CN114157241B - 一种毫米波可重构倍频器电路及其控制方法 - Google Patents

一种毫米波可重构倍频器电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波可重构倍频器电路及其控制方法。常规的毫米波倍频器电路只能实现输入信号的某一倍频输出，不能实现对多个倍频频率的选择与输出。本发明的毫米波可重构倍频器电路，包括基于变压器的输入匹配网络、放大级晶体管、二倍频晶体管、三倍频晶体管、电容、电阻和基于变压器的输出可重构匹配网络。本发明的毫米波可重构倍频器电路可以通过匹配网络和控制晶体管的偏置电压实现对输入信号的二倍频与三倍频的选择与输出，以及对基波和其他谐波的抑制。本发明的毫米波可重构倍频器电路可以作为双频收发机中的关键模块进行应用。

Description

一种毫米波可重构倍频器电路及其控制方法
技术领域
本发明属于微波及毫米波芯片电路中的倍频器技术领域，具体涉及一种通过匹配网络和控制晶体管偏置电压实现不同倍频的选择与输出的毫米波可重构倍频器电路。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的迅速发展，以及各种无线终端的广泛使用，高速率的无线通信技术对更大的带宽和频谱资源的需求日益增加。毫米波频段因具有频率高、频带宽、传输速率快等特点而受到各界学者的广泛关注，并将其应用于通信、雷达、医疗等诸多领域，具有十分广泛的应用前景。
对毫米波电路而言，用于产生毫米波信号的信号非常关键，是毫米波电路的基础。通常直接使用振荡器得到所需信号，然而由于毫米波电路频率较高的特点，这种产生信号的方法在毫米波电路中较难实现，产生的信号相位噪声和频率稳定性也较差。因此，需要借助毫米波频段的倍频器，将振荡器产生的低频率信号进行频率倍增，从而得到毫米波频段的信号。
现在已有很多种毫米波倍频器电路的设计方案，但常规的毫米波倍频器电路只能实现输入信号的某一倍频输出，不能实现对多个倍频的选择与输出。这一局限极大地限制了一些毫米波电路系统如毫米波双频收发机的研发与应用。
发明内容
本发明的目的是为了实现对输入信号的多个倍频频率的选择与输出，以及对其他谐波的抑制，而提出的一种毫米波可重构倍频器电路及其控制方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的方案：
一种毫米波可重构倍频器电路，包括输入匹配网络、放大级晶体管、二倍频晶体管、三倍频晶体管、电容、电阻和输出可重构匹配网络；
所述的输入匹配网络由变压器构成，通过变压器初级线圈的一端与本振信号源相连接，另一端接地，次级线圈的两端分别与两个放大级晶体管的栅极相连，次级线圈的中心抽头与直流电压源相连，为放大级晶体管的栅极提供偏置电压；该输入匹配网络将单端输入的本振信号转为差分信号；
所述的两个放大级晶体管的漏极与第一级的两个二倍频晶体管的源极、三倍频晶体管的源极相连，源极均接地；第一级的两个二倍频晶体管的栅极相连后与直流电压源相连为其提供偏置电压，漏极相连后与第二级的一个二倍频晶体管的源极相连，第二级的一个二倍频晶体管的栅极与直流电压源相连为其提供偏置电压，漏极与输出可重构匹配网络相连；用于接地的二倍频晶体管的漏极与输出匹配网络的变压器相连，栅极与直流电压源相连为其提供偏置电压，源极与并联的电容和电阻相连后接地；二倍频晶体管与放大级晶体管一同构成层叠结构；两个三倍频晶体管的栅极相连后与直流电压源相连为其提供偏置电压，漏极分别与输出可重构匹配网络的两端相连；三倍频晶体管与放大级晶体管一同构成共源共栅结构；
作为优选，所述的放大级晶体管由两个NMOS晶体管构成；所述的二倍频晶体管由四个NMOS晶体管构成；所述的三倍频晶体管由两个NMOS晶体管构成。
作为优选，所述的放大级晶体管的栅宽为2um，叉指数量为28；二倍频晶体管的栅宽为2um，叉指数量为28；三倍频晶体管的栅宽为2um，叉指数量为26。
作为优选，所述的放大级晶体管的栅极偏置电压在二倍频模式下为0.43V，三倍频模式下为0.63V；第一级二倍频晶体管的栅极偏置电压在二倍频模式下为1.55V，三倍频模式下为0V；第二级二倍频晶体管的栅极偏置电压在二倍频模式下为2.1V，三倍频模式下为0V；用于接地的二倍频晶体管的栅极偏置电压在二倍频模式下为1V，三倍频模式下为0V；三倍频晶体管的栅极偏置电压在二倍频模式下为0V，三倍频模式下为1.3V；漏极偏置电压在二倍频模式下为2.05V，三倍频模式下为1.5V。
作为优选，所述的电容采用金属-氧化物-金属电容，即MOM电容，MOM电容采用叉指结构。其自主性高，工艺优势明显。该电容用于在二倍频模式下将交流接地，同时隔离直流，防止直流接地。
作为优选，所述的电阻采用一个阻值大于1kΩ的电阻，该电阻用于为直流提供参考地，同时防止直流大量泄露到地。
作为优选，所述的输出可重构匹配网络由变压器构成，其初级线圈的中心抽头与直流电压源相连，为电路提供漏极偏置电压，次级线圈的一端输出信号，另一端接地。
一种毫米波可重构倍频器电路的控制方法，所述毫米波可重构倍频器电路通过匹配网络和控制晶体管的偏置电压实现对输入信号的二倍频与三倍频的选择与输出，以及对基波和其他谐波的抑制。
本发明对比已有技术具有以下创新点：
1、本发明的毫米波可重构倍频器电路，实现了对输入信号的倍频，降低了所需信号的频率，提高了频率的稳定性。
2、本发明的毫米波可重构倍频器电路，可以实现输入信号的二倍频与三倍频的输出。并且仅需通过匹配网络和控制晶体管的偏置电压，即可实现对输入信号的二倍频与三倍频的选择与输出，以及对基波和其他谐波的抑制。
3、本发明的毫米波可重构倍频器电路，二倍频电路和三倍频电路分别构成了Stack结构和Cascode结构，可以进一步提高信号的增益。
附图说明
图1为本发明毫米波可重构倍频器电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的，技术方案和优点更加清晰明白，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种毫米波可重构倍频器电路，包括输入匹配网络、放大级晶体管、二倍频晶体管、三倍频晶体管、电容、电阻和输出可重构匹配网络。
所述的输入匹配网络由变压器1构成，通过变压器1初级线圈的一端与本振信号源相连接，另一端接地，次级线圈的两端分别与放大级晶体管2的栅极和放大级晶体管3的栅极相连，次级线圈的中心抽头与直流电压源相连，为放大级晶体管的栅极提供偏置电压。该输入匹配网络将单端输入的本振信号转为差分信号。
所述的放大级晶体管2、3由两个NMOS晶体管构成，放大级晶体管2和放大级晶体管3的栅极分别与输入匹配网络中变压器1的次级线圈的两端相连，漏极分别与二倍频晶体管4和三倍频晶体管8的源极，以及二倍频晶体管5和三倍频晶体管9相连，源极均接地。
所述的二倍频晶体管4、5、6、7由四个NMOS晶体管构成。第一级的二倍频晶体管4和二倍频晶体管5的源极分别与放大级晶体管2和放大级晶体管3的漏极相连，栅极相连后与直流电压源相连为其提供偏置电压，漏极相连后与第二级的二倍频晶体管6的源极相连。第二级的二倍频晶体管6的源极与上一级两个晶体管的漏极相连，栅极与直流电压源相连为其提供偏置电压，漏极与输出匹配网络的变压器12相连。用于接地的二倍频晶体管7的漏极与输出匹配网络的变压器12相连，栅极与直流电压源相连为其提供偏置电压，源极与并联的电容10和电阻11相连后接地。二倍频晶体管与放大级晶体管一同构成Stack结构。
所述的三倍频晶体管8、9由两个NMOS晶体管构成。三倍频晶体管8和三倍频晶体管9的源极分别与放大级晶体管2和放大级晶体管3的漏极相连，栅极相连后与直流电压源相连为其提供偏置电压，漏极分别与输出匹配网络中变压器12的两端相连。三倍频晶体管与放大级晶体管一同构成Cascode结构。
所述的电容10采用MOM电容，MOM电容采用叉指结构，其自主性高，工艺优势明显。该电容10用于在二倍频模式下将交流接地，同时隔离直流，防止直流接地。
所述的电阻11采用一个阻值较大的电阻，该电阻11用于为直流提供参考地，同时防止直流大量泄露到地。
所述的输出可重构匹配网络由变压器12构成，变压器初级线圈与二倍频晶体管和三倍频晶体管的漏极相连，初级线圈的中心抽头与直流电压源相连，为电路提供漏极偏置电压，次级线圈的一端输出信号，另一端接地。
所述毫米波可重构倍频器电路通过匹配网络和控制晶体管的偏置电压实现对输入信号的二倍频与三倍频的选择与输出，以及对基波和其他谐波的抑制。
以输入本振信号频段为10～14GHz的毫米波可重构倍频器电路为例对本发明进行描述。
实施例中的毫米波可重构倍频器电路的输入输出匹配网络采用变压器结构，晶体管采用NMOS晶体管。
实施例中的毫米波可重构倍频器电路中放大级晶体管2、3的栅宽为2um，叉指数量为28；二倍频晶体管4、5、6、7的栅宽为2um，叉指数量为28；三倍频晶体管8、9的栅宽为2um，叉指数量为26；电容10的容值为1pF；电阻11的阻值为1kΩ。
实施例中的毫米波可重构倍频器电路中放大级晶体管2、3的栅极偏置电压在二倍频模式下为0.43V，三倍频模式下为0.63V；二倍频晶体管4、5的栅极偏置电压在二倍频模式下为1.55V，三倍频模式下为0V；二倍频晶体管6的栅极偏置电压在二倍频模式下为2.1V，三倍频模式下为0V；二倍频晶体管7的栅极偏置电压在二倍频模式下为1V，三倍频模式下为0V；三倍频晶体管8、9的栅极偏置电压在二倍频模式下为0V，三倍频模式下为1.3V；漏极偏置电压在二倍频模式下为2.05V，三倍频模式下为1.5V。
采用电路仿真工具对该毫米波可重构倍频器电路进行设计与仿真。在输入本振信号频率为10～14GHz，功率为0dBm时，在二倍频模式下，二倍频(20～28GHz)输出功率大于-1dBm，基波和三倍频输出功率均小于-20dBm；在三倍频模式下，三倍频(30～42GHz)输出功率大于-5dBm，二倍频输出功率小于-18dBm。
以上内容是结合具体的实施案例对本发明作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所述技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，对本发明的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下，进行的等效变换或替代，也落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种毫米波可重构倍频器电路，其特征在于：包括输入匹配网络、放大级晶体管、二倍频晶体管、三倍频晶体管、电容、电阻和输出可重构匹配网络；
所述的输入匹配网络由变压器构成，通过变压器初级线圈的一端与本振信号源相连接，另一端接地，次级线圈的两端分别与两个放大级晶体管的栅极相连，次级线圈的中心抽头与直流电压源相连，为放大级晶体管的栅极提供偏置电压；该输入匹配网络将单端输入的本振信号转为差分信号；
所述的输出可重构匹配网络由变压器构成，其初级线圈的中心抽头与直流电压源相连，为电路提供漏极偏置电压，次级线圈的一端输出信号，另一端接地；
所述的两个放大级晶体管的漏极与第一级的两个二倍频晶体管的源极、三倍频晶体管的源极相连，源极均接地；第一级的两个二倍频晶体管的栅极相连后与直流电压源相连为其提供偏置电压，漏极相连后与第二级的一个二倍频晶体管的源极相连，第二级的一个二倍频晶体管的栅极与直流电压源相连为其提供偏置电压，漏极与输出可重构匹配网络的变压器初级线圈的一端相连；用于接地的二倍频晶体管的漏极与输出匹配网络的变压器初级线圈的另一端相连，栅极与直流电压源相连为其提供偏置电压，源极与并联的电容和电阻相连后接地；二倍频晶体管与放大级晶体管一同构成层叠结构；两个三倍频晶体管的栅极相连后与直流电压源相连为其提供偏置电压，漏极分别与输出可重构匹配网络的两端相连；三倍频晶体管与放大级晶体管一同构成共源共栅结构。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波可重构倍频器电路，其特征在于：所述的放大级晶体管由两个NMOS晶体管构成；所述的二倍频晶体管由四个NMOS晶体管构成；所述的三倍频晶体管由两个NMOS晶体管构成。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波可重构倍频器电路，其特征在于：所述的放大级晶体管的栅宽为2um，叉指数量为28；二倍频晶体管的栅宽为2um，叉指数量为28；三倍频晶体管的栅宽为2um，叉指数量为26。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波可重构倍频器电路，其特征在于：所述的放大级晶体管的栅极偏置电压在二倍频模式下为0.43V，三倍频模式下为0.63V；第一级二倍频晶体管的栅极偏置电压在二倍频模式下为1.55V，三倍频模式下为0V；第二级二倍频晶体管的栅极偏置电压在二倍频模式下为2.1V，三倍频模式下为0V；用于接地的二倍频晶体管的栅极偏置电压在二倍频模式下为1V，三倍频模式下为0V；三倍频晶体管的栅极偏置电压在二倍频模式下为0V，三倍频模式下为1.3V；漏极偏置电压在二倍频模式下为2.05V，三倍频模式下为1.5V。
5.根据权利要求1所述的一种毫米波可重构倍频器电路，其特征在于：所述的电容采用金属-氧化物-金属电容，即MOM电容，MOM电容采用叉指结构。
6.根据权利要求1所述的一种毫米波可重构倍频器电路，其特征在于：所述的电阻采用一个阻值大于1kΩ的电阻。
7.根据权利要求1所述的一种毫米波可重构倍频器电路的控制方法，其特征在于：所述毫米波可重构倍频器电路通过匹配网络和控制晶体管的偏置电压实现对输入信号的二倍频与三倍频的选择与输出，以及对基波和其他谐波的抑制。
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