CN114900131A - 一种带放大和混频功能切换的5g双频带上混频器及终端 - Google Patents

一种带放大和混频功能切换的5g双频带上混频器及终端 Download PDF

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Abstract

本发明属于5G毫米波通信技术领域，公开了一种带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器及终端，第一双平衡有源混频器和第二双平衡有源混频器串联连接，第一双平衡有源混频器两端分别与第一变压器和第二变压器连接，第二双平衡有源混频器两端分别与第二变压器和第三变压器连接；第一双平衡有源混频器设置有第一MOS管和与第一MOS管连接的第四变压器；第二双平衡有源混频器设置有第二MOS管和与第二MOS管连接的第五变压器。本发明通过将两个双平衡混频器串联，后级的混频器可以通过控制偏压和交流信号开关从而切换为放大器功能，使得整个混频器可以进行一次混频或两次混频，分别对应两个频带的射频信号，因此可以实现双频带上混频。

Description

一种带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器及终端
技术领域
本发明属于5G毫米波通信技术领域，尤其涉及一种带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器及终端。
背景技术
目前，在5G毫米波技术的提出与应用，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。对于发射机芯片，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，使得中频信号与本振信号混频结果可以覆盖两个射频频带。
以中国的5G毫米波频段24.25-27.5GHz和37.5-42.5GHz为例，对于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，中频过高将失去下变频的意义，并增加中频链路的设计难度。因此，常见的上变频方案采用改变本振频率的方式，在中频频率较低的情况下变换本振频率，以覆盖两个不同的频带。中频信号取4-6GHz，变换本振频率20.25-36.5GHz。其电路基本结构采用常见的吉尔伯特型有源混频器或无源环形混频器，虽然可以实现双频带上混频，但是仍然存在很多问题，相应的缺点如下：
(1)本振链路带宽压力较大。这种方案的中频虽然只有4-6GHz，但是本振需要取到20.25-36.5GHz的频带范围，相对带宽约为57％，会使得本振链路带宽设计压力较大，特别是其中的倍频器模块，设计难度很大。
(2)边带信号会落在射频频带内。由于中频频率带宽较窄，所以射频频带的覆盖主要靠本振频率的变换来完成。在本振频率变换的过程中，一个本振的边带频率有可能和另一个本振的射频频率很近，甚至重合。例如，当本振频率取22GHz时，可以上混频得到26-28GHz的射频信号，当本振取32GHz时，既可以得到36-38GHz的射频信号，也可以得到26-28GHz的边带信号，这个边带信号会随着发射机发射出去，对其它使用26-28GHz射频频段进行通信的设备造成干扰。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：在5G毫米波通信技术的应用中，将中频信息上混频到27GHz和39GHz附近的频段，难以在对边带频率抑制的同时，降低中频和射频链路的带宽设计压力。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器。
本发明是这样实现的，一种带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器包括：
第一双平衡有源混频器和第二双平衡有源混频器；
所述第一双平衡有源混频器和第二双平衡有源混频器串联连接，所述第一双平衡有源混频器两端分别与第一变压器和第二变压器连接，所述第二双平衡有源混频器两端分别与第二变压器和第三变压器连接；
所述第一双平衡有源混频器设置有第一MOS管和与第一MOS管连接的第四变压器；
所述第二双平衡有源混频器设置有第二MOS管和与第二MOS管连接的第五变压器。
进一步，所述第一变压器的初级线圈一端连接IF信号端口，另一端接地，次级线圈一端连接第一MOS管M1、M2的源极，另一端连接第一MOS管的M3、M4的源极，次级线圈的中心抽头接地；
进一步，第一MOS管M1与M4的栅极与LO1+信号端连接，第一MOS管M2与M3的栅极与LO1-信号端连接；第四变压器的初级线圈一端接LO1+信号端，另一端接LO1-信号端，次级线圈一端接LO信号端口，另一端接地。
进一步，所述LO1-信号端和偏置电压Vb1之间连接有电阻R1，LO1+信号端和偏置电压Vb1之间连接有电阻R2。
进一步，第二变压器的初级线圈一端连接第一MOS管M1、M3的漏极，另一端连接第一MOS管M2、M4的漏极，中心抽头接电源Vdd；
第二变压器的次级线圈一端连接第二MOS管M5、M6的源极，另一端连接第二MOS管M7、M8的源极，中心抽头接地。
进一步，所述第二MOS管M5与M8的栅极接LO2+信号端，第二MOS管M6与M7的栅极接LO2-信号端；
第五变压器的初级线圈一端依次串联开关S1、电容C1到LO2-信号端，另一端依次串联开关S2、电容C2到LO2+信号端，次级线圈一端接LO信号端，另一端接地。
进一步，所述LO2-信号端和偏置电压Vb2之间连接有电阻R3，LO2+信号端和偏置电压Vb3之间连接有电阻R4。
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所述的带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器。
本发明的另一目的在于提供一种5G毫米波通信终端，所述5G毫米波通信终端安装有所述的带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器。
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：
本发明通过将两个模块串联，第一个模块为混频器，第二个模块可以通过控制偏压和信号开关切换混频器和放大器两种功能模式，从而切换中频频率与本振频率进行一次混频和两次混频，实现双频带的上混频，覆盖两个毫米波频段。
本发明采用两级共栅极结构，相比传统的无源混频器，有更高的增益，有助于改善链路性能，减轻后级放大器的增益压力。
本发明的上混频器产生的边带干扰频率都在带外，可以通过匹配滤波滤除，因此不会干扰其它通信设备的工作。
本发明通过对传统的双频带变频方式进行改进，将两个双平衡混频器串联，后级的混频器可以通过控制偏压和交流信号开关从而切换为放大器功能，使得整个混频器可以进行一次混频或两次混频，分别对应两个频带的射频信号，因此可以实现双频带上混频。本发明还显著降低了双频带毫米波系统本振带宽的需求，因此不会为中频链路和本振链路带来较大的设计压力。本发明产生的边带频率都在带外，可以通过匹配滤波进行抑制，因此不会对其他设备造成干扰。
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：
本发明提供的带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器在中频频率4-6GHz、本振频率20-24GHz的情况下，可以实现上混频覆盖我国5G通信的两个毫米波频段，减轻了本振链路和中频链路的设计压力。并且，此混频器产生的边带频率都在频带外，可以通过匹配滤波进行抑制，因而不会对其它通信设备造成干扰。
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：本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：采用更简洁的布线和更小的功耗实现5G毫米波的双频带上变频，充分利用了5G频谱资源的同时，节约了芯片面积和芯片功耗。
附图说明
图1是本发明实施例提供的带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器的结构原理图；
图2是本发明实施例提供的M5～M8在混频器和放大器两种功能下的工作状态原理图；
图中：1、第一变压器；2、第二变压器；3、第三变压器；4、第四变压器；5、第五变压器。
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带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器核心部分为两个串联的双平衡有源混频器，通过变压器耦合来传递信号和阻抗匹配，在本振端引入了信号控制的部分，在提供偏置电压的同时，实现混频器和放大器的功能切换进而实现双频带的混频。
第一变压器1的初级线圈一端连接IF信号端口、一端接地，次级线圈一端连接MOS管M1、M2的源极，一端连接MOS管M3、M4的源极，次级线圈的中心抽头接地；MOS管M1与M4的栅极接LO1+信号，MOS管M2与M3的栅极接LO1-信号；第二变压器的初级线圈一端连接M1、M3的漏极，一端连接M2、M4的漏极，中心抽头接电源Vdd，次级线圈一端连接MOS管M5、M6的源极，一端连接MOS管M7、M8的源极，中心抽头接地；MOS管M5与M8的栅极接LO2+信号，MOS管M6与M7的栅极接LO2-信号；
第三变压器3的初级线圈一端连接M5、M7的漏极，一端连接M6、M8的漏极，中心抽头接电源Vdd，次级线圈两端分别连接射频信号的两个差分端口RF+和RF-；
第四变压器4的初级线圈一端接LO1+，一端接LO1-，次级线圈一端接LO信号端口，一端接地；
第五变压器5的初级线圈一端一次串联开关S1、电容C1到LO2-，一端依次串联开关S2、电容C2到LO2+，次级线圈一端接LO信号端，一端接地；电阻R1两端分别连接偏置电压Vb1和LO1-，电阻R2两端分别连接偏置电压Vb1和LO1+，电阻R3两端分别连接偏置电压Vb2和LO2-，电阻R4两端分别连接偏置电压Vb3和LO2+。
M1～M4构成第一个混频器的核心开关管，结构为双平衡有源混频器，中频信号从第一变压器耦合进入M1～M4的源极，偏置电压Vb1通过隔离交流的电阻R1和R2将M1～M4偏置在阈值电压附近，本振信号从第四变压器耦合到LO1+和LO1-，再连接到M1～M4的栅极，控制M1～M4依次开启和关断，实现混频。第一个混频器输出信号角频率和为ωIF1＝ωLO+ωIF和ωIF2＝ωLO-ωIF。
M5-8可以有两种功能模式，混频器模式和放大器模式。当M5-8工作在混频器模式时，开关S1、S2闭合，M5-8构成第二个混频器的核心开关管，结构为双平衡有源混频器，如图2所示。经过一次混频的IF1和IF2信号从第二变压器耦合进入M5-8的源极，偏置电压Vb2和Vb3分别通过隔离交流的电阻R3和R4将M5-8偏置在阈值电压附近，本振信号从第五变压器和电容C1、C2分别耦合到LO2+和LO2-两个差分端，再连接到M5-8的栅极，控制M5-8依次开启和关断，实现混频，因此可以输出更高频率的信号。第二个混频器输出信号角频率为ωIF、ωRF＝ωLO+ωIF2＝2ωLO-ωIF和ωside＝ωLO+ωIF1＝2ωLO+ωIF。其中，中频频率是由于两次混频的本振频率相同，先加一个本振频率，再减一个本振频率产生的。
当M5～M8工作在放大器模式时，开关S1、S2关断，因此不会有大功率的本振信号进入M5～M8的栅极，Vb2偏置在地电位，因此M6和M7关断，Vb3偏置在高出阈值电压50mV以上，使M5和M8工作在共栅极放大器的状态[2]，直流电流变大，此时该部分可以放大信号但是不会改变输入信号的频率，选择其中本振频率与中频频率相加的部分为输出的射频频率ωRF＝ωIF1＝ωLO+ωIF。
第二变压器2和第三变压器3实现信号的耦合和匹配滤波，第三变压器3结合上下级阻抗滤出24.25-42.5GHz的频带信息，第二变压器2结合上下级阻抗滤出16.5-27.5GHz的频带信息。
当中频频率为5GHz时，若M5～M8工作在混频器模式，则整个上混频进行两次混频，输出的射频频率为2×22GHz-5GHz＝39GHz，产生的边带频率2×22GHz+5GHz＝49GHz和中频频率5GHz都在带外，会随着匹配滤波被滤除掉，因此不会干扰其它设备的通信；若M5～M8工作在放大器模式，则整个上混频只进行一次混频，输出的射频频率22GHz+5GHz＝27GHz，产生的边带频率22GHz-5GHz＝17GHz在带外，会随着匹配滤波被滤除掉，因此不会干扰其它设备的通信。
这种一次混频和两次混频切换的方式，使得本振和中频在频率不变的情况下，只需要切换模式即可对应两个不同频带的信息，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，并且产生的边带频率都在带外，可以通过匹配滤波抑制，减弱对其它设备的干扰。
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。
本发明安装有带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器的5G通信系统。
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。
在中频频率4-6GHz不变的情况下，传统方案为了覆盖5G毫米波的两个频率，需要本振带宽为20.25GHz-21.5GHz和33.5GHz-36.5GHz，这种跨度很宽的两个频带会给本振链路的VCO和倍频器等元件带来较大的设计压力，也为混频器栅极的匹配引入难度。而本发明的本振只需要20-24GHz一个频带的信号进入，因此大大减轻了本振链路的设计压力。传统方案的边带频率会随着发射机发射出去，影响其它通信设备，本发明的边带频率都在带外，可以得到抑制，因此不会干扰其它设备。
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)

1.一种带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器，其特征在于，所述带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器包括：
第一双平衡有源混频器和第二双平衡有源混频器；
所述第一双平衡有源混频器和第二双平衡有源混频器串联连接，所述第一双平衡有源混频器两端分别与第一变压器和第二变压器连接，所述第二双平衡有源混频器两端分别与第二变压器和第三变压器连接；
所述第一双平衡有源混频器设置有第一MOS管和与第一MOS管连接的第四变压器；
所述第二双平衡有源混频器设置有第二MOS管和与第二MOS管连接的第五变压器。
2.如权利要求1所述的带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器，其特征在于，所述第一变压器的初级线圈一端连接IF信号端口，另一端接地，次级线圈一端连接第一MOS管M1、M2的源极，另一端连接第一MOS管的M3、M4的源极，次级线圈的中心抽头接地。
3.如权利要求1所述的带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器，其特征在于，第一MOS管M1与M4的栅极与LO1+信号端连接，第一MOS管M2与M3的栅极与LO1-信号端连接；第四变压器的初级线圈一端接LO1+信号端，另一端接LO1-信号端，次级线圈一端接LO信号端口，另一端接地。
4.如权利要求3所述的带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器，其特征在于，所述LO1-信号端和偏置电压Vb1之间连接有电阻R1，LO1+信号端和偏置电压Vb1之间连接有电阻R2。
5.如权利要求1所述的带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器，其特征在于，第二变压器的初级线圈一端连接第一MOS管M1、M3的漏极，另一端连接第一MOS管M2、M4的漏极，中心抽头接电源Vdd；
第二变压器的次级线圈一端连接第二MOS管M5、M6的源极，另一端连接第二MOS管M7、M8的源极，中心抽头接地。
6.如权利要求1所述的带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器，其特征在于，所述第二MOS管M5与M8的栅极接LO2+信号端，第二MOS管M6与M7的栅极接LO2-信号端。
7.如权利要求6所述的带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器，其特征在于，第五变压器的初级线圈一端一次串联开关S1、电容C1到LO2-信号端，另一端依次串联开关S2、电容C2到LO2+信号端，次级线圈一端接LO信号端，另一端接地。
8.如权利要求6所述的带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器，其特征在于，所述LO2-信号端和偏置电压Vb2之间连接有电阻R3，LO2+信号端和偏置电压Vb3之间连接有电阻R4。
9.一种无线通信终端，其特征在于，所述无线通信终端安装有权利要求1～8任意一项所述的带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器。
10.一种5G毫米波通信终端，其特征在于，所述5G毫米波通信终端安装有权利要求1～8任意一项所述的带放大和混频功能切换的5G双频带上混频器。
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