CN113965167A - 一种适用于5g通信系统的超宽带镜像抑制混频器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于5G通信系统的超宽带镜像抑制混频器，所述混频器的拓扑结构包括：中频跨导级、本振开关级、射频负载级、本振I/Q生成网络。本发明具有以下有益效果：1.本发明提供的超宽带镜像抑制混频器拓扑，通过采用有源混频核心与无源宽带匹配网络结合的方法，可在超宽带范围实现较好的增益和增益平坦度；2.本发明提供的超宽带镜像抑制混频器拓扑，整体采用镜像抑制的架构，可在超宽带的范围内实现较好的镜像抑制效果；3.本发明提供的超宽带镜像抑制混频器拓扑，除了在带宽及镜像抑制方面表现优良，在线性度、混频杂散、功耗等指标间也可以做到良好的权衡。

Description

一种适用于5G通信系统的超宽带镜像抑制混频器
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种适用于5G通信系统的超宽带镜像抑制混频器。
背景技术
随着无线通信技术的广泛使用，对蓝牙、Wi-Fi、GPS等无线通信设备的使用需求与日俱增。对于通信设备而言，其小型化和高效率直接影响到用户使用及信息传输效率。信号在较高的频率下进行传输，可以有效的减小天线设计的尺寸，对于设备小型化而言具有较大的意义，此外，可以进一步拓展信道带宽，提高通信速率。因此，需要混频器来对信号进行频谱搬移，尤其是在发射机中，需要利用上变频混频器将低频信号搬移到高频信号来实现信号的传输。
随着多种通信标准的出现，对于能兼容多个通信标准的单个终端的需求与日俱增。传统的Sub-6 GHz频段资源十分有限，随着数据传输速率要求的提高以及新5G通信标准的出现，毫米波成为了一个重要的研究课题，该标准工作频段在24～29GHz和37～43GHz，可以用来实现高速率、高容量、低延时的固定无线系统、热点以及基站到移动用户通信。
在基于CMOS的无线收发机中，直接变频架构被广泛应用于移动通信，因为它不仅可以小型化，而且相比外差结构，可以降低系统的功耗。直接变频架构已经成为宽带和多标准无线通信的一种设计选择。直接变频架构中的发射链路用于将中频信号搬移到高频，在经过功率放大器、天线等模块进行放大输出，频谱搬移过程中，除了会产生目标信号，还会产生其它杂散信号，其中，镜像信号由于距离目标信号很近，因此会很大程度上对目标信号产生干扰，进而影响到通信质量，因此有必要对镜像信号进行有效的抑制。
发明内容
本发明目的是设计一种适用于5G通信系统的超宽带镜像抑制混频器，本振、射频均可覆盖较宽工作频段，整个频带内具有良好的镜像抑制效果，此外整个混频器在线性度、增益及增益平坦度、隔离度、功耗和设计成本间具有较好的权衡，满足多标准发射机的使用需求。
为实现本申请的目的，本申请提供了一种适用于5G通信系统的超宽带镜像抑制混频器，所述混频器的拓扑结构包括：中频跨导级、本振开关级、射频负载级、本振I/Q生成网络，其中：
所述中频跨导级基于达令顿管结构进行设计，包括I路和Q路，每路采用差分的形式进行信号的输入，输入信号从晶体管的栅极输入，转换为电流信号从晶体管的漏级输出，进而进入本振开关级进行混频，晶体管的源极连接有源极退化电感；
所述本振开关级包括用于混频功能的晶体管和本振匹配网络，从中频跨导级输出的中频信号从开关晶体管的源极进入开关级，本振信号从开关晶体管的栅极进入开关级，混频后的信号从开关级的漏级输出到射频负载级；
所述射频负载级包括负载电感和射频匹配网络；
所述本振I/Q生成网络包括两级PPF和基于变压器匹配网络，用以实现单端本振信号到四路正交信号的转换。
其中，所述混频器整体拓扑基于吉尔伯特单元进行设计。
其中，所述混频器在本振和射频端口都采用了超宽带的匹配网络结构，通过调整匹配网络中无源器件的大小来实现较好的增益和增益平坦。
其中，所述晶体管为场效应管。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提供的超宽带镜像抑制混频器拓扑，通过采用有源混频核心与无源宽带匹配网络结合的方法，可在超宽带范围实现较好的增益和增益平坦度；
2.本发明提供的超宽带镜像抑制混频器拓扑，整体采用镜像抑制的架构，可在超宽带的范围内实现较好的镜像抑制效果；
3.本发明提供的超宽带镜像抑制混频器拓扑，除了在带宽及镜像抑制方面表现优良，在线性度、混频杂散、功耗等指标间也可以做到良好的权衡。
附图说明
图1是本申请提出的超宽带镜像抑制混频器的结构框图；
图2是本申请提出的超宽带镜像抑制混频器拓扑结构图；
图3是本申请提出的示例转换增益随射频信号频率变化仿真结果图；
图4是本申请提出的示例镜像抑制度随射频信号频率变化仿真结果图；
图5是本申请提出的示例P1dB在固定频点下仿真结果图；
图6是本申请提出的示例固定频点下的频谱仿真结果图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
如图1所示是本发明实施例提供的新型的适用于5G通信系统的超宽带镜像抑制混频器框图，包含I/Q生成网络、本振匹配网络、混频核心、射频匹配网络。本振单端输入信号经由I/Q生成网络转换为四路正交信号，在混频核心与中频四路正交信号混频，不同相位的信号经由叠加输出到射频匹配网络，转换为单端信号输出，可以实现混频功能和镜像抑制的功能。
本发明提出了一种适用于5G通信系统的超宽带镜像抑制混频器，其具体技术方案如下：
整体拓扑结构包含四部分：中频跨导级、本振开关级、射频负载级、本振I/Q生成网络((In-phase component/Quadrature component，以下统称为I/Q)，其中：
中频跨导级基于达令顿管结构进行设计，包含I路和Q路，每路采用差分的形式进行信号的输入，输入信号从晶体管的栅极输入，转换为电流信号从晶体管的漏级输出，进而进入本振开关级进行混频。晶体管的源极连接有源极退化电感，用以抵消晶体管的寄生电容，改善跨导级的线性度。
本振开关级包含用于混频功能的晶体管和本振匹配网络，从跨导级输出的中频信号从开关晶体管的源极进入开关级，本振信号从开关晶体管的栅极进入开关级，混频后的信号从开关级的漏级输出到射频负载级。本振匹配网络用于对本振端口进行阻抗匹配，以实现最大功率信号传输。
射频负载级包含负载电感和射频匹配网络，采用电感负载可以减小整个电路的电压裕度，进而降低电路的功耗，宽带射频匹配网络的设计用来实现射频输出较好的增益及增益平坦度，
本振I/Q生成网络包含两级PPF(polyphase filter，以下统称为PPF)和基于变压器匹配网络，用以实现单端本振信号到四路正交信号的转换。
如图2所示，为本发明实施例提供的新型的适用于5G通信系统的超宽带镜像抑制混频器拓扑结构，包括中频跨导级、本振开关级、射频负载级、本振I/Q生成网络。
所述中频跨导级包含晶体管M1～M8、电阻R1～R8、电容C1～C8、电感L1～L8，中频四路正交信号信号通过晶体管M1、M2、M5、M6的栅极进入，电容C1～C8主要用来隔直通交，晶体管M1～M8的栅极偏置分别通过串联电阻R1～R8来实现电压偏置，同时可对晶体管起到一定的保护作用，源极电感L1～L8用来减小晶体管的寄生电容，进而改善电路的线性度。输入的中频信号通过晶体管的漏级输出为电流信号，进入到开关级进行混频。
本振开关级包含晶体管M9～M16，中频信号通过源极进入开关级，本振信号通过栅极进入开关级，混频后的射频信号通过漏级输出到射频负载级，四路正交的本振信号通过I/Q生成网络实现。
I/Q生成网络包括三部分：首先是单端信号转差分信号的变压器匹配网络，由电容C21、电容C22、电感L17、电感L18组成；其次是两级PPF，包含电容C13～C20、电阻R11～R18，差分的本振信号经由PPF转换为四路正交信号；最后是本振端口连接到混频器的中频匹配网络。
中频匹配网络包含电容C9～C12、电阻R9～R10、电感L9～L16，该匹配网络主要起到宽带的阻抗匹配的作用，从而实现本振信号最大功率传输。射频负载级包含电阻R1、电感L19～L22、电容C23～C24，用来将混频后的射频差分信号转换为单端信号输出。
在优选的实施例中，整体拓扑基于吉尔伯特单元进行设计，为有源混频器，可以实现较好的增益。
在优选的实施例中，针对超宽带这一设计目标，在本振和射频端口都采用了超宽带的匹配网络结构，通过调整匹配网络中无源器件的大小来实现较好的增益和增益平坦度。
在优选的实施例中，针对镜像抑制这一设计目标，从整体架构的角度出发进行设计优化。中频采用I路和Q路正交信号进行输入，本振单端输入信号经由I/Q生成网络转换为四路正交信号，借助信号间混频后的相位关系进行射频信号的边带选择以实现镜像抑制。假设中频I路差分输入信号为Acos(ω1t)和Acos(ω1t+180°)，Q路差分输入信号为Asin(ω1t)和Asin(ω1t+180°)，本振经由I/Q生成网络生成的四路正交信号为Bcos(ω2t)、Bcos(ω2t+180°)、Bsin(ω2t)、Bsin(ω2t+180°)，混频后四个节点的结果为：
①：ABcos(ω1t+ω2t)+ABcos(ω1t-ω2t)
②：ABcos(ω1t+ω2t+180°)+ABcos(ω1t-ω2t-180°)
③：ABcos(ω1t-ω2t)-ABcos(ω1t+ω2t)
④：AB cos(ω1t-ω2t-180°)-ABcos(ω1t+ω2t+180°)
节点⑤为①和③的叠加，叠加后的结果为2ABcos(ω1t-ω2t)，节点⑥为②和④的叠加，叠加后的结果为2ABcos(ω1t-ω2t-180°)，经过反相抵消，只保留了一个边带的信号，从而实现了镜像抑制的效果。理想情况下该种镜像抑制的方式可以实现100％边带抵消，实际设计过程中，由于存在幅相偏差，以及设计的对称性的影响，镜像抑制的效果有所削减。
上述方案中，可在CMOS工艺下实现，所述晶体管为场效应管。
如图3所示是本发明实施例转换增益随射频信号频率变化仿真结果图，中频频率0.5GHz，增益3dB带宽为21.5～52.5GHz，最大增益7.77dB。
如图4所示是本发明实施例镜像抑制度随射频信号频率变化仿真结果图，在20～52GHz范围内镜像抑制比大于30dB，镜像抑制比最优可达64dB@44.5GHz。
如图5所示是本发明实施例P1dB在固定频点下仿真结果图，中频频率0.5GHz，本振频率28GHz，输出P1dB为-1.3dBm。
如图6所示是本发明实施例固定频点下的频谱仿真结果图，中频频率0.5GHz，中频输入功率15dBm，本振频率28GHz，本振功率20dBm，输出射频下边带频率27.5GHz，信号功率-7.4dBm，输出上边带频率28.5dBm，信号功率-54dBm，镜像抑制比46.6dB，输出28GHz信号功率-40dBm，本振抑制60dBc，整体杂散小于-30dBc。
需要说明的是，本申请中未详述的技术方案，采用公知技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于5G通信系统的超宽带镜像抑制混频器，其特征在于：所述混频器的拓扑结构包括：中频跨导级、本振开关级、射频负载级、本振I/Q生成网络，其中：
所述中频跨导级基于达令顿管结构进行设计，包括I路和Q路，每路采用差分的形式进行信号的输入，输入信号从晶体管的栅极输入，转换为电流信号从晶体管的漏级输出，进而进入本振开关级进行混频，晶体管的源极连接有源极退化电感；
所述本振开关级包括用于混频功能的晶体管和本振匹配网络，从中频跨导级输出的中频信号从开关晶体管的源极进入开关级，本振信号从开关晶体管的栅极进入开关级，混频后的信号从开关级的漏级输出到射频负载级；
所述射频负载级包括负载电感和射频匹配网络；
所述本振I/Q生成网络包括两级PPF和基于变压器匹配网络，用以实现单端本振信号到四路正交信号的转换。
2.根据权利要求1所述的一种适用于5G通信系统的超宽带镜像抑制混频器，其特征在于，所述混频器整体拓扑基于吉尔伯特单元进行设计。
3.根据权利要求1所述的一种适用于5G通信系统的超宽带镜像抑制混频器，其特征在于：所述混频器在本振和射频端口都采用了超宽带的匹配网络结构，通过调整匹配网络中无源器件的大小来实现较好的增益和增益平坦。
4.根据权利要求1所述的一种适用于5G通信系统的超宽带镜像抑制混频器，其特征在于：所述晶体管为场效应管。
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