CN112671344A - 一种带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，提供一种带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器，用以解决传统三倍频器带宽窄、需要较大的工作电压、效率低及增益小的问题。本发明自混频三倍频器由输入阻抗匹配网络、二倍频级、自混频级与输出匹配网络四部分构成；首先，在输入阻抗匹配网络中使用了可变电容CT1、CT2优化输入阻抗，有效拓展自混频三倍频器的工作带宽，并实现50欧姆的阻抗匹配；其次，通过电感LD、LS互相耦合以作为变压器的方式将二倍频级的输出与自混频级的输入相连的结构设计，能够有效降低器件所需供电电压，有效改善转换增益；综上，本发明能够有效拓宽工作带宽、改善转换增益、提高转换效率、减小供电电压需求。

Description

一种带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及三倍频器，具体提供一种带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器。

背景技术

随着无线通信技术的发展，其应用范围已扩展到K波段，如广播卫星通信、超宽带成像系统和防撞雷达系统。近几年来，第五代(5G)无线通信标准也瞄准了K波段；5G的工作频段标准在世界上不同地区并不相同，如中国和欧洲的5G频段为24.5到27.5GHz、美国为27.5到28.35GHz、日本为27.5到29.5GHz；因此，为了支持多频段业务和多标准应用，超宽的工作带宽已成为此类无线系统的巨大需求。此外，这种5G系统将需要复杂的调制方案，甚至高达256-QAM，这就对射频电路的线性度、SNR和本振相位噪声的严格要求。

为了满足5G通信等K波段的应用，需要一个高频的、具备优良相位噪声的本振信号；相较于直接生成并传输高频信号，生成并传输低频信号再三倍频到高频信号可以改善相位噪声，因此三倍频器在本振链路中常常得到使用。一种传统的自混频三倍频器被研究者提出，其电路原理图如图7所示；其中，晶体管M1、M2构成二倍频器，一个差分低频信号的正负两端分别从V₁₊和V_1-输入，假设低频信号频率为基波信号v_i＝V_icos(ω_it)、V_i表示基波信号的幅度，由于M1、M2的非线性，M1产生会漏极电流

M2会产生漏极电流

M1、M2的电流在P点重合，奇次项会被抵消，偶次项则会叠加；因为四次项远小于二次项，P点处电流为

因此在P点处得到了一个二倍基波频率的信号和一个直流分量；M3、M4则组成了一个单平衡混频器，使P点信号和信号V₂做混频，当V₂＝V₁＝v_i时，P点的二倍基波频率信号与信号V₂的基波频率信号混频，会生成一个三倍基波频率电流，通过负载R，将电流信号转为电压信号，最终在V_o处输出一个三倍基波频率的高频信号。

上述传统自混频三倍频器在如今5G通信等的使用场景中将面对许多问题：

(1)传统自混频三倍频器输入阻抗虚部变化快，匹配带宽窄；其结构输入端口均为MOSFET的栅极，晶体管尺寸小，输入阻抗虚部大，变化剧烈；这种阻抗在覆盖5-10GHz时，很难直接匹配到50欧姆，这会明显限制输入带宽，从而影响整个三倍频器的工作带宽；

(2)传统自混频三倍频器的工作所需供电电压高；从传统自混频三倍频器结构中可以看出，由于采用堆叠式的结构，M1和M2组成的二倍频级、M3和M4组成的自混频级和R组成的负载级都要消耗电压裕度，这将使得传统自混频三倍频器所需的供电电压增高；

(3)传统自混频三倍频器转换效率低，增益小；MOSFET在高频工作状态时，在栅极、漏极、源极三者之间均会有寄生电容产生，这个寄生电容将减小晶体管的转换增益，使得转换效率低，增益小。

发明内容

本发明的目的在于针对传统三倍频器带宽窄、需要较大的工作电压、效率低及增益小的问题，提供一种带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器。本发明的三倍频器在低压情况下，仍能够有优秀的转换增益、以及极佳的转换效率，即有效降低器件对供电电压的需要；同时，通过压控电容在输入端分流实现改变阻抗，有效改善输入阻抗，实现满足实际使用场景所需求的工作带宽。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器，由输入阻抗匹配网络、二倍频级、自混频级与输出匹配网络构成；其特征在于，

所述二倍频级由晶体管M1n、晶体管M1p与电感LD构成，其中，晶体管M1n与晶体管M1p源极相连、并接地，晶体管M1n与晶体管M1p漏极相连、并与电感LD相连，耦合电感LD的另一端连接电压电源VDD；

所述自混频级由晶体管M2n、晶体管M2p与电感LS构成，其中，晶体管M2n与晶体管M2p源极相连、并与电感LS连接，电感LS的另一端接地，所述电感LD与电感LS相互耦合；

所述输入阻抗匹配网络由输入变压器巴伦、电感LG1、电感LG2、可变电容CT1与可变电容CT2构成，其中，可变电容CT1与可变电容CT2串联、且可变电容CT1与可变电容CT2之间连接控制电压Vc；输入变压器巴伦的初级线圈L1一端作为器件输入端(in端)、另一端接地，次级线圈L2与初级线圈L1耦合、且中心抽头连接偏置电压Vg，次级线圈L2两端分别连接电感LG1、电感LG2，电感LG1的另一端连接可变电容CT1、晶体管M1n的栅极及晶体管M2n的栅极，电感LG2的另一端连接可变电容CT2、晶体管M1p的栅极及晶体管M2p的栅极；

所述输出匹配网络由输出变压器巴伦、电感Lp1、电感Lp2、电容Cp1与电容Cp2构成，其中，输出变压器巴伦的初级线圈L3的两端分别连接电感Lp1、电感Lp2，电感Lp1的另一端连接晶体管M2n的漏极，电感Lp2的另一端连接晶体管M2p的漏极，初级线圈L3中心抽头接电源电压VDD；输出变压器巴伦的次级线圈L4一端作为器件输出端(out端)、另一端接地，所述电容Cp1并接于初级线圈L3两端，所述电容Cp2并接于次级线圈L4两端。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器，由输入阻抗匹配网络、二倍频级、自混频级与输出匹配网络四部分构成；首先，在输入阻抗匹配网络中使用了可变电容CT1、CT2优化输入阻抗，有效拓展自混频三倍频器的工作带宽，并实现50欧姆的阻抗匹配；其次，通过电感LD、LS互相耦合以作为变压器的方式将二倍频级的输出与自混频级的输入相连的结构设计，能够使得自混频三倍频器中二倍频级和自混频级可分别供电，即相较于堆叠结构，本发明所需供电电压更小；同时，电感LD、LS能够与来自二倍频级和自混频级的寄生电容并联谐振，有效改善高频下因寄生电容导致的增益下降；并且，变压器只会耦合交流信号，能够避免由二倍频中二次项产生的直流分量对自混频级的影响，更有利于自混频级的偏置电压设计。

综上所述，本发明提供的带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器，有效拓宽了工作带宽、改善了转换增益、提高了转换效率、减小了供电电压需求。

附图说明

图1为本发明带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器的电路原理图。

图2为本发明实施例中带压控电容的输入阻抗匹配网络的版图。

图3为本发明实施例中三倍频器的输入、输出端口回波损耗曲线。

图4为本发明实施例中基于变压器的自混频结构的版图。

图5为本发明实施例中带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器的芯片图。

图6为本发明实施例中带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器的转换增益和压控电容的控制电压的曲线。

图7为传统自混频三倍频器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种新型的带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器；该结构用电容管改善了输入端的阻抗，拓宽了工作带宽；用变压器耦合的方式连接二倍频级和自混频级，降低了供电电压的需求，抵消了寄生电容的影响，使得该三倍频器能够工作在低压状态下，且拥有更高的增益与转换效率。

所述新型的带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器的电路结构如图1所示，由输入阻抗匹配网络、二倍频级、自混频级与输出匹配网络构成；具体的讲：

所述二倍频级由晶体管M1n、晶体管M1p与电感LD构成，其中，晶体管M1n与晶体管M1p源极相连、并接地，晶体管M1n与晶体管M1p漏极相连、并与电感LD相连，耦合电感LD的另一端连接电压电源VDD；

所述自混频级由晶体管M2n、晶体管M2p与电感LS构成，其中，晶体管M2n与晶体管M2p源极相连、并与电感LS连接，电感LS的另一端接地，所述电感LD与电感LS耦合组成变压器；

所述输入阻抗匹配网络由输入变压器巴伦、电感LG1、电感LG2、可变电容CT1与可变电容CT2构成，其中，可变电容CT1与可变电容CT2串联、且可变电容CT1与可变电容CT2之间连接控制电压Vc；输入变压器巴伦的初级线圈L1一端作为器件输入端(in端)、另一端接地，次级线圈L2与初级线圈L1耦合、且中心抽头连接偏置电压Vg，次级线圈L2两端分别连接电感LG1、电感LG2，电感LG1的另一端连接可变电容CT1、晶体管M1n的栅极及晶体管M2n的栅极，电感LG2的另一端连接可变电容CT2、晶体管M1p的栅极及晶体管M2p的栅极；

所述输出匹配网络由输出变压器巴伦、电感Lp1、电感Lp2、电容Cp1与电容Cp2构成，其中，输出变压器巴伦的初级线圈L3的两端分别连接电感Lp1、电感Lp2，电感Lp1的另一端连接晶体管M2n的漏极，电感Lp2的另一端连接晶体管M2p的漏极，初级线圈L3中心抽头接电源电压VDD；输出变压器巴伦的次级线圈L4一端作为器件输出端(out端)、另一端接地，所述电容Cp1并接于初级线圈L3两端，所述电容Cp2并接于次级线圈L4两端。

从工作原理上讲：

本发明由四部分组成，第一部分为电感LG和可调电容CT及输入变压器所组成的输入阻抗匹配网络，第二部分为由晶体管M1n、M1p、电感LD、组成的二倍频级，第三部分为由晶体管M2n、M2p、电感LS组成的自混频级，第四部分为电感Lp、电容Cp1、Cp2和输出变压器组成的输出匹配网络兼负载级。更为具体的说：

(1)带压控电容的输入阻抗匹配网络

为满足K波段的使用，三倍频器的输入频率在5～10GHz左右，由于晶体管尺寸小(栅宽90um、栅长120nm)，随着输入端工作频率从5到10GHz逐渐增大，输入阻抗的虚部从-265欧姆变化到-125欧姆，其中在7GHz时虚部为-186欧姆；由此可以看出输入阻抗虚部大、且随频率变化剧烈，这会显著影响到三倍频器的工作带宽，且很难直接匹配到50欧姆。因此，本发明在输入阻抗匹配网络中使用了变容二极管CT1、CT2来优化输入阻抗；变容二极管由10个MOS管并联而成，源和漏连接在一起，每个晶体管尺寸为栅宽20um、栅长500nm。当控制电压为0～3.3v时，变容管的电容可在118到345fF之间调谐。例如，将Vc改为0V，变容二极管分流后，在7GHz时的虚部从-186欧姆变化到-70欧姆；为了实现阻抗匹配以及将单端输入信号转换为差分信号，器件输入端采用了一对串联电感LG的三匝巴伦，巴伦设计中的对称结构提供了优良的平衡性能；具体的输入阻抗匹配网络部分的版图如图2所示。

从图3所示为本实施例中三倍频器的输入、输出端的回波损耗曲线，由图可见，本发明采用压控电容的输入阻抗匹配网络通过调节Vc的大小，实现了在6～10GHz频带内，S11小于-10dB；而该三倍频器的输出端因为输出阻抗较容易匹配，且采用了基于四阶变压器的谐振腔，所以输出端口实现了覆盖15～31GHz的宽带阻抗匹配。

(2)基于变压器耦合连接的二倍频级和自混频级

本发明采用LD、LS两个电感互相耦合以作为变压器的方式，将二倍频级的输出与自混频级的输入相连，如图4所示；该连接方式具有诸多优点：

1)二倍频级和自混频级可分别供电，因此相较于堆叠结构，该结构所需供电电压更小；

2)电感LD、LS可以和来自二倍频级和自混频级的寄生电容并联谐振，能有效改善高频下因寄生电容导致的增益下降；

3)变压器只会耦合交流信号，因此可以避免由二倍频中二次项产生的直流分量对自混频级的影响，更有利于自混频级的偏置电压设计。

基于上述原理说明，本实施例中提供新型的带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器的整体版图如图5所示，该三倍频器测试所得的转换增益和对应的压控电容的控制电压如图6所示；从图6可以看出，通过在不同频率采用不同的控制电压可有效拓宽3dB带宽，且三倍频器最大增益为-7.6dB，并实现了在17.7～29.7GHz范围内的3dB带宽。

综上所述，本发明提供一种新型的带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器，有效拓宽了工作带宽，改善了转换增益，提高了转换效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种带压控电容匹配的基于变压器的自混频三倍频器，由输入阻抗匹配网络、二倍频级、自混频级与输出匹配网络构成；其特征在于，

所述二倍频级由晶体管M1n、晶体管M1p与电感LD构成，其中，晶体管M1n与晶体管M1p源极相连、并接地，晶体管M1n与晶体管M1p漏极相连、并与电感LD相连，耦合电感LD的另一端连接电压电源VDD；

所述自混频级由晶体管M2n、晶体管M2p与电感LS构成，其中，晶体管M2n与晶体管M2p源极相连、并与电感LS连接，电感LS的另一端接地，所述电感LD与电感LS相互耦合；

所述输入阻抗匹配网络由输入变压器巴伦、电感LG1、电感LG2、可变电容CT1与可变电容CT2构成，其中，可变电容CT1与可变电容CT2串联、且可变电容CT1与可变电容CT2之间连接控制电压Vc；输入变压器巴伦的初级线圈L1一端作为器件输入端(in端)、另一端接地，次级线圈L2与初级线圈L1耦合、且中心抽头连接偏置电压Vg，次级线圈L2两端分别连接电感LG1、电感LG2，电感LG1的另一端连接可变电容CT1、晶体管M1n的栅极及晶体管M2n的栅极，电感LG2的另一端连接可变电容CT2、晶体管M1p的栅极及晶体管M2p的栅极；

所述输出匹配网络由输出变压器巴伦、电感Lp1、电感Lp2、电容Cp1与电容Cp2构成，其中，输出变压器巴伦的初级线圈L3的两端分别连接电感Lp1、电感Lp2，电感Lp1的另一端连接晶体管M2n的漏极，电感Lp2的另一端连接晶体管M2p的漏极，初级线圈L3中心抽头接电源电压VDD；输出变压器巴伦的次级线圈L4一端作为器件输出端(out端)、另一端接地，所述电容Cp1并接于初级线圈L3两端，所述电容Cp2并接于次级线圈L4两端。

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