CN114785286B - 一种超宽带的无源下变频混频器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种超宽带的无源下变频混频器，属于混频器技术领域。本发明通过在无源混频器的射频输入级和本振输入级创新性地采用鲁塞夫巴伦，同时相应地设计了开关混频核心级的电路架构，从而极大地扩宽了无源混频器的工作带宽，其带宽为4.5～18GH z，分数带宽可达120％；采用了本振分布式放大器，拓宽了本振输入信号的带宽，降低了本振输入信号的输入电平；中频分布式放大器引入补偿了无源混频器所带来的损耗，减轻了后续链路的设计压力，实现了频段上0.3～1.8dB的增益。

Description

一种超宽带的无源下变频混频器

技术领域

本发明属于混频器技术领域，具体涉及一种超宽带的无源下变频混频器。

背景技术

混频器是射频系统中实现频率变换的重要模块。混频器一般划分为上变频混频器和下变频混频器；上变频混频器是将来自基带的低频信号转换为高频信号，而下变频混频器是在通信系统的接收通道中用来将高频段的携带信息的信号频谱搬移到低频段之中，以方便后端电路的信息解调和处理。

通讯终端设备往往集成了多种网络制式，以满足不同的通讯功能需求和更广泛的通讯设备进行连接。而不同的网络制式通常使用不同的电磁波频段。传统收发机系统中混频器只针对单一频段进行设计，当需要多频段通讯时需要集成多个混频器来使用，因而大幅提高了设备体积和成本。若使用一款宽带的混频器则可以大大简化通讯设备的设计和成本。现有技术中也提出了频带可重构的混频器(Shin S H,Kim J H,Jang Y K,et al.Areconfigurable mixer with flexible matching network[C]//2005Asia-PacificMicrowave Conference Proceedi ngs.IEEE,2005,5:4pp.)，其低频模式带宽为2～4.5GHz，高频模式带宽为4.5～6GHz；总体覆盖频段为2～6GHz，分数带宽为100％。但此种方案的混频器带宽仍旧不够。

混频器根据晶体管的偏置状态可以分为有源混频器和无源混频器，在射频前端系统中，有源混频器由于其晶体管工作在饱和区，可以提供一定的转换增益，但其线性度及噪声一般偏差；无源混频器由于无需外部直流电源，使得混频器输出端的噪声系数很低，线性度也十分优异，同时在具体的无源混频器一般采用双平衡结构，从而对大多数应用而言实现了隔离度、线性度和噪声系数的最佳组合。但无源混频器带宽特性往往受到巴伦制约，有源巴伦可以实现较好的宽带特性，但通常会抑制无缘混频器的线性度，因而得不偿失；片上无源巴伦虽然会增加损耗，但提供良好的线性度，可其较难实现宽带特性。为了实现宽带的无源混频器，且维护其优异的线性度，需要设计一款宽带的片上无源巴伦。同时，无源混频器通常需要较高的本振注入功率来正常工作，一般来说，其本振驱动功率大约在13～20dBm之间，从而对本振信号源的设计提出了相当大的挑战；而且由于无源混频器其晶体管并不是工作在饱和区，无增益效应，从而在输出端有转换损耗。

因此，如何实现超宽带片上无源巴伦的设计，使得无源混频器能具有超宽带效果就成为研究热点。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种超宽带的无源下变频混频器。该混频器采用鲁塞夫巴伦结构实现宽带片上无源巴伦，以拓宽射频频带和本振频带，同时避免对无源混频器线性度的抑制；此外混频器还包括本振放大支路和中频放大支路，以支持低功率(0dBm)的本振信号注入和补偿无源混频器的工作损耗。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种超宽带的无源下变频混频器，包括射频输入级、开关混频核心级、本振输入级和中频输出级；

所述射频输入级用于将单端射频输入信号转化为差分射频信号，并将差分射频信号传输至开关混频核心级；所述本振输入级用于将单端本振信号放大，然后转化为差分本振信号，并将差分射频信号传输至开关混频核心级；所述开关混频核心级用于将差分射频信号和差分本振信号混合转化成差分中频信号，并将差分中频信号传输至中频输出级；所述中频输出级用于将差分中频信号进行放大后输出。

进一步地，所述射频输入级包括射频输入匹配网络和第一鲁塞夫巴伦；射频输入匹配网络用于阻抗匹配，包括传输线TL1、电容C1、电感L4、传输线TL2、电容C2、传输线TL3；其中，传输线TL1、电容C1、传输线TL2和传输线TL3为依次串联，而电感L4和电容C2为依次并联到地；

第一鲁塞夫巴伦包括三个电感；第一电感的外部输入端与射频输入匹配网络的输出端相连，用于馈入射频单端信号，第一电感的非外部输入端与第二电感的外部输出端、开关混频核心级的输入端相连，为直通端，用于输出与射频信号同相的信号；第二电感的非外部输入端与第三电感的非外部输入端相连，同时接地；第三电感的外部输出端与开关混频核心级的输入端相连，为耦合端，用于输出与射频信号反相的信号；第一电感与第三电感负耦合，第二电感外部输出端信号是具有180°相移的单端信号电压的一半，直通端和耦合端共同形成差分输出。

进一步地，第一电感感值与第二电感感值相同，第二电感外部输出端信号是射频信号电压除以第一电感感值与第二电感感值之和再乘以第二电感感值，则第二电感外部输出端与第一电感外部输入端口信号同相且是其单端信号电压的一半；同时，由于第一电感和第三电感之间的负耦合，且感值相同(匝数比为1:1)，因此第三电感外部输出端信号与第一电感外部输入端口信号相位相反，且电压为其一半。

进一步地，三个电感由三条平面传输线螺旋绕制而成，采用GaAs工艺中的两层金属实现。

进一步地，所述开关混频核心级具体包括两个射频输入隔直电容、无源双平衡结构、两个接地电阻和两个本振输入隔直电容；

所述无源双平衡结构包括四个开关晶体管。其中，第一开关晶体管的栅极与第四开关晶体管的栅极、第一本振输入隔直电容的一端相连，第一开关晶体管的源极与第二开关晶体管的源极、第一射频输入隔直电容的一端相连，第一开关晶体管的漏极与第三开关晶体管的漏极、第一接地电阻的一端和中频输出级的第一输入端，相连；第二开关晶体管的栅极与与第三开关晶体管的栅极、第二本振输入隔直电容的一端相连，第二开关晶体管的漏极与第四开关晶体管的漏极、第二接地电阻的一端和中频输出级的第二输入端相连；第三开关晶体管的源极与第四开关晶体管的源极、第二射频输入隔直电容的一端相连；第一射频输入隔直电容的另一端与射频输入级中的第三电感的外部输出端相连，第二射频输入隔直电容的另一端与射频输入级中的第一电感的外部输出端相连；第一本振输入隔直电容的另一端和第二本振输入隔直电容的另一端均与本振输入级相连；第一接地电阻的另一端和第二接地电阻的另一端均接地。

进一步地，第一接地电阻和第二接地电阻均为大电阻，阻值应大于5kΩ。

进一步地，无源双平衡结构中的四个开关晶体管的尺寸应为小尺寸，具体应小于2*100μm，能够减小其寄生电容，从而减少由于开关晶体管的寄生电容带来的高频损耗。

进一步地，所述本振输入级包括本振分布式放大器和第二鲁塞夫巴伦；第二鲁塞夫巴伦和第一鲁塞夫巴伦的电路结构相同；

所述本振分布式放大器为共源共栅分布式放大器，包括四个共源共栅放大器、五条漏极传输线、五条栅极传输线、一个输入隔直电容、一个输出隔直电容、一个栅极匹配电阻、一个漏极匹配电阻、四个个RC偏置网络、栅极偏置电压；

本振分布式放大器的输入端馈入本振信号，输入端与第二鲁塞夫巴伦中的第一电感的外部输入端相连；第二鲁塞夫巴伦中的直通端与第一本振输入隔直电容的另一端相连，第二鲁塞夫巴伦中的耦合端与第二本振输入隔直电容的另一端相连。

进一步地，所述中频输出级具体为中频分布式放大器，所述中频分布式放大器优选为共源共栅分布式放大器，以补偿无源混频器的损耗和实现输出阻抗的宽带转换和匹配。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过在无源混频器的射频输入级和本振输入级创新性地采用鲁塞夫巴伦，同时相应地设计了开关混频核心级的电路架构，从而极大地扩宽了无源混频器的工作带宽，其带宽为4.5～18GHz，分数带宽可达120％；采用了本振分布式放大器，拓宽了本振输入信号的带宽，降低了本振输入信号的输入电平；中频分布式放大器引入补偿了无源混频器所带来的损耗，减轻了后续链路的设计压力，实现了频段上0.3～1.8dB的增益。

2、本发明鲁塞夫巴伦采用三电感器配置，通过平面传输线螺旋绕制而成，因此通过合理的版图布局以提高低频端的感值和减少高频端的寄生电容，可以有效地拓展片上无源巴伦的带宽。

附图说明

图1为本发明超宽带无源下变频混频器的结构框图。

图2为本发明实施例1超宽带无源下变频混频器的电路结构图。

图3为本发明实施例1鲁塞夫巴伦传输线模型图。

图4为本发明实施例1中频分布式放大器电路结构图。

图5为本发明实施例1本振分布式放大器电路结构图。

图6为本发明实施例1超宽带无源下变频混频器的增益仿真结果图。

图7为本发明实施例1超宽带无源下变频混频器的噪声系数仿真结果图。

图8为本发明实施例1超宽带无源下变频混频器的输入1dB压缩点仿真结果图。

图9为对比例混频器的电路板结构图。

图10为对比例混频器的增益曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种超宽带的无源下变频混频器，其结构框图如图1所示，包括射频输入级、开关混频核心级、本振输入级和中频输出级；所述射频输入级用于承接射频输入信号，将单端射频输入信号转化为差分射频信号，同时保证信号的匹配，其输入端为RF，然后将差分射频信号传输至开关混频核心级；本振输入级用于接收单端本振信号，将单端本振信号放大并转化为差分本振信号，并将差分射频信号传输至开关混频核心级，其输入端为LO；开关混频核心级用于接收来自射频输入级的差分射频信号和来自本振输入级的差分本振信号，并输出差分中频信号，将差分中频信号传输至中频输出级；中频输出级用于放大来自开关混频核心级的中频输出差分信号，其输出端为IF+、IF-。

实施例1

一种超宽带的无源下变频混频器，其电路结构如图2所示。射频输入级具体包括射频输入匹配网络和鲁塞夫巴伦；开关混频核心级具体包括射频输入隔直电容、无源双平衡结构、偏置网络和本振输入隔直电容；本振输入级具体包括本振分布式放大器和鲁塞夫巴伦；中频输出级具体为中频分布式放大器。

其中，射频输入级中的射频输入匹配网络包括依次连接的传输线TL1、电容C1、电感L4、传输线TL2、电容C2、传输线TL3；其中传输线TL1、电容C1、传输线TL2和传输线T L3为依次串联，而电感L4和电容C2为依次并联到地。其中，传输线的线长和线宽、电感感值和电容容值根据需要设计，以满足信号匹配需求。

鲁塞夫巴伦采用三电感器配置，通过平面传输线绕制而成，其传输线模型如图3所示。三电感分别为第一电感、第二电感和第三电感，分别对应传输线1a、2a和1b。其中传输线1a的一端与传输线2a的一端相连，传输线2a的另一端与传输线1b的一端相连，且此端共同接地。传输线1a和传输线1b为一对耦合线，且耦合方式为负耦合。传输线1a的非内部连接端为端口1，为射频输入端；传输线1a和传输线2a的相互连接端口为端口2，为一射频差分输出差分端口，其信号与端口1信号同相；传输线1b的非接地端口为端口3，为另一射频差分输出端口，其信号与端口1信号反相；端口2和端口3共同形成射频差分输出端口。

鲁塞夫巴伦可以在具有两层金属或两层以上金属的半导体工艺中实现，作为一优选的技术方案，本实施例中的鲁塞夫巴伦采用GaAs工艺中的两层金属实现，其中采用顶层厚金属进行构建传输线1a、1b和2a，以减少信号的损耗，次层金属用于端口连接。耦合线1a和1b在同一层平面进行磁耦合且为螺旋绕制，以减少布局空间。为了控制两者之间的电磁耦合和减少寄生电容，耦合线1a和1b之间的线间距需要合理的选择。此外，通过调节传输线2a的长度或者与之对应电感L3的感值，可以优化鲁塞夫巴伦带宽内的相位不平衡和幅度不平衡。针对所选的频段，通过合理的版图布局以提高低频端的感值和减少高频端的寄生电容，可以有效地拓展片上无源巴伦的带宽。具体地，本实施例中实现了4.5～18GHz的带宽，其分数带宽为120％。

需要注意的是，图3所示的传输线模型只给出了相对的元件布置，其尺寸并非所示比例。

开关混频核心级中的射频输入隔直电容和本振输入隔直电容均包括两个电容，偏置网络包括两个偏置电阻，无源双平衡结构包括四个开关晶体M1、M2、M3和M4管，为了减少由于开关晶体管的寄生电容带来的高频损耗，需要选择小尺寸的开关晶体管，以减小其寄生电容；

其中第一开关晶体管M1的栅极与第四开关晶体管M4的栅极相连，并通过第一本振输入隔直电容C6连接本振输入级的鲁塞夫巴伦的一端；第二开关晶体管M2的栅极与第三开关晶体管M3的栅极相连，并通过第二本振输入隔直电容C5连接本振输入级的鲁塞夫巴伦的另一端；第一开关晶体管M1的源极与第二开关晶体管M2的源极相连，通过串联第一射频输入隔直电容C3连接至射频输入级的鲁塞夫巴伦的一端；第三开关晶体管M3的源极与第四开关晶体管M4的源极相连，通过串联第二射频输入隔直电容C4连接至射频输入级的鲁塞夫巴伦的另一端；第一开关晶体管M1的漏极与第三开关晶体管M3的漏极相连，与第一偏置电阻R1并联，并连接中频输出级的中频分布式放大器的输入端；第二开关晶体管M2的漏极与第四开关晶体管M4的漏极相连，与第二偏置电阻R2并联，并连接中频输出级的中频分布式放大器的输入端。其中，偏置电阻为大电阻，特别地，本实例所选取的为10kΩ。

中频分布式放大器级为共源共栅分布式放大器，如图4所示，包括两个共源共栅放大器M5_cg、M5_cs和M6_cg、M6_cs，三条漏极传输线Ld1、Ld2、Ld3，三条栅极传输线Lg1、Lg2、Lg3，一个输入隔直电容C7，一个输出隔直电容C8，两个旁路电容Cin1和Cout1，一个栅极匹配电阻Rin1，一个漏极匹配电阻Rout1、两个RC偏置网络Rg1、Rg2、Cg1和Rg3、Rg4、Cg2，栅极偏置电压VG1和VG2。

输入隔直电容C7的一端为中频分布式放大器级的输入端，与开关混频核心级的输出端相连，第一栅极传输线Lg1的一端连接输入隔直电容C7的另一端，第一栅极传输线Lg1的另一端连接第一共源级晶体管M5_cs的栅极和第二栅极传输线Lg2的一端；第三栅极传输线Lg3的一端与第二栅极传输线Lg2的另一端相连，Lg3的另一端连接栅极匹配电阻Rin1的一端，Rin1的另一端连接栅极偏置电压VG1，且与旁路电容Cin1并联；第一共源级晶体管M5_cs的漏极与第一共栅极晶体管M5_cg的源极相连，第一共源级晶体管M5_cs的源极接地，第一共栅极晶体管M5_cg的栅极与电阻Rg1的一端相连，电阻Rg1的另一端与栅极偏置电压VG2相连；所述的第二共源级晶体管M6_cs的漏极与第二共栅极晶体管M6_cg的源极相连，M6_cs的源极接地，M6_cg的栅极与电阻Rg3的一端相连，Rg3的另一端也与栅极偏置电压VG2相连；漏极匹配电阻Rout1的一端连接电源VDD且与旁路电容Cout1并联，Rout1另一端连接第一漏极传输线Ld1的一端，Ld1的另一端连接第一共栅级晶体管M5_cg的漏极和第二漏极传输线Ld2的一端，Ld2的另一端连接第二共栅级晶体管M6_cg的漏极和第三漏极传输线Ld3的一端，Ld3的另一端连接输出隔直电容C8的一端；输出隔直电容C8的另一端为中频输出端口。

本振分布式放大器为共源共栅分布式放大器，如图5所示。包括四个共源共栅放大器M7_cg和M7_cs、M8_cg、M8_cs、M9_cg和M9_cs、M10_cg和M10_cs，5条漏极传输线Ld4、Ld5、Ld6、Ld7、Ld8，五条栅极传输线Lg4、Lg5、Lg6、Lg7、Lg8，一个输入隔直电容C9，一个输出隔直电容C10，两个旁路电容Cin2和Cout2，一个栅极匹配电阻Rin2，一个漏极匹配电阻Rout2，四个RC偏置网络：Rg5、Rg6和Cg3，Rg7、Rg8和Cg4，Rg9、Rg10和Cg5，Rg11、Rg12和Cg6，栅极偏置电压VG2和VG3，其中VG2为与中频分布式放大器共用偏置电压。

所述的本振分布式放大器的电路连接方式和中频分布式放大器的电路连接方式相同；输入隔直电容C9的一端作为本振分布式放大器的信号输入端口，由此馈入本振信号；输出隔直电容C10的一端与本振输入级中的鲁塞夫巴伦中的射频输入端相连。

本实施例超宽带无源下变频混频器的增益仿真结果如图6所示，噪声系数仿真结果如图7所示，输入1dB压缩点仿真结果如图8所示。

对比例

传统无源混频器通常采用Marchand巴伦，其电路结构图如图9所示。Marchand巴伦为以1/4波长耦合线形成的对称结构，其带宽通常比变压器型巴伦更大，但也很难超过100％的分数带宽，从而限制整个无源混频器的带宽。且该混频器并没有设计对应的中频放大器和本振放大器，从而导致较高的损耗和较高的本振功率注入。

从图6可以看出，采用片上鲁塞夫巴伦的无源下变频混频器在4.5～18GHz的频带上，分数带宽为120％，其增益范围为0.3～1.8dB，增益波动仅为1.5dB，与传统无源混频器较大的转换损耗相比，本实施例具有一定的转换增益，降低了后续链路的设计压力。从图7可以看出，噪声系数在4.5～18GHz频带内优于13dB，满足射频系统设计需求。从图8中可以看出，由于采用的是无源巴伦而非有源巴伦，并不会抑制无源混频器的线性度，输入1dB压缩点在4.5～18GHz频带内优于-1dBm，具有良好的线性度。同时，实施例1所有结果都是在0dBm的本振功率下取得的。

图10为对比例的增益曲线图，从图中可以看出，在本振功率为15dBm，频段为2.8～6G Hz上，混频器的变频损耗为8dB，混频器的整体损耗偏大，且分数带宽仅为73％；同时需要较高功率的本振信号注入，对本振信号源的设计需求偏高。

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 (6)

1.一种超宽带的无源下变频混频器，其特征在于，包括射频输入级、开关混频核心级、本振输入级和中频输出级；

所述射频输入级用于将单端射频输入信号转化为差分射频信号，并将差分射频信号传输至开关混频核心级；所述本振输入级用于将单端本振信号放大，然后转化为差分本振信号，并将差分射频信号传输至开关混频核心级；所述开关混频核心级用于将差分射频信号和差分本振信号混合转化成差分中频信号，并将差分中频信号传输至中频输出级；所述中频输出级用于将差分中频信号进行放大后输出；

所述射频输入级包括射频输入匹配网络和第一鲁塞夫巴伦；

射频输入匹配网络用于阻抗匹配，包括传输线TL1、电容C1、电感L4、传输线TL2、电容C2、传输线TL3；其中，传输线TL1、电容C1、传输线TL2和传输线TL3为依次串联，而电感L1和电容C2依次并联到地；

第一鲁塞夫巴伦包括三个电感；第一电感的外部输入端与射频输入匹配网络的输出端相连，用于馈入射频单端信号，第一电感的非外部输入端与第二电感的外部输出端、开关混频核心级的输入端相连，为直通端，用于输出与射频信号同相的信号；第二电感的非外部输入端与第三电感的非外部输入端相连，同时接地；第三电感的外部输出端与开关混频核心级的输入端相连，为耦合端，用于输出与射频信号反相的信号；第一电感与第三电感负耦合，直通端和耦合端共同形成差分输出；

所述开关混频核心级具体包括两个射频输入隔直电容、无源双平衡结构、两个接地电阻和两个本振输入隔直电容；

所述无源双平衡结构包括四个开关晶体管；其中，第一开关晶体管的栅极与第四开关晶体管的栅极、第一本振输入隔直电容的一端相连，第一开关晶体管的源极与第二开关晶体管的源极、第一射频输入隔直电容的一端相连，第一开关晶体管的漏极与第三开关晶体管的漏极、第一接地电阻的一端和中频输出级的第一输入端，相连；第二开关晶体管的栅极与与第三开关晶体管的栅极、第二本振输入隔直电容的一端相连，第二开关晶体管的漏极与第四开关晶体管的漏极、第二接地电阻的一端和中频输出级的第二输入端相连；第三开关晶体管的源极与第四开关晶体管的源极、第二射频输入隔直电容的一端相连；第一射频输入隔直电容的另一端与射频输入级中的第三电感的外部输出端相连，第二射频输入隔直电容的另一端与射频输入级中的第一电感的外部输出端相连；第一本振输入隔直电容的另一端和第二本振输入隔直电容的另一端均与本振输入级相连；第一接地电阻的另一端和第二接地电阻的另一端均接地；

所述中频输出级具体为共源共栅分布式放大器。

2.如权利要求1所述的无源下变频混频器，其特征在于，三个电感感值均相同。

3.如权利要求1所述的无源下变频混频器，其特征在于，三个电感由三条平面传输线螺旋绕制而成。

4.如权利要求1所述的无源下变频混频器，其特征在于，第一接地电阻和第二接地电阻的阻值均应大于5kΩ。

5.如权利要求1所述的无源下变频混频器，其特征在于，无源双平衡结构中的四个开关晶体管的尺寸应小于2×100μm。

6.如权利要求1所述的无源下变频混频器，其特征在于，所述本振输入级包括本振分布式放大器和第二鲁塞夫巴伦；第二鲁塞夫巴伦和第一鲁塞夫巴伦的电路结构相同；

所述本振分布式放大器为共源共栅分布式放大器；

本振分布式放大器的输入端馈入本振信号，输入端与第二鲁塞夫巴伦中的第一电感的外部输入端相连；第二鲁塞夫巴伦中的直通端与第一本振输入隔直电容的另一端相连，第二鲁塞夫巴伦中的耦合端与第二本振输入隔直电容的另一端相连。