CN111987994B - 一种高性能小型化单片集成的谐波混频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能小型化单片集成的谐波混频器，包括双频功分器，反向并联二极管对，介于双频功分器与二极管对之间的隔直和匹配电路，低通滤波器；具体是本振信号和射频信号经双频功分器的输入端到达合成端，再通过隔直和匹配电路加载到二极管对的中间引脚上，利用二极管对的非线性进行混频，混频产生的中频信号经低通滤波器输出。本发明中设计的双频功分器具有优异的端口匹配和隔离特性，同时具有较低的传输损耗和较宽的带宽，辅以隔直和匹配电路和低通滤波器，使得本发明谐波混频器具有设计简单、信号间隔离度高、端口驻波优异、混频效率高、尺寸小等特点。
Description
技术领域
本发明属于射频/毫米波/太赫兹无线通信集成电路技术领域，旨在对传统谐波混频器电路结构进行改进，特别是一种高性能小型化单片集成的谐波混频器。
背景技术
混频器是射频、毫米波、太赫兹无线通信系统收发前端集成电路中的关键部件。发射机前端将要发射的低频信号转换成高频信号，接收机前端将接受到的高频信号转换成低频信号，频率转换功能就是由混频器实现的。相较于基波混频，谐波混频可以降低本振信号频率至所需频率的1/2、1/4等，从而大大降低本振电路设计难度；同时，谐波混频具有更高的本振/射频信号隔离度、更少的谐波产物等优点。
目前，最常见的单片集成谐波混频器电路结构为基于反向并联二极管对（anti-paralleled diode pair, APDP）的二次谐波混频器。如图1所示，传统二次谐波混频器电路结构中需要多段λ/4（四分之波长）的开路/短路枝节线以实现信号间的隔离、直流/射频到地通路，该种电路结构带宽小、面积大，且好的端口匹配难以实现。已有文献[1]（Lin C H,Lai Y A, Chiu J C, et al. A 23–37 GHz Miniature MMIC Subharmonic Mixer[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2007, 17(9):679-681.）[2]（YanP, Chen J, Hong W . A Miniaturized Monolithic 18–40[J]. Journal of InfraredMillimeter & Terahertz Waves, 2010, 31(6):690-696.）采用本振/射频耦合线加载线设计单片集成二次谐波混频器来减小面积、提升带宽，如图2所示，但该混频器的耦合线加载线长度为本振信号八分之一波长，需要串联电阻实现本振信号的泵注，使得本振信号损耗比较大为10-15dBm，因而这种电路结构对本振信号功率要求较高，混频效率低。
如上所述，虽然谐波混频器具有一定的优点，但是现有技术存在主要包括面积大、带宽小、隔离差、驻波差、效率低等方面的缺陷，因而需要进一步改进。
发明内容
本发明针对传统谐波混频器电路存在的端口匹配特性差、信号间隔离度差、面积大、设计难度高等问题，提出了一种新型高性能小型化单片集成的谐波混频器，以提升混频器的各项性能。
本发明的技术方案如下：
一种高性能小型化单片集成的谐波混频器，包括：
双频功分器，用于加载本振信号和射频信号，并输出合成的本振信号和射频信号；
二极管对，用于将合成的本振信号和射频信号进行混频得到中频信号；
隔直和匹配电路，用于将双频功分器合成的本振信号和射频信号加载到二极管对上；
低通滤波器，用于输出二极管对混频产生的中频信号。
上述谐波混频器中，所述双频功分器可以工作在两个不同频段，通过设计可使双频功分器的工作频段涵盖射频信号频率和本振信号频率。
上述谐波混频器中，所述双频功分器的结构有多种，例如，基于耦合线设计的双频功分器、基于电容/电感/电阻设计的集总双频功分器或者基于传输线设计的分布式双频功分器等，可根据具体指标需求进行设计。
进一步的，也就是所述双频功分器可采用弯折线耦合线或传输线的紧凑结构对双频功分器的面积进行进一步缩减。
上述谐波混频器中，隔直和匹配电路将双频功分器的信号合成端与二极管对进行匹配以拓展带宽，同时隔离直流及低频信号，提升本振、射频和中频信号间的隔离度。
上述谐波混频器中，所述隔直和匹配电路的实现结构具体可以为单个电容，或者电容和电阻的RC串联形式。
上述谐波混频器中的二极管对是反向并联的二极管对；合成的本振信号和射频信号通过隔直和匹配电路加载到二极管对的中间引脚上，利用二极管对的非线性进行混频；所述反向并联的二极管对的一端接地，直接提供直流及射频到地回路。
所述谐波混频器可以为二次谐波混频器、三次谐波混频器、四次谐波混频器或更高次谐波混频器中的一种。
所述谐波混频器的实现形式可以基于硅基、锗硅或三五族化合物半导体材料体系实现，其集成形式可以是集成电路形式，也可以是混合集成形式。
本发明的有益效果如下：
1、本发明通过设计双频功分器的工作频率可适用于各次谐波混频电路，不仅限于二次、三次谐波混频电路，也适用于高次谐波混频；
2、本发明中双频功分器的结构具有多样性，可以包括基于耦合线的双频功分器、基于集总元件的双频功分器或基于分布式元件的双频功分器等，因而设计自由度更高；
3、本发明中的双频功分器本振信号与射频信号输入端口间具有天然的高隔离特性和优良的端口匹配特性；
4、本发明中的双频功分器中本振信号与射频信号传输损耗小，使得谐波混频器对本振功率的需求大大降低；
5、由上述2、3、4的设计可知本发明具有设计简单、信号间隔离度高、端口驻波优异、混频效率高等特点；
6、本发明集成形式很灵活，很容易实现。
附图说明
图1为基于反向并联二极管对的现有技术次谐波混频器电路结构一的示意图。
图2为基于反向并联二极管对的现有技术次谐波混频器电路结构二的示意图。
图3为本发明的电路结构示意图。
图4为本发明实施例中的新型高性能小型化谐波混频器电路结构示意图。
图5为本发明实施例中的双频功分器仿真结果示意图。
图6为本发明实施例中的谐波混频器仿真结果示意图。
图中附图标注为：1为本振输入端，2为射频输入/输出端，3为中频输入/输出端，4为双频功分器，5为隔直和匹配电路，6为反向并联的二极管对，7为低通滤波器，8为射频四分之波长开路短截线（λ/4@RF），9为本振四分之波长开路短截线（λ/4@LO），10为本振四分之波长短路短截线（λ/4@LO），11为反向并联二极管对，12为带通滤波器，13为本振及射频耦合线加载线，14为耦合线端电阻，4’1为实施例中双频功分器的组成部分耦合线一，4’2为实施例中双频功分器的组成部分耦合线二，4’3为实施例中双频功分器的组成部分电阻。
具体实施方式
本发明通过对单片集成谐波混频电路的深入研究和分析，提出了一种基于双频功分器的新型谐波混频器。以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
如图3所示，本发明提出的新型高性能小型化单片集成的谐波混频器，可实现双向混频功能，即上混频和下混频，且工作频段可以涵盖射频/毫米波/太赫兹频段，适用性广；该谐波混频器具体包括：
双频功分器4，前端包括分别用于加载本振信号和射频信号的本振信号输入端1、射频信号输入/输出端2，后端用于输出合成的本振信号和射频信号；
反向并联的二极管对6，用于将合成的本振信号和射频信号进行混频得到中频信号；
隔直和匹配电路5，介于双频功分器4与反向并联的二极管对6之间，用于将双频功分器4合成的本振信号和射频信号加载到反向并联的二极管对6上；
低通滤波器7，包括中频信号输入/输出端3，主要用于输出反向并联的二极管对6混频产生的中频信号。
双频功分器的实现方式有很多种，这里以基于耦合线的双频功分器为例进行说明。如图4所示，该双频功分器由两个耦合线一4’1、两个耦合线二4’2和一个电阻4’3（电阻R=100Ω）构成。其中，耦合线一4’1一侧的两个端口直接相连，另一侧的两个端口与耦合线二4’2一侧的两个端口相连，耦合线二4’2另一侧的两个端口，一个作为信号输入端，一个作为合成端，即一个耦合线二4’2包括四端，一端为信号输入端，第二端为合成端，第三、四端用于连接一个耦合线一4’1；另一个耦合线二4’2和另一个耦合线一4’1呈完全对称的连接形式。完全对称的该种耦合线结构，在两个耦合线二4’2的信号输入端通过电阻4’3相连，构成所需的双频功分器。通过计算及仿真，调节耦合线一4’1和耦合线二4’2的线宽、线长及线间距，可以使得功分器工作在设计的本振信号和射频信号频率。这里以本振信号中心频率30GHz，射频信号中心频率60GHz为例，如图5仿真结果所示，实施例中的双频功分器能够很好的满足需求，即在两个工作频率内具有较小的信号插入损耗、优异的端口匹配特性（＜-20dB）以及良好的信号隔离度（＜-20dB）。
基于上述双频功分器，可构建一种新型的谐波混频器。本振信号和射频信号通过上述功分器4的输入端到达合成端，再通过隔直/匹配电路5加载到二极管对6的中间引脚上，利用二极管对的非线性进行混频可得到中频信号，中频信号通过低通滤波器7输出。因为双频功分器本身优异的特性，辅以隔直/匹配电路5和低通滤波器7，本发明阐述的新型谐波混频器具有优异的性能表现。
如图6仿真结果所示，本发明提出的谐波混频器具有下述优点：
（1）适用于射频/毫米波/太赫兹各频段，应用范围广；
（2）混频效率高，基于双频功分器对本振/射频信号进行加载，信号传输损耗小，本振信号利用率高，谐波混频器的混频效率高，如图6，本发明实施例中本振功率需求为14dBm，变频损耗CL为-16.5dB。同传统结构相比本发明变频损耗属于同等水平，但本发明对本振信号功率需求较低。
（3）隔离度高，源于双频功分器端口间良好的隔离特性，本发明谐波混频器本振/射频信号间隔离度（LO2RF）大于15dB，辅以低通滤波器和隔直/匹配电路，本振/中频信号间隔离度（LO2IF）大于40dB，射频/中频信号间隔离度（RF2IF）大于55dB。
（4）端口驻波特性好，源于双频功分器优异的端口匹配特性，本发明谐波混频器本振信号端口回波损耗（RL_LO）优于-15dB，射频信号端口回波损耗（RL_RF）优于-10dB。
面积小，本发明谐波混频器中不需要额外的匹配、隔离电路，且本振/射频信号同时通过一个双频功分器加载，同时双频功分器结构灵活多变，可大大减小谐波混频器的面积。
Claims (5)
1.一种高性能小型化单片集成的谐波混频器，其特征在于，包括：
双频功分器，用于加载本振信号和射频信号，并输出合成的本振信号和射频信号；
二极管对，用于将合成的本振信号和射频信号进行混频得到中频信号；
隔直和匹配电路，用于将双频功分器合成的本振信号和射频信号加载到二极管对上；
低通滤波器，用于输出二极管对混频产生的中频信号；
其中，所述双频功分器的工作频段涵盖射频信号频率和本振信号频率；
所述谐波混频器为二次谐波混频器、三次谐波混频器、四次谐波混频器或更高次谐波混频器中的一种。
2.根据权利要求1所述的高性能小型化单片集成的谐波混频器，其特征在于：所述双频功分器的结构是根据具体指标需求进行设计成基于耦合线设计的双频功分器、基于电容电感电阻设计的集总双频功分器或者基于传输线设计的分布式双频功分器。
3.根据权利要求1所述的高性能小型化单片集成的谐波混频器，其特征在于：所述隔直和匹配电路的实现结构具体为单个电容，或电容电阻RC串联形式。
4.根据权利要求1所述的高性能小型化单片集成的谐波混频器，其特征在于：所述二极管对是反向并联的二极管对；合成的本振信号和射频信号通过隔直和匹配电路加载到二极管对的中间引脚上，通过二极管对的非线性进行混频；所述反向并联的二极管对的一端接地，提供直流及射频到地回路。
5.根据权利要求1所述的高性能小型化单片集成的谐波混频器，其特征在于：所述谐波混频器的实现形式是基于硅基、锗硅或三五族化合物半导体材料体系实现，其集成形式是集成电路形式或者混合集成形式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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