CN116054745B - 一种用于毫米波超宽带低功耗自混频架构的三倍频器 - Google Patents

一种用于毫米波超宽带低功耗自混频架构的三倍频器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于毫米波超宽带低功耗自混频架构的三倍频器，涉及5G通信技术，针对现有技术中功率增益低、寄生电容高等问题提出本方案。包括集成在芯片内并且依次电性连接的输入驱动电路、三倍频电路和输出驱动电路；输入驱动电路、三倍频电路和输出驱动电路在信号传输方向上直线分布，所述三倍频电路包括用于连接二倍频单元和自混频单元的第三变压器TR3，所述第三变压器TR3通过金属线连接，垂直于信号传输方向摆放，使电路布局更加紧凑。优点在于，第三变压器TR3其初级线圈和次级线圈可以分别吸收前级二倍频单元中NMOS管漏极和自混频单元中NMOS管源级的寄生电容，可以极大改善三倍频器在毫米波波段的功率增益和工作带宽。

Description

一种用于毫米波超宽带低功耗自混频架构的三倍频器
技术领域
本发明涉及5G通信技术，尤其一种用于毫米波超宽带低功耗自混频架构的三倍频器。
背景技术
倍频器是毫米波射频收发机前端的重要模块，广泛应用于汽车雷达、5G通信、虚拟现实、医疗健康等一系列领域。在毫米波信息交互的过程中，需要在发射机把待发送的信号经过和高频本振信号进行混频，实现把信号从低频段搬移到高频段，再通过天线发射出去。在接收机我们需要把接收到的高频信号和高频本振信号进行混频，实现把接收到的毫米波信号从高频段搬移到低频段，再给到下一级的基带和ADC进行数据的恢复处理。在此过程中，一个高频的、低相位噪声本振信号必不可少，然而高性能PLL随着频率的升高，其实现难度也急剧升高。原因主要在于高频VCO的相位噪声很难得到保证，而且分频器的功耗会随着频率的升高而急剧上升。所以在毫米波收发机系统中高频本振的产生一般通过低频PLL加倍频器的方案来实现。
毫米波倍频器面临功率增益低、带宽范围窄、谐波抑制差，功耗大等设计难点，因此，一个高性能毫米波混频器设计显得尤为重要。传统自混频三倍频器在其二倍频单元和自混频单元之间直接连接，连接处的寄生电容会让电路在高频处的增益下降。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于毫米波超宽带低功耗自混频架构的三倍频器，以尽量降低二倍频单元和自混频单元之间寄生电容。
本发明中所述一种用于毫米波超宽带低功耗自混频架构的三倍频器，包括集成在芯片内并且依次电性连接的输入驱动电路、三倍频电路和输出驱动电路；
输入驱动电路、三倍频电路和输出驱动电路在信号传输方向上直线分布，所述三倍频电路包括用于连接二倍频单元和自混频单元的第三变压器，所述第三变压器通过金属线连接，垂直远离信号传输方向的轴心。
所述的三倍频电路结构如下：
第一NMOS管的栅极作为三倍频电路的第一输入端连接所述输入驱动电路，第一NMOS管的源极接地，第一NMOS管的漏极连接第三变压器初级线圈的同名端；
第二NMOS管的栅极作为三倍频电路的第二输入端连接所述输入驱动电路，第二NMOS管的源极极低，第二NMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极短接；
第三NMOS管的栅极与第一NMOS管的栅极短接，第三NMOS管的源极连接第三变压器次级线圈的同名端，第三NMOS管的漏极连接第二变压器初级线圈的同名端；
第四NMOS管的栅极与第二NMOS管的栅极短接，第四NMOS管的源极与第三NMOS管的源极短接，第四NMOS管的漏极连接第一变压器初级线圈的同名端；
所述第一变压器初级线圈的异名端与所述第二变压器初级线圈的异名端短接后连接VDD，所述第一变压器次级线圈的异名端与所述第二变压器次级线圈的异名端短接后连接Vb，所述第二变压器次级线圈的同名端作为三倍频电路的第一输出端连接所述输出驱动电路，所述第一变压器次级线圈的同名端作为三倍频电路的第二输出端连接所述输出驱动电路；
所述第三变压器初级线圈的异名端通过第一电容接地，且第三变压器初级线圈的异名端还连接VDD；所述第三变压器次级线圈的异名端接地。
所述第三变压器的初级线圈和次级线圈均为矩形双圈并联结构，初级线圈和次级线圈同轴层叠设置且互相绝缘。
矩形双圈并联结构的每个转角均为倒角。
所述第三变压器的初级线圈由位于同一平面且同轴布置的顶层外圈和顶层内圈组成，顶层外圈和顶层内圈一端共同连接在顶层第一引脚上，所述顶层第一引脚为初级线圈的异名端；顶层外圈和顶层内圈另一端共同连接在顶层第二引脚上，所述顶层第二引脚为初级线圈的同名端；
所述第三变压器的次级线圈由位于同一平面且同轴布置的底层外圈和底层内圈组成，底层外圈和底层内圈一端共同连接在底层第一引脚上，所述底层第一引脚为次级线圈的异名端；底层外圈和底层内圈另一端共同连接在底层第二引脚上，所述底层第二引脚为次级线圈的同名端；
所述的顶层内圈叠放在底层内圈上方，所述的顶层外圈叠放在底层外圈上方，所述的顶层第一引脚叠放在底层第一引脚上方，所述的顶层第二引脚叠放在底层第二引脚上方。
所述的顶层内圈叠放在底层内圈正上方，且宽度相同；顶层内圈和顶层外圈的间隙小于底层外圈和底层内圈的间隙，使顶层外圈错位叠放在底层内圈上方靠内的一侧。
所述顶层第一引脚与顶层第二引脚的间隙大于底层第一引脚与底层第二引脚的间隙，使顶层第一引脚和顶层第二引脚分别错位叠放在底层第一引脚和底层第二引脚上方靠外的一侧。
本发明中所述一种用于毫米波超宽带低功耗自混频架构的三倍频器，其优点在于，第三变压器其初级线圈和次级线圈可以分别吸收前级二倍频单元中NMOS管漏极和自混频单元中NMOS管源级的寄生电容。第三变压器远离信号传输通道设置，目的也是尽可能降低寄生电容。
另一方面，变压器结构是四阶匹配网络，能提供更大的带宽，因此以变压器结构作为连接方式可以极大改善三倍频器在毫米波波段的功率增益和工作带宽。
最后，利用矩形双圈并联的特殊结构，可以提高第三变压器初级线圈和次级线圈的电感Q值，降低了第三变压器的整体损耗。也增大了第三变压器的耦合系数k。相比单圈电感，直接加宽电感线宽的变压器相比，该结构的电感Q值和耦合系数k都能达到加宽电感线宽变压器的水平。但是寄生电容更小，能实现更高的自谐振频率。因为在初级线圈和次级线圈并联的第二圈电感可以稍微错开，这样可以在几乎不影响耦合系数k的前提下有效地降低寄生电容。
附图说明
图1是所述一种用于毫米波超宽带低功耗自混频架构的三倍频器结构示意图。
图2是所述三倍频电路的变频原理示意图。
图3是所述第三变压器的顶视图。
图4是所述第三变压器的底视图。
图5是图3中A-A向的局部剖视图。
图6是所述第三变压器的结构立视图一。
图7是所述第三变压器的结构立视图二。
图8是所述三倍频电路的增益与输入信号频率的关系图。
图9是所述三倍频电路在f0＝25.6GHz时的增益与输入信号功率的关系图。
图10是所述三倍频电路在E波段的回波损耗仿真曲线图。
附图标记：
TR1-第一变压器、TR2-第二变压器、TR3-第三变压器；
C1-第一电容；
M1-第一NMOS管、M2-第二NMOS管、M3-第三NMOS管、M4-第四NMOS管；
Vb-调制电压；
f0-一倍基频、2f0-二倍基频、3f0-三倍基频；
11-顶层第一引脚、12-顶层第二引脚、13-顶层外圈、14-顶层内圈；
21-底层第一引脚、22-底层第二引脚、23-底层外圈、24-底层内圈。
具体实施方式
如图1至图7所示，本发明中所述一种用于毫米波超宽带低功耗自混频架构的三倍频器包括集成在芯片内并且依次电性连接的输入驱动电路、三倍频电路和输出驱动电路；
输入驱动电路、三倍频电路和输出驱动电路在信号传输方向上直线分布，所述三倍频电路包括用于连接二倍频单元和自混频单元的第三变压器TR3，所述第三变压器TR3通过金属线连接，垂直远离信号传输方向的轴心。
所述的三倍频电路结构如下：
第一NMOS管M1的栅极作为三倍频电路的第一输入端连接所述输入驱动电路，第一NMOS管M1的源极接地，第一NMOS管M1的漏极连接第三变压器TR3初级线圈的同名端；
第二NMOS管M2的栅极作为三倍频电路的第二输入端连接所述输入驱动电路，第二NMOS管M2的源极极低，第二NMOS管M2的漏极与第一NMOS管M1的漏极短接；
第三NMOS管M3的栅极与第一NMOS管M1的栅极短接，第三NMOS管M3的源极连接第三变压器TR3次级线圈的同名端，第三NMOS管M3的漏极连接第二变压器TR2初级线圈的同名端；
第四NMOS管M4的栅极与第二NMOS管M2的栅极短接，第四NMOS管M4的源极与第三NMOS管M3的源极短接，第四NMOS管M4的漏极连接第一变压器TR1初级线圈的同名端；
所述第一变压器TR1初级线圈的异名端与所述第二变压器TR2初级线圈的异名端短接后连接VDD，所述第一变压器TR1次级线圈的异名端与所述第二变压器TR2次级线圈的异名端短接后连接Vb，所述第二变压器TR2次级线圈的同名端作为三倍频电路的第一输出端连接所述输出驱动电路，所述第一变压器TR1次级线圈的同名端作为三倍频电路的第二输出端连接所述输出驱动电路；
所述第三变压器TR3初级线圈的异名端通过第一电容C1接地，且第三变压器TR3初级线圈的异名端还连接VDD；所述第三变压器TR3次级线圈的异名端接地。
所述第三变压器TR3的初级线圈和次级线圈均为矩形双圈并联结构，初级线圈和次级线圈同轴层叠设置且互相绝缘。
矩形双圈并联结构的每个转角均为倒角。
所述第三变压器TR3的初级线圈由位于同一平面且同轴布置的顶层外圈13和顶层内圈14组成，顶层外圈13和顶层内圈14一端共同连接在顶层第一引脚11上，所述顶层第一引脚11为初级线圈的异名端；顶层外圈13和顶层内圈14另一端共同连接在顶层第二引脚12上，所述顶层第二引脚12为初级线圈的同名端；
所述第三变压器TR3的次级线圈由位于同一平面且同轴布置的底层外圈23和底层内圈24组成，底层外圈23和底层内圈24一端共同连接在底层第一引脚21上，所述底层第一引脚21为次级线圈的异名端；底层外圈23和底层内圈24另一端共同连接在底层第二引脚22上，所述底层第二引脚22为次级线圈的同名端；
所述的顶层内圈14叠放在底层内圈24上方，所述的顶层外圈13叠放在底层外圈23上方，所述的顶层第一引脚11叠放在底层第一引脚21上方，所述的顶层第二引脚12叠放在底层第二引脚22上方。
所述的顶层内圈14叠放在底层内圈24正上方，且宽度相同；顶层内圈14和顶层外圈13的间隙小于底层外圈23和底层内圈24的间隙，使顶层外圈13错位叠放在底层内圈24上方靠内的一侧。
所述顶层第一引脚11与顶层第二引脚12的间隙大于底层第一引脚21与底层第二引脚22的间隙，使顶层第一引脚11和顶层第二引脚12分别错位叠放在底层第一引脚21和底层第二引脚22上方靠外的一侧。
其中第一NMOS管M1和第二NMOS管M2构成二倍频单元，第三NMOS管M3和第四NMOS管M4构成自混频单元。输入的一倍基频f0经过二倍频单元后变成二倍基频2f0。二倍基频2f0经过特殊设计的第三变压器TR3传输至自混频单元的共源端，而原有的一倍基频f0同时输入至自混频单元的两侧栅极，实现混频至三倍基频3f0，并通过第一变压器TR1和第二变压器TR2输出至后级的输出驱动电路。
第一电容C1为隔直电容，可以有效隔离长的电源线和外部电源带来的额外的噪声。
如图8所示，在3dBm信号输入的情况下，该三倍频器的最高增益可以达到-8.9dB；3dB带宽为20GHz(69GHz-89GHz)。图中1st曲线为一倍基频f0的增益，2nd曲线为二倍基频2f0的增益，3rd曲线为三倍基频3f0的增益。
图9展示了在输入信号频率为25.6GHz时，即f0＝25.6GHz，三倍频器功率增益与输入功率之间的关系图。而且在工作过程中，二倍频单元和自混频单元的各NMOS管栅极直流偏置均低于阈值电压Vth，确保MOS管工作在C类工作状态。这样不仅可以提高二倍频单元的效率，同时也可以提高自混频单元的转换增益，最终该三倍频器的整体功耗为24mW，其中作为核心的三倍频电路功耗仅为5.8mW。
图10展示了该三倍频器电路的输入端和输出端的反射损耗，其中输入反射损耗S11在基波输入的频率范围内(27GHz-29.7GHz)均小于-7.0dB，输出反射损耗S22在三倍基频的频率范围内(69GHz-89GHz)均小于-7.5dB。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于毫米波超宽带低功耗自混频架构的三倍频器，包括集成在芯片内并且依次电性连接的输入驱动电路、三倍频电路和输出驱动电路；
其特征在于，
输入驱动电路、三倍频电路和输出驱动电路在信号传输方向上直线分布，所述三倍频电路包括用于连接二倍频单元和自混频单元的第三变压器(TR3)，所述第三变压器(TR3)通过金属线连接，垂直远离信号传输方向的轴心；
所述的三倍频电路结构如下：
第一NMOS管(M1)的栅极作为三倍频电路的第一输入端连接所述输入驱动电路，第一NMOS管(M1)的源极接地，第一NMOS管(M1)的漏极连接第三变压器(TR3)初级线圈的同名端；
第二NMOS管(M2)的栅极作为三倍频电路的第二输入端连接所述输入驱动电路，第二NMOS管(M2)的源极极低，第二NMOS管(M2)的漏极与第一NMOS管(M1)的漏极短接；
第三NMOS管(M3)的栅极与第一NMOS管(M1)的栅极短接，第三NMOS管(M3)的源极连接第三变压器(TR3)次级线圈的同名端，第三NMOS管(M3)的漏极连接第二变压器(TR2)初级线圈的同名端；
第四NMOS管(M4)的栅极与第二NMOS管(M2)的栅极短接，第四NMOS管(M4)的源极与第三NMOS管(M3)的源极短接，第四NMOS管(M4)的漏极连接第一变压器(TR1)初级线圈的同名端；
所述第一变压器(TR1)初级线圈的异名端与所述第二变压器(TR2)初级线圈的异名端短接后连接VDD，所述第一变压器(TR1)次级线圈的异名端与所述第二变压器(TR2)次级线圈的异名端短接后连接Vb，所述第二变压器(TR2)次级线圈的同名端作为三倍频电路的第一输出端连接所述输出驱动电路，所述第一变压器(TR1)次级线圈的同名端作为三倍频电路的第二输出端连接所述输出驱动电路；
所述第三变压器(TR3)初级线圈的异名端通过第一电容(C1)接地，且第三变压器(TR3)初级线圈的异名端还连接VDD；所述第三变压器(TR3)次级线圈的异名端接地；
所述第三变压器(TR3)的初级线圈和次级线圈均为矩形双圈并联结构，初级线圈和次级线圈同轴层叠设置且互相绝缘；
矩形双圈并联结构的每个转角均为倒角；
所述第三变压器(TR3)的初级线圈由位于同一平面且同轴布置的顶层外圈(13)和顶层内圈(14)组成，顶层外圈(13)和顶层内圈(14)一端共同连接在顶层第一引脚(11)上，所述顶层第一引脚(11)为初级线圈的异名端；顶层外圈(13)和顶层内圈(14)另一端共同连接在顶层第二引脚(12)上，所述顶层第二引脚(12)为初级线圈的同名端；
所述第三变压器(TR3)的次级线圈由位于同一平面且同轴布置的底层外圈(23)和底层内圈(24)组成，底层外圈(23)和底层内圈(24)一端共同连接在底层第一引脚(21)上，所述底层第一引脚(21)为次级线圈的异名端；底层外圈(23)和底层内圈(24)另一端共同连接在底层第二引脚(22)上，所述底层第二引脚(22)为次级线圈的同名端；
所述的顶层内圈(14)叠放在底层内圈(24)上方，所述的顶层外圈(13)叠放在底层外圈(23)上方，所述的顶层第一引脚(11)叠放在底层第一引脚(21)上方，所述的顶层第二引脚(12)叠放在底层第二引脚(22)上方。
2.根据权利要求1所述一种用于毫米波超宽带低功耗自混频架构的三倍频器，其特征在于，所述的顶层内圈(14)叠放在底层内圈(24)正上方，且宽度相同；顶层内圈(14)和顶层外圈(13)的间隙小于底层外圈(23)和底层内圈(24)的间隙，使顶层外圈(13)错位叠放在底层内圈(24)上方靠内的一侧。
3.根据权利要求1所述一种用于毫米波超宽带低功耗自混频架构的三倍频器，其特征在于，所述顶层第一引脚(11)与顶层第二引脚(12)的间隙大于底层第一引脚(21)与底层第二引脚(22)的间隙，使顶层第一引脚(11)和顶层第二引脚(12)分别错位叠放在底层第一引脚(21)和底层第二引脚(22)上方靠外的一侧。
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