CN114826162A - 一种5g毫米波双频带双模混频器及无线通信终端 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种5G毫米波双频带双模混频器及无线通信终端，所述5G毫米波双频带双模混频器中第一MOS管通过漏极与第二MOS管和第三MOS管的源极相连，第一MOS管通过漏极与第四MOS管的漏极连接；第二MOS管通过栅极与第一电容一端连接，第一电容另一端与第三MOS管的漏极连接；第三MOS管通过栅极与第二电容一端连接，第二电容另一端与第二MOS管的漏极连接。本发明基于单平衡混频器结构，具有本振基波混频和本振二次谐波混频两种混频模式，通过差模和共模的提取，输出中频，使用一个混频器实现了两个频带信号的下变频，抑制了两个频带信号之间的相互干扰，不会引入较大的功率、面积消耗。

Description

一种5G毫米波双频带双模混频器及无线通信终端
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种5G毫米波双频带双模混频器及无线通信终端。
背景技术
目前，在5G毫米波技术的应用中，需要射频芯片同时处理27GHz和39GHz两个频率附近的射频信息，实现双频带的收发通信。对于接收机芯片，不仅需要能够同时放大两个频带的信号，还需要采取合适的变频方式，将两个频带的射频信号互不干扰地下变频到中频信号。以中国的5G毫米波频段24.25-27.5GHz和37.5-42.5GHz为例，采用单频点本振的变频方式，若本振频率小于24.25GHz，则双频带下变频后，中频的上限将超过42.5GHz-24.25GHz＝18.25GHz，中频过高增加中频链路的设计难度；若本振频率位于两个频带之间，则会引入镜频问题，在频谱上关于本振频率对称的两个频率会下变频到同一个频率的中频，造成两组信号相互混叠，影响了后续的信号解调。因此，对于双频带接收机的下变频，需要减轻中频和本振的带宽设计压力，同时，避免镜频问题。常见的实现方案主要是Hartley结构接收机的改变形式，如图2所示。图中的结构为Hartley结构接收机改变形式后的双频带下变频方案。以5G应用中27GHz和39GHz两个射频频率的输入为例；在射频信号到中频信号的变化中，27GHz信号为黑色，39GHz信号为灰色。两个射频信号分别输入上下两个混频器，33GHz的本振信号通过一个正交发生器分成相位-90°和0°的两路，分别输入上下两个混频器。对于上面的混频器，33GHz相位-90°的信号减去27GHz相位0°的信号，混频得到6GHz相位-90°的中频信号；39GHz相位0°的信号减去33GHz相位-90°的信号，得到6GHz相位90°的中频信号。上面的混频器输出经过一个90°移相器，可以得到两个相位分别为-180°和0°的6GHz中频信号。下面的混频器由于本振信号相位为0°，所以27GHz和39GHz的信号都会下变频得到6GHz相位为0°的信号。之后上下两路信号进行合路，当两路信息相加时，27GHz变频得到的中频信号相位相反，所以相互抵消，被抑制了，39GHz变频得到的中频信号相位都是0°，所以可以合并输出；当两路信息相减时，27GHz变频得到的中频信号相位相同，所以可以合并输出，39GHz变频得到的中频信号相位都是0°，相减后抵消掉，所以被抑制了。同理类比到27GHz和39GHz附近频段内的其它频点，都可以使用此结构在下变频的同时，实现镜频抑制。上述的一种下变频方案虽然可以实现双频带下变频，并且能够镜像抑制，但是仍然存在很多问题，相应的缺点如下：(1)版图面积较大，布局布线较复杂。这种方案需要把信号分成上下两路，分别进行混频和移相，每一路有各自的匹配网络，结合本振端引入的正交发生器，整个下变频模块的版图占用面积会很大。版图绘制过程中需要保证上下两个三端口混频器的走线非常平衡，本振输入混频器的信号通常需要是差分的，这些都会导致版图的布局布线非常复杂。(2)对本振信号的功率需求较大。这一方案需要同时驱动上下两个混频器，比原本的本振功率高3dBm，并且片上做毫米波频段的正交发生器会引入较大的损耗，为了补偿这一损耗，本振功率需要进一步提高3dBm以上。因此，此方案需要较大的本振信号功率，这会增大本振链路的设计压力、增加功耗。(3)加工误差容易恶化镜频抑制度。这一方案非常依赖本振正交发生器和中频90°移相器的性能，这其中所使用的电容、电感或其它耦合结构，对工艺加工非常敏感，容易在加工过程中引入误差。正交发生器加工后可能产生额外的附加相移、幅度不平衡性，90°移相器加工后可能引入附加相移、附加插损。这些幅度、相位和误差会使得两路信号在输出端加减时无法做到完全抵消，进而恶化镜频抑制度。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术版图面积较大，布局布线较复杂；同时对本振信号的功率需求较大，加工误差容易恶化镜频抑制度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种5G毫米波双频带双模混频器及无线通信终端。
本发明是这样实现的，一种5G毫米波双频带双模混频器，所述5G毫米波双频带双模混频器设置有第一MOS管；第一MOS管通过漏极与第二MOS管和第三MOS管的源极相连，第一MOS管通过漏极与第四MOS管的漏极连接；
第二MOS管通过栅极与第一电容一端连接，第一电容另一端与第三MOS管的漏极连接；
第三MOS管通过栅极与第二电容一端连接，第二电容另一端与第二MOS管的漏极连接。
进一步，所述第一MOS管通过源极接地，第一MOS管通过栅极接射频输入信号，第四MOS管通过源极接Vdd，第四MOS管通过栅极接偏置电压Vb1。
进一步，所述第二MOS管和第三MOS管通过栅极分别连接本振信号的正负端，第二MOS管和第三MOS管通过漏极分别接入变压器的初级线圈的两个端口。
进一步，所述变压器通过初级线圈的中心抽头串联第一电感后接入Vdd，次级线圈的中心抽头接地，次级线圈两侧的端口分别连接第五MOS管和第六MOS管的源极。
进一步，所述第六MOS管通过栅极接偏置电压Vb2，第六MOS管通过漏极接第八MOS管的漏极。
进一步，所述第五MOS管通过栅极接偏置电压Vb2，第五MOS管通过漏极接第七MOS管的漏极、第七MOS管的栅极和第八MOS管的栅极。
进一步，所述第七MOS管和第八MOS管通过源极接Vdd。
进一步，所述第六MOS管通过漏极与第四电容一端连接，第四电容另一端串联第二电感接入单刀双掷开关的第一个输入端。
进一步，所述变压器通过初级线圈的中心抽头与第三电容一端连接，第三电容另一端连接单刀双掷开关的第二个输入端，单刀双掷开关的输出端接入中频输出端口。
本发明的另一目的在于提供一种5G毫米波通信的接收机芯片，所述5G毫米波通信的接收机芯片包含所述的5G毫米波双频带双模混频器，所述5G毫米波通信的接收机芯片同时工作覆盖27和39GHz附近的两个毫米波频带。
本发明的另一目的在于提供一种无线通信终端，所述无线通信终端安装有权利要求1～8任意一项所述的5G毫米波双频带双模混频器。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明通过混频器核心将射频双频带里频率较低的频带与本振的基波混频产生差模信号，将频率较高的频率与本振的二次谐波混频产生共模信号，再通过变压器的中心抽头提取共模信号，通过变压器的线圈耦合特性提取差模信号，将两个频带混频后的中频区分开。差模信号通过有源巴伦转换为单端信号后，与共模信号分别输入单刀双掷开关，以选择输出的信号。通过这种方式实现了5G毫米波双频带信号的下变频，并且镜像频率都在带外，避免了镜频抑制问题。本发明采用变压器的差模、共模提取方式区分两个频带变频后的信息，相比传统的正交发生器结合90°移相器的区分方式，对于加工误差带来的频偏和阻抗波动更不敏感，因此可以更稳定地抑制两个频带之间的相互干扰；同时避免了传统方案较大的版图面积和较复杂的版图走线布局。本发明采用共栅极输入的有源巴伦接入变压器的次级线圈，可以保住较宽中频频带内平衡且相近的输入阻抗，确保变压器差模共模提取时的稳定性；采用LC网络接入变压器初级线圈的中心抽头，可以和变压器组成高阶匹配网络，使得共模信号的输出阻抗在较宽中频带宽内非常平坦。本发明的混频器的核心部分采用电流注入型有源混频器，增益较高，引入中和电容提高了混频器核心部分的稳定性。
本发明主要为了解决在5G毫米波通信技术的应用中，如何实现将27GHz和39GHz附近频段的信息实现下变频，在有效抑制带内镜像频率的同时，不会引入较大的面积和功率的消耗。随着5G的发展，许多国家将27GHz和39GHz附近的两个频段划分应用于了5G通信中，如，中国的5G毫米波频段为24.25-27.5GHz和37.5-42.5GHz。在5G毫米波接收机芯片中，同时处理这两个频带的信息，并变频到频率较低的中频信号，不可避免的需要抑制频带内的镜像频率，防止其干扰主信号。传统的镜像频率抑制技术应用于5G毫米波频段可能带来滤波器面积过大、本振信号带宽过宽、链路功耗增加等问题。本发明提出了一种新结构的下混频器，基于单平衡混频器结构，具有本振基波混频和本振二次谐波混频两种混频模式，分别对应27GHz和39GHz两个频率所代表的频段，再通过差模和共模的提取，分别输出中频，本发明仅使用一个混频器实现了两个频带信号的下变频，抑制了两个频带信号之间的相互干扰，并且不会引入较大的功率、面积消耗。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明通过对传统的单平衡有源混频器进行改进，通过负载变压器的耦合方式和中心抽头抽取方式，可以分别将与本振基波混频的差模信号和与本振二次谐波混频的共模信号提取，对应了5G通信的两个频带信号的下变频，再通过有源巴伦、LC匹配网络和单刀双掷开关以选择不同的信号输出，从而实现了可以应用于5G毫米波双频带接收机的双模下混频器。本发明在射频频率覆盖了5G毫米波的两个频带的同时，本振带宽和中频带宽相对较窄，不会引入较大的链路负担。本发明相较传统方案不需要引入正交发生器、第二个混频器和90°移相器，在减小了本振功率需求、版图面积和版图布局复杂度的同时，可以较好的抑制两个频带之间的干扰，并且镜像频率都在频带外，因此更适用于5G毫米波的应用。
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明应用于5G毫米波双频带接收机芯片中，可以节约芯片面积，降低芯片功耗。
(2)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：传统双频带接收机变频模块无法通过单一的混频器核心实现，往往需要两个混频器配合本振正交发生器、90°移相器完成，会使得版图布局较为复杂、版图面积较大。本发明仅需要一个混频器核心，不需要复杂的版图布局和较大的版图面积。
附图说明
图1是本发明实施例提供的5G毫米波双频带双模混频器结构示意图；
图2是本发明实施例提供的带镜频抑制功能的双频带下变频方案电路示意图；
图3是本发明实施例提供的变压器进行差模共模提取的原理；
图3中：图a、共模；图b、差模；
图中：1、第一MOS管；2、第二MOS管；3、第三MOS管；4、第四MOS管；5、第五MOS管；6、第六MOS管；7、第七MOS管；8、第八MOS管；9、第一电容；10、第二电容；11、第三电容；12、第四电容；13、第一电感；14、第二电感；15、单刀双掷开关；16、变压器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
如图1所示，本发明实施例提供的5G毫米波双频带双模混频器中第一MOS管1的源极接地，栅极接射频输入信号，漏极与第二MOS管2和第三MOS管3的源极相连；第四MOS管4的源极接Vdd，栅极接偏置电压Vb1，漏极连接第一MOS管1的漏极；第二MOS管2和第三MOS管3的栅极分别连接本振的信号的正负端，漏极分别接入变压器16的初级线圈的两个端口，变压器16为变压器Transformer1；变压器16初级线圈的中心抽头串联第一电感13后接入Vdd，次级线圈的中心抽头接地，次级线圈两侧的端口分别连接第五MOS管5和第六MOS管6的源极；第一电容9一端连接第二MOS管2的栅极，一端连接第三MOS管3的漏极；第二电容10一端连接第三MOS管3的栅极，一端连接第二MOS管2的漏极；第六MOS管6的栅极接偏置电压Vb2，漏极接第八MOS管8的漏极；第五MOS管5的栅极接偏置电压Vb2，漏极接第七MOS管7的漏极、第七MOS管7的栅极和第八MOS管8的栅极；第七MOS管7和第八MOS管8的源极接Vdd；第四电容12一端连接第六MOS管6的漏极，一端串联第二电感14接入单刀双掷开关15的第一个输入端；第三电容11一端连接变压器16的初级线圈的中心抽头，一端连接单刀双掷开关15的第二个输入端，单刀双掷开关15的输出端接入中频输出端口。
本发明的工作原理为：第一MOS管1、第二MOS管2、第三MOS管3、第四MOS管4和第一电容9、第二电容10构成混频器的核心部分，电流注入型单平衡有源混频器结构。第一MOS管1作为混频器的跨导级为混频器提供增益，第四MOS管4作为电流注入结构提高第一MOS管1的漏极电流，使得混频器的增益进一步提高。第二MOS管2、第三MOS管3为混频器的开关管，栅极所接本振信号相位差为180°，由于本振信号较大，所以需要考虑在非线性影响下的信号传递表达式：
Figure BDA0003650293640000071
其中，Vds是第二MOS管2或第三MOS管3的漏源交流电压差，Vgs是第二MOS管2或第三MOS管3的栅源交流电压差，受本振信号影响，ai是相关非线性的系数。对于第二MOS管2，Vgs＝Acos(ωLOt)，对于第三MOS管3，Vgs＝-Acos(ωLOt)，其中，A为本振信号电压幅度，ωLO是本振信号的角频率。一次项与本振的基波进行混频，第二MOS管2、第三MOS管3依次通断与从源极进入的射频信号进行混频，分别从漏极输出b1cos(ωRF-ωLO)和-b1cos(ωRF-ωLO)的两个信号，其中，b1为两个信号的电压幅度，ωRF是射频信号的角频率，两个信号等幅反相，作为差模信号输出。二次项与本振的二次谐波混频，代入Vgs表达式，由于A和-A的平方结果相同，所以没有相位差别，第二MOS管2或第三MOS管3的漏极混频产生b2cos(2ωLO-ωRF)的信号，作为共模信号输出，b2为此信号的电压幅度。为了确保二次混频的增益，第二MOS管2或第三MOS管3的栅极直流电压需要偏置在阈值电压附近二次谐波比较大的电位。第一电容9和第二电容10为中和电容，用来保证混频器开关管第二MOS管2和第三MOS管3的工作稳定性。
变压器16(变压器Transformer1)一方面用作混频器核心的负载，匹配4-6GHz的中频信号，另一方面用作差模信号和共模信号的提取，其提取原理如图3所示。在图3中，初级线圈为黑色，连接混频器核心，次级线圈为灰色，连接第五MOS管5、第六MOS管6的源极。当共模信号进入初级线圈，如图3中的图a所示，两个信号分别走过初级线圈的半周，在中心抽头处由于两者等幅同相，所以直接叠加加强，从中心抽头提取出来，而由于变压器16的对称性和平衡性，共模信号不会耦合到次级线圈，因此不会从次级线圈输出。当差模信号进入初级线圈器，如图3中的图b所示，当两个信号走过半周到中心抽头时，由于两个信号等幅反相，呈抵消的效果，在初级线圈的中心抽头处看到交流地，因此信号不会从中心抽头流出。差模信号会在初级线圈的一个端口到另一个端口走一个大圈，这个完整的圈会将电磁能量耦合到次级线圈，从次级线圈的两个端口输出。以本振22GHz为例，27GHz的射频信号可以混频产生27GHz-22GHz＝5GHz的差模信号，这个信号会从变压器16的次级线圈耦合出来；39GHz的射频信号可以混频产生2×22GHz-39GHz＝5GHz的共模信号，通过初级线圈的中心抽头提取。由此，实现两个频带下混频后分别的差模、共模提取。第一电感13为共模中频信号的负载，第三电容11为阻隔直流的电容，两者形成LC匹配网络将4-6GHz的中频信号引入单刀双掷开关15。第一MOS管1～第八MOS管8和第四电容12、第二电感14构成有源巴伦，差模中频信号从次级线圈的两个输出端口分别进入第五MOS管5和第六MOS管6的源极，第五MOS管5和第六MOS管6呈共栅极结构，将信号从漏极放大输出。第五MOS管5的漏极输出的信号进入第八MOS管8的栅极后会再经过一次反相，从第八MOS管8的漏极输出，因此第六MOS管6和第八MOS管8的漏极输出信号同相，叠加后进入第四电容12。第四电容12为阻隔直流的电容，第二电感14与第四电容12组成匹配网络，将4-6GHz的中频信号引入单刀双掷开关，同时，调节有源巴伦的输入阻抗平衡性。第五MOS管5的尺寸略大于第六MOS管6，第七MOS管7的的尺寸略大于第八MOS管8，以使得第五MOS管5和第六MOS管6源极的输入阻抗相近。单刀双掷开关15用于选择差模提取或者共模提取的信号输出到中频。当本振信号22GHz时，27GHz射频信号的镜像频率为17GHz，39GHz射频信号的镜像频率为49GHz，都在频带外，可以通过前级的匹配网络滤除掉。这种通过差模共模提取进行基波混频和两次谐波混频切换的方式，使得本振在频率不变的情况下，只需要切换模式，即可将两个不同频带射频的信息下变到相同的中频，中频和本振的带宽设计压力大大降低。当中频带宽为fif1～fif2、本振范围为flo1～flo2时，则本混频器的射频端可以覆盖fif1+flo1～fif2+flo2和2×flo1-fif2～2×flo2-fif1两个频段。若中频信号取4-6GHz，本振信号取20-24GHz，即可覆盖我国5G通信的两个毫米波频段24.25-27.5GHz和37.5-42.5GHz。
二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。本发明可以应用于5G毫米波通信的接收机芯片中，使得该芯片可以同时工作覆盖27和39GHz附近的两个毫米波频带。
三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
本发明通过对传统的单平衡有源混频器进行改进，通过负载变压器的耦合方式和中心抽头抽取方式，可以分别将与本振基波混频的差模信号和与本振二次谐波混频的共模信号提取，对应了5G通信的两个频带信号的下变频，再通过有源巴伦、LC匹配网络和单刀双掷开关以选择不同的信号输出，从而实现了可以应用于5G毫米波双频带接收机的双模下混频器。本发明在射频频率覆盖了5G毫米波的两个频带的同时，本振带宽和中频带宽相对较窄，不会引入较大的链路负担。本发明相较传统方案不需要引入正交发生器、第二个混频器和90°移相器，在减小了本振功率需求、版图面积和版图布局复杂度的同时，可以较好的抑制两个频带之间的干扰，并且镜像频率都在频带外，因此更适用于5G毫米波的应用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种5G毫米波双频带双模混频器，其特征在于，所述5G毫米波双频带双模混频器设置有：
第一MOS管；
第一MOS管通过漏极与第二MOS管和第三MOS管的源极相连，第一MOS管通过漏极与第四MOS管的漏极连接；
第二MOS管通过栅极与第一电容一端连接，第一电容另一端与第三MOS管的漏极连接；
第三MOS管通过栅极与第二电容一端连接，第二电容另一端与第二MOS管的漏极连接。
2.如权利要求1所述5G毫米波双频带双模混频器，其特征在于，所述第一MOS管通过源极接地，第一MOS管通过栅极接射频输入信号，第四MOS管通过源极接Vdd，第四MOS管通过栅极接偏置电压Vb1。
3.如权利要求1所述5G毫米波双频带双模混频器，其特征在于，所述第二MOS管和第三MOS管通过栅极分别连接本振信号的正负端，第二MOS管和第三MOS管通过漏极分别接入变压器的初级线圈的两个端口。
4.如权利要求3所述5G毫米波双频带双模混频器，其特征在于，所述变压器通过初级线圈的中心抽头串联第一电感后接入Vdd，次级线圈的中心抽头接地，次级线圈两侧的端口分别连接第五MOS管和第六MOS管的源极。
5.如权利要求4所述5G毫米波双频带双模混频器，其特征在于，所述第六MOS管通过栅极接偏置电压Vb2，第六MOS管通过漏极接第八MOS管的漏极。
6.如权利要求4所述5G毫米波双频带双模混频器，其特征在于，所述第五MOS管通过栅极接偏置电压Vb2，第五MOS管通过漏极接第七MOS管的漏极、第七MOS管的栅极和第八MOS管的栅极；
所述第七MOS管和第八MOS管通过源极接Vdd。
7.如权利要求4所述5G毫米波双频带双模混频器，其特征在于，所述第六MOS管通过漏极与第四电容一端连接，第四电容另一端串联第二电感接入单刀双掷开关的第一个输入端。
8.如权利要求3所述5G毫米波双频带双模混频器，其特征在于，所述变压器通过初级线圈的中心抽头与第三电容一端连接，第三电容另一端连接单刀双掷开关的第二个输入端，单刀双掷开关的输出端接入中频输出端口。
9.一种5G毫米波通信的接收机芯片，其特征在于，所述5G毫米波通信的接收机芯片包含权利要求1～8任意一项所述的5G毫米波双频带双模混频器，所述5G毫米波通信的接收机芯片同时工作覆盖27和39GHz附近的两个毫米波频带。
10.一种无线通信终端，其特征在于，所述无线通信终端安装有权利要求1～8任意一项所述的5G毫米波双频带双模混频器。
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