CN115360983A - 一种高转换增益毫米波四倍频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高转换增益毫米波四倍频器，包括输入匹配网络，第一倍频单元，第一级间匹配网络，第二倍频单元，第二级间匹配网络，缓冲放大单元，输出匹配网络。倍频单元采用单端结构，输入信号经过两个二次倍频单元最终产生了四次倍频的输出信号，分别通过第一、第二级间匹配网络对各倍频单元输出端的其它谐波进行抑制，电路末级级联了一个高增益的共源驱动放大器。本发明有效改善了单端倍频器转换增益低，谐波抑制差的问题，可以满足一些大功率本振源的需求。
Description
技术领域
本发明属于毫米波信号源技术领域，特别涉及高转换增益毫米波四倍频器。
背景技术
随着无线通信系统的不断发展，高速无线通信技术对频谱资源的需求日益提高。毫米波由于波长短，频带宽，传输速率高等特点在高速通信、毫米波成像、雷达、亚太赫兹探测器，以及生物医学等方面还有广泛的应用场景。
在毫米波通信系统中，频率源作为收发机不可或缺的一部分，起着至关重要的作用。低频频率源通常直接由振荡器获得，但在毫米波频段，传统方法获得的频率源往往频率稳定度和相位噪声达不到要求。目前常用的方法是通过倍频器将低频频率源倍频到高频段，同时也可以提高频率源在输出功率，带宽等方面的性能，以满足毫米波通信要求。
常用的毫米波倍频结构有单端倍频器，push-push倍频器等。单管倍频器结构简单，在功耗，电路尺寸方面具有优势；但单管倍频器往往难以实现高的谐波抑制和带宽，输出功率较低，应用受到了限制。
发明内容
为了克服上述技术中存在的问题，本发明提供了一种高转换增益毫米波四倍频器。提高单端倍频器的转换增益、输出功率、工作带宽和谐波抑制等关键性能，提高单端倍频器的实用性。提出一种匹配滤波结构，有效提高了单端倍频器的谐波抑制以及工作带宽；倍频输出端级联了一个高增益的驱动放大器，大大提高了毫米波四倍频器的转换增益和输出功率。
技术方案为包括依次连接的输入匹配网络、第一倍频单元、第一级间匹配网络、第二倍频单元、第二级间匹配网络、缓冲放大单元和匹配网络，其中，
所述输入匹配网络将第一倍频单元的输入阻抗匹配到50欧姆，同时提供带外抑制，滤除掉输入端的杂音信号；
所述第一倍频单元产生输入信号的各次谐波信号，并提供增益；
所述第一级间匹配网络滤除第一倍频单元输出的基波及三次谐波，同时将第一倍频单元的输出阻抗匹配到第二倍频单元的输入阻抗，第一级间匹配网络中一部分匹配元件组成第一倍频单元的漏极偏置电路；
所述第二倍频单元产生自身栅端输入信号的各次谐波信号，并提供增益；
所述第二级间匹配网络滤除第二倍频单元输出的二次谐波及六次谐波，同时将第二倍频单元的输出阻抗匹配到缓冲放大单元的输入阻抗，第二级间匹配网络的一部分匹配元件组成第二倍频单元的漏极偏置电路；
所述缓冲放大单元用于给第二倍频单元输出的四次谐波提供增益，提高整个毫米波四倍频器的输出功率，同时改善四倍频器的增益平坦度；
所述输出匹配网络将缓冲放大单元的输出阻抗匹配到50欧姆，同时对八次谐波进行抑制。
优选地，所述输入匹配网络包括电感L1、电容C1、C2以及电感L2，其中，电感L1正端口跟输入信号线相连，负端口接地；电容C1正端口与电感L1正端口相连，负端口接地；电感L1，C1构成并联谐振；电容C2的两个端口分别与电感L1、L2的正端口相连；电感L2负端口接地；隔直电容Cd1正端口电感L2正端口相连，负端口与晶体管M1栅极相连。
优选地，所述第一倍频单元包括晶体管M1，晶体管M1采用GaAs PHEMT，栅宽为25um，叉指数量为2，漏极偏置作为第一级间匹配网络的一部分参与匹配，工作状态为C类，即导通角小于半个周期。
优选地，所述第一级间匹配网络、包括电感L3、L4、L5、L6，以及电容C3和C4，其中，电感L3正负端口分别与晶体管M1漏极和电感L4正端口相连，电感L4负端口与电容C3正端口相连，电容C3负端口接地，电感L4与电容C3构成串联谐振，且谐振在输入信号频率f；电感L5正端口与电感L4正端口相连，负端口与电容C4正端口相连，电容C4的负端口接地，电感L5与电容C4构成串联谐振，且谐振在频率3f；电感L4、电容C3构成的串联支路与电感L5、电容C4构成的串联支路在2f构成并联谐振；电感L6正端口与电感L4正端口相连，负端口连接隔直电容Cd2的正端口，Cd2的负端口连接晶体管M2的栅极。
优选地，所述第二倍频单元包括晶体管M2，晶体管M2采用GaAs PHEMT，栅宽为25um，叉指数量为2，漏极偏置作为第二级间匹配网络的一部分参与匹配，工作状态为C类，即导通角小于半个周期。
优选地，第二级间匹配网络包括电感L7、L8、L9、L10，以及电容C5，C6，其中，电感L7正负端口分别与晶体管M2漏极和电感L8正端口相连，电感L8负端口与电容C5正端口相连，电容C5负端口接地；电感L8与电容C5构成串联谐振，且谐振频率为2f；电感L9的正端口与电感L8正端口相连，负端口与电容C6正端口相连，电容C6负端口接地，电感L9与电容C6构成串联谐振，且谐振频率为6f；电感L8、电容C5构成的串联支路与电感L9、电容C6构成的串联支路在频率4f构成并联谐振；电感L10正端口与电感L8正端口相连，负端口连接隔直电容Cd3的正端口，Cd3的负端口连接晶体管M3的栅极。
优选地，所述缓冲放大单元包括晶体管M3，晶体管M3采用GaAs PHEMT，栅宽为50um，叉指数量为2，采用共源放大结构；缓冲放大单元还包括晶体管M3栅漏极之间跨接的一个由电感L11、隔直电容Cd4、电阻R1组成的反馈支路，提高缓冲放大单元的稳定性和带宽；漏极偏置作为第二级间匹配网络的一部分参与匹配，工作状态为AB类，即导通角大于半个周期小于一个周期。
优选地，所述输出匹配电路包括电感L12、L13、L14，电容C7、C8，其中，电感L12正端口与晶体管M3漏极相连，负端口与电感L13正端口相连，L13负端口与电容C7正端口相连，电容C7的负端口接地；电感L15与电容C7构成串联谐振，且谐振在频率8f；电感L14正端口与电感L13的正端口相连，负端口与电容C8的正端口相连，电容C8的负端口接地，隔直电容Cd5的正端口与电感L13的正端口相连，负端口连接四倍频器的输出端。
本发明的有益效果至少包括：
(1)本发明的毫米波四倍频器，实现了毫米波频段的四次倍频，对于所需的毫米波频率源，降低了本振输入信号的频率，提高了频率源的稳定性；
(2)本发明的毫米波四倍频器，通过新型的匹配滤波结构，有效抑制了除所需频率外的各次谐波，同时提高了输出信号的带宽。相对于现有技术，本发明使用单端结构实现了较高的谐波抑制和输出带宽，节省了电路面积和功耗，有利于降低成本；
(3)本发明的毫米波四倍频器实现了较高的转换增益，提高了倍频器的输出功率和效率，可以满足一些高功率本振源的需求。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1是本发明实施例的高转换增益毫米波四倍频器的电路原理图；
图2是本发明实施例的高转换增益毫米波四倍频器的输出功率以及各次谐波功率图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
参见图1，所示为本发明实施例的高转换增益毫米波四倍频器电路原理图，主体结构包括输入匹配网络10，第一倍频单元20，第一级间匹配网络30，第二倍频单元40，第二级间匹配网络50，缓冲放大单元60，输出匹配网络70。基波信号经输入匹配网络10进入到第一倍频单元20产生各次谐波，第一级间匹配网络30对除二次谐波外的各次谐波进行抑制，并将二次谐波输入到第二倍频单元40，第二级间匹配网络50对除四次谐波外的各次谐波进行抑制，并将四次谐波输入到缓冲放大单元60，输出匹配将输出阻抗匹配到50欧姆，保证最大增益输出。
输入匹配网络10包括，电感L1、电容C1、C2以及电感L2。电感L1正端口跟输入信号线相连，负端口接地；电容C1正端口与电感L1正端口相连，负端口接地；电感L1，C1构成并联谐振，且谐振在输入信号频率f附近；电容C2的正负端口分别与电感L1、L2正端口相连，电感L2负端口接地；隔直电容Cd1正端口与电感L2正端口相连，负端口与晶体管M1栅极相连。
第一倍频单元20包括晶体管M1及其偏置电路，晶体管M1栅极偏置Vg1经一个大电阻Rg1与栅端相连。晶体管M1漏极偏置Vd1加在电感L4负端，电容C3正端口与电感L4负端相连，负端口接地，构成旁路电容。
第一级间匹配网络30包括电感L3、L4、L5、L6，以及电容C3和C4构成。电感L3正负端口分别与晶体管M1漏极和电感L4正端口相连，电感L4负端口与电容C3正端口相连，电容C3负端口接地；电感L4与电容C3构成串联谐振，且谐振在输入信号频率f附近，实现对基波的抑制；电感L5正端口与电感L4正端口相连，负端口与电容C4正端口相连，电容C4的负端口接地，电感L5与电容C4构成串联谐振，且谐振在频率3f附近，实现对三次谐波的抑制；电感L4与电容C3构成的串联支路在2f呈感性，电感L5与电容C4构成的串联支路在2f呈容性，调节各值，使得两支路在频率2f构成并联谐振，增加匹配的带宽；电感L6正端口与电感L4正端口相连，负端口连接隔直电容Cd2的正端口，Cd2的负端口连接晶体管M2的栅极。
第二倍频单元40包括晶体管M2及其偏置电路，晶体管M2栅极偏置Vg2经一个大电阻Rg2与栅端相连。晶体管M2漏极偏置Vd2加在电感L8负端口，电容C5正端口与电感L8负端口相连，负端口接地，构成旁路电容。
第二级间匹配网络50由电感L7，L8，L9，L10，以及电容C5，C6构成。电感L7正负端口分别与晶体管M2漏极和电感L8正端口相连，电感L8负端口与电容C5正端口相连，电容C5负端口接地；电感L8与电容C5构成串联谐振，且谐振在频率2f附近，实现对二次谐波的抑制；电感L9的正端口与电感L8正端口相连，负端口与电容C6正端口相连，电容C6负端口接地，电感L9与电容C6构成串联谐振，且谐振在频率6f附近，实现对六次谐波的抑制；电感L8与电容C5构成的串联支路在频率4f呈感性，电感L9与电容C6构成的串联支路在频率4f呈容性，调节各值，使得上下两支路在频率4f构成并联谐振，增加匹配的带宽；电感L10正端口与电感L8正端口相连，负端口连接隔直电容Cd3的正端口，Cd3的负端口连接晶体管M3的栅极。
缓冲放大单元60包括晶体管M3，电阻Rg3,以及电感L11、隔直电容Cd4、电阻R1。电感L11正端口与晶体管M3漏极相连，负端口连接隔直电容Cd4的正端口，Cd4负端口与电阻R1正端口相连，电阻R1的负端口与晶体管M3漏极相连。电感L11、隔直电容Cd4、电阻R1构成缓冲放大级的反馈支路,电感L11在频率4f时呈现高阻，同时也降低了反馈支路损耗，引入反馈支路主要目的是提高倍频级的稳定性和带宽。
输出匹配网络70由电感L12、L13、L14，电容C7、C8、Cd5构成。电感L12正端口与晶体管M3漏极相连，负端口与电感L13正端口相连，电感L13负端口与电容C7正端口相连，电容C7的负端口接地；电感L15与电容C7构成串联谐振，且谐振在频率8f附近，对倍频级产生的八次谐波进行抑制；电感L14正端口与电感L13正端口相连，负端口与电容C8正端口相连，电容C8的负端口接地，隔直电容Cd5正端口与电感L14负端口相连，负端口接最终的输出信号。
本实施例倍频单元晶体管M1，M2工作在C类，即导通角小于半个周期，利用晶体管的非线性产生输入信号的各次谐波；缓冲放大单元60晶体管M3工作在AB类，具有较好的线性度及较高的增益，同时也考虑了功耗的平衡。
本实施例基于100nm GaAs PHEMT工艺，通过ADS仿真软件进行了验证，图2给出了毫米波四倍频器在输入信号功率为0dBm时的输出功率和各次谐波输出功率，最大输出功率为14dBm，输出功率3dB带宽为49.2GHz-57.6GHz，在输入频率12.3GHz-14.4GHz范围内，基波抑制大于31dBc，二次谐波抑制大于45dBc，三次谐波抑制大于25dBc，五次、六次、七次、八次谐波抑制均大于26dBc，实现了较好的谐波抑制。此外，12.3-14.4GHz频率范围内倍频增益大于11dB，在13.75GHz达到最大倍频增益14dB，实现了一个高倍频增益的毫米波四倍频器。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种高转换增益毫米波四倍频器，其特征在于，包括依次连接的输入匹配网络、第一倍频单元、第一级间匹配网络、第二倍频单元、第二级间匹配网络、缓冲放大单元和输出匹配网络，其中，
所述输入匹配网络将第一倍频单元的输入阻抗匹配到50欧姆，同时提供带外抑制，滤除掉输入端的杂音信号；
所述第一倍频单元产生输入信号的各次谐波信号，并提供增益；
所述第一级间匹配网络滤除第一倍频单元输出的基波及三次谐波，同时将第一倍频单元的输出阻抗匹配到第二倍频单元的输入阻抗，第一级间匹配网络中一部分匹配元件组成第一倍频单元的漏极偏置电路；
所述第二倍频单元产生自身栅端输入信号的各次谐波信号，并提供增益；
所述第二级间匹配网络滤除第二倍频单元输出的二次谐波及六次谐波，同时将第二倍频单元的输出阻抗匹配到缓冲放大单元的输入阻抗，第二级间匹配网络的一部分匹配元件组成第二倍频单元的漏极偏置电路；
所述缓冲放大单元用于给第二倍频单元输出的四次谐波提供增益，提高整个毫米波四倍频器的输出功率，同时改善四倍频器的增益平坦度；
所述输出匹配网络将缓冲放大单元的输出阻抗匹配到50欧姆，同时对八次谐波进行抑制。
2.根据权利要求1所述的高转换增益毫米波四倍频器，其特征在于，所述输入匹配网络包括电感L1、电容C1、C2以及电感L2，其中，电感L1正端口跟输入信号线相连，负端口接地；电容C1正端口与电感L1正端口相连，负端口接地；电感L1，C1构成并联谐振；电容C2的两个端口分别与电感L1，L2的正端口相连；电感L2负端口接地；隔直电容Cd1正端口与电感L2正端口相连，负端口与晶体管M1栅极相连。
3.根据权利要求1所述的高转换增益毫米波四倍频器，其特征在于，所述第一倍频单元包括晶体管M1，晶体管M1采用GaAs PHEMT，栅宽为25um，叉指数量为2，漏极偏置作为第一级间匹配网络的一部分参与匹配，工作状态为C类，即导通角小于半个周期。
4.根据权利要求3所述的高转换增益毫米波四倍频器，其特征在于，所述第一级间匹配网络、包括电感L3、L4、L5、L6，以及电容C3和C4，其中，电感L3正负端口分别与晶体管M1漏极和电感L4正端口相连，电感L4负端口与电容C3相连，电容C3负端口接地，电感L4与电容C3构成串联谐振，且谐振在输入信号频率f；电感L5正端口与电感L4正端口相连，负端口与电容C4正端口相连，电容C4的负端口接地，电感L5与电容C4构成串联谐振，且谐振在频率3f；电感L4、电容C3构成的串联支路与电感L5、电容C4构成的串联支路在2f构成并联谐振；电感L6的正端口与电感L4正端口相连，负端口连接隔直电容Cd2的正端口，Cd2的负端口连接晶体管M2的栅极。
5.根据权利要求1所述的高转换增益毫米波四倍频器，其特征在于，所述第二倍频单元包括晶体管M2，晶体管M2采用GaAs PHEMT，栅宽为25um，叉指数量为2，漏极偏置作为第二级间匹配网络的一部分参与匹配，工作状态为C类，即导通角小于半个周期。
6.根据权利要求5所述的高转换增益毫米波四倍频器，其特征在于，第二级间匹配网络包括电感L7、L8、L9、L10，以及电容C5，C6，其中，电感L7正负端口分别与晶体管M2漏极和电感L8正端口相连，电感L8负端口与电容C5正端口相连，电容C5负端口接地；电感L8与电容C5构成串联谐振，且谐振频率为2f；电感L9的正端口与电感L8正端口相连，负端口与电容C6正端口相连，电容C6负端口接地，电感L9与电容C6构成串联谐振，且谐振频率为频率6f；电感L8、电容C5构成的串联支路与电感L9、电容C6构成的串联支路在频率4f构成并联谐振；电感L10正端口与电感L8正端口相连，负端口连接隔直电容Cd3的正端口，Cd3的负端口连接晶体管M3的栅极。
7.根据权利要求1所述的高转换增益毫米波四倍频器，其特征在于，所述缓冲放大单元包括晶体管M3，晶体2管M3采用GaAs PHEMT，栅宽为50um，叉指数量为2，采用共源放大结构；缓冲放大单元还包括晶体管M3栅
的一个由电感L11、隔直电容Cd4、电阻R1组成的反馈支路，提高缓冲放大单元的稳定性和带宽；漏极偏置作为第二级间匹配网络的一部分参与匹配，工作状态为AB类，即导通角大于半个周期小于一个周期。
8.根据权利要求7所述的高转换增益毫米波四倍频器，其特征在于，所述输出匹配电路包括电感L12、L13、L14，电容C7、C8，其中，电感L12正端口与晶体管M3漏极相连，负端口与电感L13正端口相连，L13负端口与电容C7正端口相连，电容C7的负端口接地；电感L13与电容C7构成串联谐振，且谐振在频率8f；电感L14正端口与电感L13的正端口相连，负端口与电容C8的正端口相连，电容C8的负端口接地，隔直电容Cd5正端口与L13正端口相连，负端口接四倍频器的输出端。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116886054A (zh) * | 2023-09-05 | 2023-10-13 | 成都嘉纳海威科技有限责任公司 | 一种高谐波抑制倍频放大多功能芯片 |
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|---|---|---|---|---|
| CN116886054A (zh) * | 2023-09-05 | 2023-10-13 | 成都嘉纳海威科技有限责任公司 | 一种高谐波抑制倍频放大多功能芯片 |
| CN116886054B (zh) * | 2023-09-05 | 2023-12-22 | 成都嘉纳海威科技有限责任公司 | 一种高谐波抑制倍频放大多功能芯片 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Country or region after: Zhong Guo Address after: 310018 Xiasha Higher Education Zone, Hangzhou, Zhejiang Applicant after: HANGZHOU DIANZI University Applicant after: Hangzhou University of Electronic Science and Technology Fuyang Institute of Electronic Information Co.,Ltd. Address before: 311400 3rd floor, building 3, Yinhu Huayuan, Yinhu street, Fuyang District, Hangzhou City, Zhejiang Province Applicant before: Hangzhou University of Electronic Science and Technology Fuyang Institute of Electronic Information Co.,Ltd. Country or region before: Zhong Guo Applicant before: HANGZHOU DIANZI University |
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| CB02 | Change of applicant information |