CN202513878U - 一种毫米波有源倍频器集成电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种毫米波有源倍频器集成电路，属于电子通信技术领域。包括输入放大电路、反并联二极管倍频电路和输出放大滤波电路，所述输入放大电路的输入端为信号的输入端，所述输入放大电路的输出端与所述反并联二极管倍频电路的输入端连接；所述反并联二极管倍频电路的输出端与所述输出放大滤波电路的输入端连接，所述输出放大滤波电路的输出端为信号的输出端，电源与所述输入放大电路和所述输出放大滤波电路的供电端连接。所述集成电路具有体积小、输出功率大、功耗低、附加相位噪声小的特点。
Description
技术领域
本实用新型属于电子通信技术领域，尤其涉及一种毫米波有源倍频集成电路。
背景技术
毫米波定义是波长在1mm-1cm之间的电磁波，频率范围是30GHz-300GHz，其所处的独特频谱位置决定了毫米波兼有微波和光波两者的性能，具有波长短、频带宽、波束窄、抗干扰能力强、保密性能好和容量大等特点。因此，毫米波在军事电子、民用电子等许多领域上得到了广泛应用，特别是在雷达与制导、电子对抗、遥感遥测和保密通信等方面能带来很好的效果。
毫米波源是为毫米波系统提供本振信号的频率源，是毫米波系统的心脏，整个毫米波系统的性能在很大程度上取决于毫米波源的性能。在毫米波通信系统中，毫米波源既作为发射机的激励信号，又作为毫米波接收机设备的本振信号。高频率稳定度和低相位噪声的毫米波频率源可以提高接收机的灵敏度，从而可以提高系统性能，最终在降低系统的误码率、提高通信质量和充分利用频谱资源等方面起到关键作用。
目前，毫米波源可以通过真空器件或固态器件直接产生、频率合成或锁相频率合成、介质振荡器与锁相倍频相结合等多种方式来实现。其中介质振荡器与锁相倍频相结合的方式为常用的毫米波信号产生方式，其结合了介质振荡器和锁相倍频的优点，使输出信号具有低相位噪声、高频率稳定度和一定量的调谐带宽。在毫米波源中，倍频器是十分关键的电路。直接在毫米波频段来实现频率源，其频率稳定度、相位噪声和功率往往都不是很好。如果在已经成熟的频段实现一个源，再将其倍频到毫米波频段，其频率稳定度和倍频前一样，相位噪声往往也要好于直接在毫米波段实现的基波源。
现在应用比较多的是分立器件搭建的倍频器和无源倍频器，其体积大，一致性差，插入损耗大等诸多不足降低了毫米波频率源的性能。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种毫米波有源倍频器集成电路，具有体积小、输出功率大、附加相位噪声小的特点。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种毫米波有源倍频器集成电路，其特征在于包括输入放大电路、反并联二极管倍频电路和输出放大滤波电路，所述输入放大电路的输入端为信号的输入端，所述输入放大电路的输出端与所述反并联二极管倍频电路的输入端连接，所述反并联二极管倍频电路的输出端与所述输出放大滤波电路的输入端连接，所述输出放大滤波电路的输出端为信号的输出端，电源与所述输入放大电路和所述输出放大滤波电路的供电端连接。
所述输入放大电路包括电阻R1-R5、电容C1-C5、电感L1-L3和场效应管FET1，所述电容C1的一端依次经电容C2、电阻R2接所述场效应管FET1的栅极，所述电容C1的另一端为所述输入放大电路的输入端；所述电阻R1的一端接电容C1与电容C2的结点，所述电阻R1的另一端接地；所述场效应管FET1的源极经电阻R4接地；所述场效应管FET1的漏极经电感L2、电感L1、电容C5和电阻R5接地；所述电阻R3的一端接场效应管FET1的栅极，所述电阻R3的另一端接地；所述电容C3与电阻R4并联；电源Vcc接所述电感L1与电容C5的结点；所述电容C4的一端接所述电感L2与电感L1的结点，所述电容C4的另一端经电感L3接地，所述电容C4与电感L3的结点为所述输入放大电路的输出端。
所述反并联二极管倍频电路包括二极管D1-D2、电容C6和电感L4，所述电感L4的一端经二极管D2、二极管D1接所述电感L4的另一端；所述电容C6的一端接地，所述电容C6的另一端接所述电感L4与二极管D2的结点；所述二极管D2与二极管D1的结点为所述反并联二极管倍频电路的输入端，所述二极管D1与所述电感L4的结点为所述反并联二极管倍频电路的输出端。
所述输出放大滤波电路包括电阻R6-R12、电容C7-C16、电感L5-L10和场效应管FET2-FET3，所述电容C7的一端经电容C8、电阻R6接所述场效应管FET2的栅极，所述电容C7的另一端为所述输出放大滤波电路的输入端；所述场效应管FET2的源极经电阻R8接地；所述场效应管FET2的漏极经电感L7、电容C15和电阻R11接地；所述电感L5的一端接所述电容C7与电容C8的结点，所述电感L5的另一端接地；所述电阻R7的一端接所述场效应管FET2的栅极，所述电阻R7的另一端接地；所述电容C9与所述电阻R8并联；所述电感L6的一端接所述电感L7与电容C15的结点，所述电感L6的另一端接电源Vcc；所述电容C16的一端接电源Vcc，所述电容C16的另一端经所述电阻R12接地；所述电容C10的一端接所述场效应管FET2的漏极，所述电容C10的另一端经电容C11接所述场效应管FET3的栅极；所述场效应管FET3的源极经电阻R10接地；所述场效应管FET3的漏极经电感L9接电源Vcc；所述电感L8的一端接所述电容C10与电容C11的结点，所述电感L8的另一端接地；所述电阻R9的一端接所述场效应管FET3的栅极，所述电阻R9的另一端接地；所述电容C12与所述电阻R10并联；所述电容C13的一端接所述场效应管FET3的漏极，所述电容C13的另一端经电感L10接地；所述电容C14的一端接所述电容C13与电感L10的结点，所述电容C14的另一端为所述输出放大滤波电路的输出端。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述集成电路应用MMIC工艺进行制作，在约1mm2的面积上集成了输入放大电路、反并联二极管倍频电路和输出放大滤波电路，体积小，可靠性高，不仅可实现倍频功能，而且具有9dB变频增益，输出功率典型值可达15dBm，输出功率大，功耗低，附加相位噪声仅为-135dBc/Hz，附加相位噪声小，完全满足毫米波频率源的要求。此外，所述集成电路使用反并联二极管倍频电路实现倍频功能，在完成频率倍增之后，使用放大滤波电路完成所需信号的放大和滤波，实现最小27dB的一次谐波抑制，从而保证输出信号的整体品质。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是本实用新型原理框图；
图2是图1中输入放大电路的原理图；
图3是图1中反并联二极管倍频电路原理图；
图4是图1中输出放大滤波电路原理图；
图5是输入频率图；
图6是经过输入放大电路后的输出频率图；
图7是经过反并联二极管倍频电路后的输出频率图；
图8是经过输出放大滤波电路后的输出频率图；
图9是本实用新型输出信号功率的特性曲线图；
图10是本实用新型工作电流曲线图。
具体实施方式
如图1所示，一种毫米波有源倍频器集成电路，包括输入放大电路、反并联二极管倍频电路和输出放大滤波电路。所述输入放大电路的输入端为信号的输入端，所述输入放大电路的输出端与所述反并联二极管倍频电路的输入端连接，所述反并联二极管倍频电路的输出端与所述输出放大滤波电路的输入端连接，所述输出放大滤波电路的输出端为信号的输出端，电源与所述输入放大电路和所述输出放大滤波电路的供电端连接。
如图2所示，所述输入放大电路包括电阻R1-R5、电容C1-C5、电感L1-L3和场效应管FET1。所述电容C1的一端依次经电容C2、电阻R2接所述场效应管FET1的栅极，所述电容C1的另一端为所述输入放大电路的输入端；所述电阻R1的一端接电容C1与电容C2的结点，所述电阻R1的另一端接地；所述场效应管FET1的源极经电阻R4接地；所述场效应管FET1的漏极经电感L2、电感L1、电容C5和电阻R5接地；所述电阻R3的一端接场效应管FET1的栅极，所述电阻R3的另一端接地；所述电容C3与电阻R4并联；电源Vcc接所述电感L1与电容C5的结点；所述电容C4的一端接所述电感L2与电感L1的结点，所述电容C4的另一端经电感L3接地，所述电容C4与电感L3的结点为所述输入放大电路的输出端。
如图2所示，所述输入放大电路的工作频率为15～20GHz，为保证后续电路良好的工作状态，输出功率在15dBm左右。所述输入放大电路采用自偏压单级放大器结构，图2中电容C1-C2和电阻R1是输入匹配部分，保证输入端的电阻为50欧姆；电容C4和电感L3是输出端处理电路，其兼具匹配、隔直和滤波等功能；电阻R4是自偏压状态电阻，为提高所述输入放大电路工作的稳定性，使用电阻R2和电容C3；电源Vcc通过电感L1和L2对场效应管FET1进行供电，电容C5和电阻R5是电源滤波器件。合理选择电阻R4的值使得场效应管FET1工作于典型的放大状态，足够大的电阻R3能够保证场效应管FET1的栅极电位和交流信号的完整性。所述输入放大电路保证输入信号功率在0～6dBm范围内，输出功率可以达到15dBm，并且在15～20GHz全频带内工作良好。
如图3所示，所述反并联二极管倍频电路包括二极管D1-D2、电容C6和电感L4。所述电感L4的一端经二极管D2、二极管D1接所述电感L4的另一端；所述电容C6的一端接地，所述电容C6的另一端接所述电感L4与二极管D2的结点；所述二极管D2与二极管D1的结点为所述反并联二极管倍频电路的输入端，所述二极管D1与所述电感L4的结点为所述反并联二极管倍频电路的输出端。
常用的实现倍频功能的结构有单个或多个非线性器件，由于受单个器件承受功率的限制，其不能抑制不需要的谐波。而多器件采用平衡式结构可以提高电路功率容量，获得较大的输出功率，并且能够有效抑制其它谐波分量。所述集成电路采用反并联二极管倍频电路的结构型式，如图3所示。在此电路结构中，两个二极管相对于输入回路为反向并联，而相对于输出回路则是同向串联关系。若此时的输入信号电压为V，由二极管的电流与电压特性关系，可得如下公式：
式（1）中，
为二极管D1和D2的反向饱和电流，
只与二极管本身的特性及绝对温度T有关。在图3所示的电路中，可得到反并联二极管倍频电路输入端的电流，公式如下：
（3）
当所述反并联二极管倍频电路的输入信号为
时，代入公式（3）中并且作傅立叶级数展开。同样，所述反并联二极管倍频电路的输出电流
，也将所述反并联二极管倍频电路的输入信号代入公式（3）并作同样的傅立叶级数展开，结果如下：
由式（4）和式（5）可以看出，所述反并联二极管倍频电路的输入回路只有输入信号的基波和奇次谐波，不包含直流分量和偶次谐波分量；而反并联二极管倍频电路的输出回路部分只有输入信号的偶次谐波，此理论分析证明所述反并联二极管倍频电路适用于偶次倍频，且输入基波和输出谐波相互隔离。
如图4所示，所述输出放大滤波电路包括电阻R6-R12、电容C7-C16、电感L5-L10和场效应管FET2-FET3。所述电容C7的一端经电容C8、电阻R6接所述场效应管FET2的栅极，所述电容C7的另一端为所述输出放大滤波电路的输入端；所述场效应管FET2的源极经电阻R8接地；所述场效应管FET2的漏极经电感L7、电容C15和电阻R11接地；所述电感L5的一端接所述电容C7与电容C8的结点，所述电感L5的另一端接地；所述电阻R7的一端接所述场效应管FET2的栅极，所述电阻R7的另一端接地；所述电容C9与所述电阻R8并联；所述电感L6的一端接所述电感L7与电容C15的结点，所述电感L6的另一端接电源Vcc；所述电容C16的一端接电源Vcc，所述电容C16的另一端经所述电阻R12接地；所述电容C10的一端接所述场效应管FET2的漏极，所述电容C10的另一端经电容C11接所述场效应管FET3的栅极；所述场效应管FET3的源极经电阻R10接地；所述场效应管FET3的漏极经电感L9接电源Vcc；所述电感L8的一端接所述电容C10与电容C11的结点，所述电感L8的另一端接地；所述电阻R9的一端接所述场效应管FET3的栅极，所述电阻R9的另一端接地；所述电容C12与所述电阻R10并联；所述电容C13的一端接所述场效应管FET3的漏极，所述电容C13的另一端经电感L10接地；所述电容C14的一端接所述电容C13与电感L10的结点，所述电容C14的另一端为所述输出放大滤波电路的输出端。
当信号经过所述反并联二极管倍频电路处理之后，进入输出放大滤波电路，输出放大滤波电路如图4所示。所述输出放大滤波电路采用和输入放大电路相同的自偏压放大器电路，但由于输出信号的复杂性，其使用两级放大，以保证输出功率的大小和稳定性。其中，由场效应管FET2和FET3构成的两级放大电路具有30～40GHz的带宽高频特性；为抑制低频分量加入三级低通滤波器，电容C7-C8和电感L5为第一级，电容C10-C11和电感L8为第二级，电容C13-C14和电感L10为第三级。
在所述集成电路的前端设计输入放大电路，以保证倍频电路部分有足够大的驱动功率，并使整个输入放大电路的输入匹配至50欧姆；在完成倍频功能后，由于得到的有用信号和杂波信号功率相差不大，使用输出放大滤波电路，首先放大所需有用信号，其次将不需要的杂波滤掉，实现完整的有源倍频功能，而且所述集成电路的输出端也很好地匹配至50欧姆。
图5表示输入频率为f的输入频率图，在经过输入放大电路后，输出频率仍为f，但功率明显被放大，如图6所示。之后经过反并联二极管倍频电路将被放大的输入信号进行谐波处理，得到所需的二次谐波2f，同时还出现了其它次数的谐波，包括f、3f、4f，如图7所示。信号在经过输出放大滤波电路之后，便生成如图8所示的结果，频率为2f的信号被明显放大，而其余频率的信号被有效抑制。
版图设计有两个原则：面积最小化和方便使用性。首先对电路合理布局，所述集成电路的信号输入端居左而信号输出端居右侧，电源供电端置于电路版图的上方，满足通常的应用规范。经过优化的版图面积仅有1mm2，并且接近于正方形。
所述集成电路的测试评估采用探针台在片测试的方法，输入信号由高档信号源仪器提供，而所述集成电路输出端信号的观测使用高频频谱仪，所述集成电路输出信号功率的特性曲线图如图9所示。所述集成电路的输入信号的功率为4dBm，频率范围为15～20GHz；如图9所示，可见输出频率为30～40GHz，完成了倍频的功能。而且输出倍频后的功率稳定在15dBm左右，输出基波分量的功率在整个频率范围内小于-14dBm。证明所述有源倍频器集成电路不仅有很好的输出功率，而且基波抑制能力在35dBc，同时也证明各部分电路工作正常，达到了预期的目的。
所述有源倍频器集成电路工作于单电源5V电压下，非常易于应用，在整个频率范围内的工作电流为80～100mA，如图10所示，具有输出功率大、功耗低的优异特性。
Claims (4)
1.一种毫米波有源倍频器集成电路，其特征在于包括输入放大电路、反并联二极管倍频电路和输出放大滤波电路，所述输入放大电路的输入端为信号的输入端，所述输入放大电路的输出端与所述反并联二极管倍频电路的输入端连接，所述反并联二极管倍频电路的输出端与所述输出放大滤波电路的输入端连接，所述输出放大滤波电路的输出端为信号的输出端，电源与所述输入放大电路和所述输出放大滤波电路的供电端连接。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波有源倍频器集成电路，其特征在于所述输入放大电路包括电阻R1-R5、电容C1-C5、电感L1-L3和场效应管FET1，所述电容C1的一端依次经电容C2、电阻R2接所述场效应管FET1的栅极，所述电容C1的另一端为所述输入放大电路的输入端；所述电阻R1的一端接电容C1与电容C2的结点，所述电阻R1的另一端接地；所述场效应管FET1的源极经电阻R4接地；所述场效应管FET1的漏极经电感L2、电感L1、电容C5和电阻R5接地；所述电阻R3的一端接场效应管FET1的栅极，所述电阻R3的另一端接地；所述电容C3与电阻R4并联；电源Vcc接所述电感L1与电容C5的结点；所述电容C4的一端接所述电感L2与电感L1的结点，所述电容C4的另一端经电感L3接地，所述电容C4与电感L3的结点为所述输入放大电路的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波有源倍频器集成电路，其特征在于所述反并联二极管倍频电路包括二极管D1-D2、电容C6和电感L4，所述电感L4的一端经二极管D2、二极管D1接所述电感L4的另一端；所述电容C6的一端接地，所述电容C6的另一端接所述电感L4与二极管D2的结点；所述二极管D2与二极管D1的结点为所述反并联二极管倍频电路的输入端，所述二极管D1与所述电感L4的结点为所述反并联二极管倍频电路的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波有源倍频器集成电路，其特征在于所述输出放大滤波电路包括电阻R6-R12、电容C7-C16、电感L5-L10和场效应管FET2-FET3，所述电容C7的一端经电容C8、电阻R6接所述场效应管FET2的栅极，所述电容C7的另一端为所述输出放大滤波电路的输入端；所述场效应管FET2的源极经电阻R8接地；所述场效应管FET2的漏极经电感L7、电容C15和电阻R11接地；所述电感L5的一端接所述电容C7与电容C8的结点，所述电感L5的另一端接地；所述电阻R7的一端接所述场效应管FET2的栅极，所述电阻R7的另一端接地；所述电容C9与所述电阻R8并联；所述电感L6的一端接所述电感L7与电容C15的结点，所述电感L6的另一端接电源Vcc；所述电容C16的一端接电源Vcc，所述电容C16的另一端经所述电阻R12接地；所述电容C10的一端接所述场效应管FET2的漏极，所述电容C10的另一端经电容C11接所述场效应管FET3的栅极；所述场效应管FET3的源极经电阻R10接地；所述场效应管FET3的漏极经电感L9接电源Vcc；所述电感L8的一端接所述电容C10与电容C11的结点，所述电感L8的另一端接地；所述电阻R9的一端接所述场效应管FET3的栅极，所述电阻R9的另一端接地；所述电容C12与所述电阻R10并联；所述电容C13的一端接所述场效应管FET3的漏极，所述电容C13的另一端经电感L10接地；所述电容C14的一端接所述电容C13与电感L10的结点，所述电容C14的另一端为所述输出放大滤波电路的输出端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: HEBEI XINHUABEI INTEGRATED CIRCUIT CO., LTD. Free format text: FORMER NAME: SHIJIAZHUANG DEVELOPMENT ZONE NORTH-CHIAN INTEGRATED CIRCUIT DESIGN CO., LTD. |
|
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 050200 No. 21 Changsheng street, Luquan Economic Development Zone, Shijiazhuang, Hebei, Luquan Patentee after: HEBEI XINHUA INTEGRATED CIRCUIT CO., LTD. Address before: 050000 No. 113, cooperation Road, Shijiazhuang, Hebei Patentee before: Shijiazhuang Development Zone North-Chian Integrated Circuit Design Co., Ltd. |
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| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20121031 |
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| CX01 | Expiry of patent term |