LC滤波器C2、混频器D2、镜像抑制滤波器E2到达第二单刀三掷开关，第三路经依次连接的预选器A3、低噪声放大器B3、LC滤波器C3、混频器D3、镜像抑制滤波器E3到达第二单刀三掷开关，连接到达第二单刀三掷开关的信号经依次连接的高通滤波器、AGC、混频器D4、低通滤波器进行输出，一本振分别连接混频器D1～D3，二本振连接混频器D4。低噪声放大器B1～B3均用于对射频信号进行低噪声放大。
预选器A1用于对225～6000MHz输入信号中225～2000MHz射频信号进行选择并抑制其镜像频率信号；LC滤波器C1用于对225～2000MHz射频信号的镜像频率信号进行二次抑制；混频器D1用于接收一本振输出的2945～4720MHz本振信号并将225～2000MHz射频信号变频为2720MHz；镜像抑制滤波器E1用于对2720MHz射频信号进行频率提取并对其镜像频率信号进行抑制。
预选器A2用于对225～6000MHz输入信号中2000～3500MHz射频信号进行选择并抑制其镜像频率信号；LC滤波器C2用于对2000～3500MHz射频信号的镜像频率信号进行二次抑制；混频器D2用于接收一本振输出的3860～5360MHz本振信号并将2000～3500MHz射频信号变频为1860MHz；镜像抑制滤波器E2用于对1860MHz射频信号进行频率提取并对其镜像频率信号进行抑制。
预选器A3用于对225～6000MHz输入信号中3500～6000MHz射频信号进行选择并抑制其镜像频率信号；LC滤波器C3用于对3500～6000MHz射频信号的镜像频率信号进行二次抑制；混频器D3用于接收一本振输出的6800～9300MHz本振信号并将3500～6000MHz射频信号变频为3300MHz；镜像抑制滤波器E3用于对3300MHz射频信号进行频率提取并对其镜像频率信号进行抑制。
高通滤波器用于对射频信号的输出频率进行抑制，AGC用于对射频信号的输入幅度大小进行调整混并放大动态范围，混频器D4用于接收二本振输出的2580MHz本振信号并将2720MHz射频信号变频为140MHz、将1860MHz射频信号变频为720MHz以及将3300MHz射频信号变频为720MHz，低通滤波器用于140MHz以及720MHz的输出信号的谐波进行抑制。
其中，一本振为DDS宽带跳频频率源，二本振为点频源。
这样，本实施例将225～6000MHz的输入信号划分为三段，对其中任意一段频率的输入信号，仅通过一个DDS跳频源、一个点频源以及两个混频器进行两次变频便实现了225～6000MHz宽带下的变频，获得了140MHz或720MHz的变频信号，简化了电路结构，实现了225～6000MHz宽带下高镜像抑制和高线性度的变频系统。
进一步的，如图2所示，混频器D1～D4中任一混频器包括NMOS管S1～S6、电感L1、电阻R1～R2以及电容C1～C4。
电源VDD经电阻R1连接MOS管S3的漏极，电容C3与电阻R1并联，电阻R1与MOS管S3漏极的公共端输出差分中频信号IF_P，电源VDD经电阻R2连接MOS管S6的漏极，电容C4与电阻R2并联，电阻R1与MOS管S3漏极的公共端输出差分中频信号IF_N。
MOS管S3的漏极还连接MOS管S5的漏极，MOS管S6的漏极还连接MOS管S4的漏极，MOS管S3、MOS管S4的源极均连接MOS管S1的漏极，MOS管S5、MOS管S6的源极均连接MOS管S2的漏极，MOS管S4的栅极连接MOS管S5的栅极并接入差分本振信号LO_N，MOS管S3、MOS管S6的栅极均接入差分本振信号LO_P。
MOS管S1的栅极接入差分射频信号RF_P，MOS管S2的栅极接入差分射频信号RF_N，MOS管S1、MOS管S2的源极均接地，MOS管S1的漏极经电感L1连接MOS管S2的漏极，MOS管S1漏极与电感L1的公共端经电容C1接地，MOS管S2漏极与电感L1的公共端经电容C2接地。
其中，MOS管S1～S6、电阻R1～R2构成传统的双平衡吉尔伯特混频器，包括跨导级、开关级及负载级，跨导级包括MOS管S1～S2，用于接入射频电压信号，将射频电压信号转化为射频电流信号，开关级包括MOS管S3～S6，用于接入本振信号和射频电流信号，根据本振信号控制多个开关管轮流导通，利用多个开关管轮流导通对射频电流信号进行切换调制，生成中频电流信号传输至负载级电路，负载级包括电阻R1～R2，用于将中频电流信号转化为电压信号进行输出。
对于传统的双平衡吉尔伯特混频器而言，混频器的闪烁噪声主要由开关级引起，共源MOS管的非线性主要由跨导gm的非线性引起。跨导级共源MOS管S1的漏电流Ids可以由泰勒级数展开Ids＝Idc+gm1,1×Vgs+gm2,1×Vgs2+gm3,1×Vgs3+...。其中，Idc为MOS管S1的直流偏置电流，Vgs为MOS管S1的小信号栅源电压，gmn,1为MOS管S1跨导gm的n阶导数项。漏电流Ids的3阶展开项gm3,1×Vgs3对MOS管的3阶交调失真起决定性作用。可通过调节MOS管的节栅源偏置电压使MOS管S1的3阶项gm3,1为0，当gm3,1为0为0时，跨导2阶项gm2,1达到最大值，二次谐波通过MOS管S1栅漏电容再次耦合到输入端，与基波信号混频后会产生新的3次谐波，恶化了混频器的线性度。
本实施例中，开关级还包括电感L1以及电容C1～C2，相当于在开关级共源端增加了一个谐振频率与射频信号频率相同的LC并联谐振电路，通过LC并联谐振电路可有效抑制射频信号通过寄生电容对地的馈通，同时将谐波滤除，提高了混频器的整体线性度，同时改善了电路的信噪比。由于电路电流较小，开关管1/gm,L0很大，在高频时大部分射频信号会通过开关级共源端的寄生电容泄漏，LC并联谐振电路可有效抑制这种泄漏，使增益大幅提高。
并且，本实施例的负载级还包括电容C3～C4，采用了RC并联电路，可以改善电路的转换增益，还能起到滤波的作用，降低噪声信号干扰，提高本振信号到中频输出端的隔离度。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种宽带变频系统，其特征在于，包括第一单刀三掷开关、预选器A1～A3、LC滤波器C1～C3、混频器D1～D4、镜像抑制滤波器E1～E3、第二单刀三掷开关、高通滤波器、低通滤波器、一本振及二本振；
225～6000MHz输入信号经第一单刀三掷开关分为三路，第一路经依次连接的预选器A1、LC滤波器C1、混频器D1、镜像抑制滤波器E1到达第二单刀三掷开关，第二路经依次连接的预选器A2、LC滤波器C2、混频器D2、镜像抑制滤波器E2到达第二单刀三掷开关，第三路经依次连接的预选器A3、LC滤波器C3、混频器D3、镜像抑制滤波器E3到达第二单刀三掷开关，连接到达第二单刀三掷开关的信号经依次连接的高通滤波器、混频器D4、低通滤波器进行输出，一本振分别连接混频器D1～D3，二本振连接混频器D4；
预选器A1用于对225～6000MHz输入信号中225～2000MHz射频信号进行选择并抑制其镜像频率信号；LC滤波器C1用于对225～2000MHz射频信号的镜像频率信号进行二次抑制；混频器D1用于接收一本振输出的2945～4720MHz本振信号并将225～2000MHz射频信号变频为2720MHz；镜像抑制滤波器E1用于对2720MHz射频信号进行频率提取并对其镜像频率信号进行抑制；
预选器A2用于对225～6000MHz输入信号中2000～3500MHz射频信号进行选择并抑制其镜像频率信号；LC滤波器C2用于对2000～3500MHz射频信号的镜像频率信号进行二次抑制；混频器D2用于接收一本振输出的3860～5360MHz本振信号并将2000～3500MHz射频信号变频为1860MHz；镜像抑制滤波器E2用于对1860MHz射频信号进行频率提取并对其镜像频率信号进行抑制；
预选器A3用于对225～6000MHz输入信号中3500～6000MHz射频信号进行选择并抑制其镜像频率信号；LC滤波器C3用于对3500～6000MHz射频信号的镜像频率信号进行二次抑制；混频器D3用于接收一本振输出的6800～9300MHz本振信号并将3500～6000MHz射频信号变频为3300MHz；镜像抑制滤波器E3用于对3300MHz射频信号进行频率提取并对其镜像频率信号进行抑制；
混频器D4用于接收二本振输出的2580MHz本振信号并将2720MHz射频信号变频为140MHz、将1860MHz射频信号变频为720MHz以及将3300MHz射频信号变频为720MHz。
2.如权利要求1所述的宽带变频系统，其特征在于，一本振为DDS宽带跳频频率源，二本振为点频源。
3.如权利要求1所述的宽带变频系统，其特征在于，还包括低噪声放大器B1～B3，低噪声放大器B1接入预选器A1与LC滤波器C1之间，低噪声放大器B2接入预选器A2与LC滤波器C2之间，低噪声放大器B3接入预选器A3与LC滤波器C3之间。
4.如权利要求1所述的宽带变频系统，其特征在于，还包括AGC，AGC接入高通滤波器与混频器D4之间。
5.如权利要求1-4任一所述的宽带变频系统，其特征在于，混频器D1～D4中任一混频器包括MOS管S1～S6、电感L1、电阻R1～R2以及电容C1～C2；
电源VDD经电阻R1连接MOS管S3的漏极，电阻R1与MOS管S3漏极的公共端输出差分中频信号IF_P，电源VDD经电阻R2连接MOS管S6的漏极，电阻R1与MOS管S3漏极的公共端输出差分中频信号IF_N；
MOS管S3的漏极还连接MOS管S5的漏极，MOS管S6的漏极还连接MOS管S4的漏极，MOS管S3、MOS管S4的源极均连接MOS管S1的漏极，MOS管S5、MOS管S6的源极均连接MOS管S2的漏极，MOS管S4的栅极连接MOS管S5的栅极并接入差分本振信号LO_N，MOS管S3、MOS管S6的栅极均接入差分本振信号LO_P；
MOS管S1的栅极接入差分射频信号RF_P，MOS管S2的栅极接入差分射频信号RF_N，MOS管S1、MOS管S2的源极均接地，MOS管S1的漏极经电感L1连接MOS管S2的漏极，MOS管S1漏极与电感L1的公共端经电容C1接地，MOS管S2漏极与电感L1的公共端经电容C2接地，电感L1以及电容C1～C2的谐振频率等于射频信号频率。
6.如权利要求5所述的宽带变频系统，其特征在于，所述任一混频器还包括电容C3～C4，电容C3与电阻R1并联，电容C4与电阻R2并联。
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