CN112737513A - 一种改善射频变频系统带宽和线性度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改善射频变频系统带宽和线性度的方法。本发明在正交I/Q混频器中引入反向跨导用于消除射频变频系统中的三阶非线性；同时，在射频变频系统中的本振中增加两级低通LC滤波器谐振电路，用于在高频段优化电感和电容的谐振点，保证本振高频输出到正交I/Q混频器的信号幅度和线性度。使用本发明改进后的电路在实际测试中，实现了30MHz~10GHz完整的宽带覆盖，线性度在10GHz比1GHz恶化2.7dB，比传统电路线性度改善10dB以上。
Description
技术领域
本发明属于集成芯片技术领域，具体涉及一种改善射频变频系统带宽和线性度的方法。
背景技术
随着5G、卫星通信及物联网等无线通信技术的发展，需要射频电路覆盖频率尽可能大，实现射频电路的通用化和软件无线电平台化。在部分应用场景下，需要构建300MHz～10GHz的超宽带射频收发系统(UWB)。宽带射频系统有利于提高通信容量，有更好的抗干扰和抗多径特征，成为射频集成电路技术发展方向。
宽带射频收发系统通常采用高阶调制方式，比如16QAM甚至OFDM 64QAM等调制方式，以提高信息容量，高阶调制对射频收发通道线性度要求非常高，所以射频集成电路的基本需求是宽带和高线性。宽带射频收发系统一般采用变频收发机架构，因此射频变频系统的带宽和线性度成为制约宽带射频收发系统性能的重要因素。
目前射频变频系统无法在单一电路中同时满足超宽带覆盖和高线性度，一般分段优化，如分为300MHz～3GHz、3GHz～6GHz、6GHz～10GHz分别优化，这样会导致系统复杂度增加，应用灵活性不足等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种改善射频变频系统带宽和线性度的方法。
本发明的技术方案如下：
一种改善射频变频系统带宽和线性度的方法，具体是：
在正交I/Q混频器中引入反向跨导用于消除射频变频系统中的三阶非线性；
同时，在射频变频系统中的本振中增加两级低通LC滤波器谐振电路，用于在高频段优化电感和电容的谐振点，保证本振高频输出到正交I/Q混频器的信号幅度和线性度。
进一步说，混频器的电路中加入不同偏置电压产生用于反向跨导。
进一步说，在混频器的电路中增加MOS管，与原电路的偏置管形成对管，从而抵消原电路的偏置管的三阶跨导，消除三阶非线性。
进一步说，所述两级低通LC滤波器谐振电路中的其中一级增加到原有两级RC电路中间，从而在5GHz～8GHz范围内增加了一个谐振点，提升增益；另一级增加到本振的输出级，从而在7GHz～11GHz范围内又增加一个谐振点，提升高频增益。
进一步说，所述的两级低通LC滤波器谐振电路均采用谐振电感。
本发明的有益效果：
本发明针对射频变频系统带宽和线性度，具体是针对混频器和本振分别提供线性度和带宽改善方法，这两种方法的结合使用，可以有效的提升射频变频系统的带宽和线性度。使用本发明方法的电路在实际测试中，实现了30MHz～10GHz完整的宽带覆盖，线性度在10GHz比1GHz恶化2.7dB，比传统电路线性度改善10dB以上。
附图说明
图1为混频器的电路结构图；
图2为本发明改进后的混频器的电路结构图；
图3为MOS管偏置电压与跨导关系图；
图4为传统的正交本振电路图；
图5为本发明改进后的本振电路图；
图6为传统变频电路带宽与本发明方法改进后的电路带宽对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，传统的射频变频包括混频器(mixer)和本振(LO)两部分。导致射频集成电路无法在单一电路实现宽带的原因是有源混频器和本振在高频段线性度恶化。因此改善变频系统的高频线性度就可以同时优化系统的工作带宽和线性度。
传统的优化混频器线性度的方法是采用正交I/Q混频器架构用于消除二次谐波和镜像提高混频器的线性度。这种方法对零中频收发机和高中频收发机都有效。如图1所示，是I/Q正交混频器其中一路的电路结构。
随着频率提高，共源放大电路寄生电抗的增加会导致MOS管线性度恶化。MOS管电流采用下式计算：
其中gm是MOS管的跨导，Vgs是MOS管栅压。
采用I/Q正交混频器结构后，正交相位抵消了二阶效应，但对三阶非线性没有改善，而三阶非线性是引起射频电路非线性的主要因素。因此本发明提出了改善混频器的三阶非线性这一技术方法。
该混频器存在以下特征：根据NMOS管跨导特征，随着NMOS管栅极偏置电压增加，跨导gm的三阶导数首先变大，然后减小到负值，最终稳定到0。
根据上述特征，本发明在原有混频器电路中加入不同偏置电压产生反向跨导，该反向跨导与原有电路MOS管的三阶跨导形成正负跨导抵消，从而消除三阶非线性。
为了产生反向跨导，本发明在传统电路结构中，增加了NMOS管M7、M8，电阻R3、R4和电容C3、C4，见图2中的虚线框部分。辅助NMOS管M7和原电路的主偏置管M1形成对管，辅助NMOS管M8和原电路的主偏置管M2形成对管。NMOS管M7和M1的偏置控制不同，其中NMOS管M7的偏置由电流源控制，从而与M1的偏置电压处于不同区间。M1和M7的三阶跨导抵消，形成接近0的跨导，消除了三阶非线性。合成后的三阶跨导曲线如下图3所示，其中线1的是合成后的曲线，线2是辅助MOS管曲线，线3是主偏置管曲线；可见增加辅助NMOS后，偏置电压维持在0.4V～0.5V之间都可以得到一个理想的三阶跨导。
另外传统的LO通过多相位滤波器(Poly Phase Filter，PPF)产生I/Q正交本振信号，电路结构如下图4所示，使用传统的RC网络形成PPF。这个电路的问题是输出LO幅度随频率快速衰减，比如RC电路经过优化可以工作在5GHz以下，更高的工作频率下RC电路导致输出信号幅度随频率增加快速衰减，导致高频段进入到混频器的本振信号幅度不足，恶化了混频器工作带宽和线性度，当RC电路的值在6GHz或者更高频率很难优化。
本发明针对本振带宽和线性度优化的方法是在原有电路中增加了两级低通LC滤波器谐振电路，该谐振电路在低频工作时电感等效为小电阻，对本振幅度没有影响，在高频时，优化电感和电容的谐振点，利用低通极点谐振将输出信号幅度提升。低通滤波器的极点可以到10GHz以上，将原有RC电路的-3dB带宽拓展到10GHz以上，保证本振高频输出到混频器的信号幅度和线性度。
如图5所示，虚框部分是本发明增加的两级低通滤波器谐振电路，具体实现方式为谐振电感，其中电感L5～L8增加到原有两级RC电路中间，在5GHz～8GHz范围内增加一个谐振点，提升增益；电感L1～L4增加到输出级，在7GHz～11GHz范围内增加一个谐振点，提升高频增益。L1～L8具体实现均为电感阵列，通过配置选择最佳的电感值和Q值，根据芯片的实际工作频率选择最佳的频带，最终实现带宽和线性的改善效果。
依据上述两部分的改进，将传统变频电路带宽与本发明方法改进后的电路带宽作对比，从图6中显见本发明在6GHz以后，输出OIP3仍旧能维持在原有水平附近，有效防止了射频变频系统在高频段的线性度恶化。
Claims (5)
1.一种改善射频变频系统带宽和线性度的方法，其特征在于：
在正交I/Q混频器中引入反向跨导用于消除射频变频系统中的三阶非线性；
同时，
在射频变频系统中的本振中增加两级低通LC滤波器谐振电路，用于在高频段优化电感和电容的谐振点，保证本振高频输出到正交I/Q混频器的信号幅度和线性度。
2.根据权利要求1所述的一种改善射频变频系统带宽和线性度的方法，其特征在于：混频器的电路中加入不同偏置电压产生用于反向跨导。
3.根据权利要求2所述的一种改善射频变频系统带宽和线性度的方法：其特征在于：具体实现形式为：在混频器的电路中增加MOS管，与原电路的偏置管形成对管，从而抵消原电路的偏置管的三阶跨导，消除三阶非线性。
4.根据权利要求1所述的一种改善射频变频系统带宽和线性度的方法，其特征在于：所述两级低通LC滤波器谐振电路中的其中一级增加到原有两级RC电路中间，从而在5GHz~8GHz范围内增加了一个谐振点，提升增益；另一级增加到本振的输出级，从而在7GHz~11GHz范围内又增加一个谐振点，提升高频增益。
5.根据权利要求4所述的一种改善射频变频系统带宽和线性度的方法，其特征在于：所述的两级低通LC滤波器谐振电路均采用谐振电感。
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