高線性度寬帶上混頻器的製作方法
2023-06-14 06:07:51
本發明屬於無線通信技術領域，涉及無線發射機中的變頻電路，特別是關於一種高線性寬帶上混頻器。
背景技術：
近年以來，隨著無線通信技術的不斷發展，各種無線收發機都在向更高的工作頻段發展。從低頻到毫米波到太赫茲頻段，分布著多個不同的通信標準及應用，而隨著系統的發展和融合，要求無線收發機系統需要同時滿足多個不同的頻段和多個不同的通信標準，這就對無線收發機系統的工作帶寬提出了更高的要求。同時為了滿足高數據傳輸速率的需求，就需要用更高級的調製技術(64qam、256qam等)，這些都要求無線收發機有很高的線性度。而上混頻器作為無線發射機的變頻模塊，其作用是將低頻信號變換為無線發射的高頻信號，在無線發射機中起著至關重要的作用。因此基於現代通信的發展要求，設計一款高線性度寬帶的上混頻器具有廣泛應用前景和價值。
目前傳統的雙平衡吉爾伯特混頻器被廣泛應用於無線發射機中，其電路圖如圖1。這種結構具有較好的增益以及埠隔離度，但是其工作帶寬極為有限，並且要得到較高的線性度有一定的困難。
技術實現要素：
本發明的目的是要解決傳統吉爾伯特上混頻器在工作帶寬和線性度上的問題，提出了一種高線性度寬帶上混頻器，能夠在其他性能不降低的同時，增加上混頻器的帶寬，提升線性度。
一種高線性度寬帶上混頻器，其特徵在於，包括：跨導級單元、開關級單元和負載級單元；
所述跨導級單元用以提高線性度；所述開關級單元偏置在最佳的開關狀態；所述負載級單能夠增大帶寬並能提高增益；差分中頻信號經過跨導級單元的放大，在開關級單元與本徵信號進行混頻，最後差分射頻信號在負載級單元和開關級單元之間輸出。·
進一步地，如上所述高線性度寬帶上混頻器，所述跨導級單元包括主路跨導和輔路跨導；
所述主路跨導由差分nmos管m1、nmos管m2、電阻r1、、電阻r2、電感l1、電感l2和電容c1、電容c2構成電容交叉耦合共柵級結構；
所述主路跨導nmos管m1源極分別接電感l1，以及中頻信號的正輸入端，nmos管m2源極分別接電感l2，以及中頻信號的負輸入端，nmos管m1柵極分別通過r1電阻接偏置電壓vm，通過電容c1連接nmos管m2的源極，nmos管m2柵極分別通過r2電阻接偏置電壓vm，通過電容c2連接nmos管m1的源極，形成電容交叉耦合共柵極結構；
進一步地，如上所述高線性度寬帶上混頻器，所述電感l1＝電感l2、電容c2＝電容c1。
進一步地，如上所述高線性度寬帶上混頻器，所述輔路跨導由差分nmos管m3、nmos管m4、電阻r3、電阻r4、電感l3、電感l4和電容c3、電容c4構成加載源退化電感的共源極結構；
所述nmos管m3和nmos管m4源極分別接電感l3和電感l4，nmos管m3柵極分別通過電阻r3接偏置電壓va，通過電容c3連接中頻信號的負輸入端，nmos管m4柵極分別通過電阻r4接偏置電壓va，通過電容c4連接中頻信號的正輸入端，nmos管m3漏極連接至nmos管m1的漏極，nmos管m4漏極連接至nmos管m2的漏極。
進一步地，如上所述高線性度寬帶上混頻器，所述電感l3＝電感l4；電容c1＝電容c2＝電容c3＝電容c4。
進一步地，如上所述高線性度寬帶上混頻器，所述開關級單元包括四個nmos管m5-nmos管m8和兩個電阻r5、電阻r6；
nmos管m5和nmos管m8柵極互聯接本徵信號的負輸入端，通過電阻r5接偏置電壓vg，nmos管m6和nmos管m7柵極互聯接本振信號的正輸入端，通過電阻r6接偏置電壓vg，nmos管m5和nmos管m6源極互聯接輸入跨導級的nmos管m1和nmos管m3的漏極，nmos管m7和nmos管m8源極互聯接輸入跨導級的nmos管m2和nmos管m4的漏極，nmos管m5和nmos管m7的漏極互聯，nmos管m6和nmos管m8的漏極互聯。
進一步地，如上所述高線性度寬帶上混頻器，所述負載級單元包括兩個電感l5和l6，電感l5一端接電源電壓vdd，另一端與nmos管m5和nmos管m7的漏極連接並作為上混頻器器的射頻正輸出端，電感l6一端接電源電壓vdd，另一端與nmos管m6和nmos管m8連接並作為上混頻器的射頻負輸出端。
進一步地，如上所述高線性度寬帶上混頻器，所述場效應nmos管可以用雙極型電晶體實現，用雙極型電晶體實現時，只需要將nmos管替換成npn型三極體，pmos管替換成pnp型三極體即可。
與傳統吉爾伯特上混頻器相比，本發明的優勢及顯著效果在於：
1、採用電容交叉耦合共柵極的主路跨導和加載源退化電感共源極的輔路跨導兩路結合組成跨導級的結構，抵消跨導級的三階非線性跨導，提升線性度的同時，還能提高增益。
2、輸入信號主路採用共柵極，輔路採用加載源退化電感的共源極，可以有效的提高輸入中頻帶寬，輸出採用電感負載，優化輸出電感的品質因數，可以獲得較大的輸出射頻帶寬。
附圖說明
圖1是傳統吉爾伯特上混頻器電路原理圖；
圖2是本發明高線性寬帶上混頻器電路原理圖；
圖3是轉換增益仿真對比圖；
圖4是輸出1db壓縮點仿真對比圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
圖2是本發明一種高線性度寬帶上混頻器的較佳實施例的電路原理圖。如圖2所示，本發明一種高線性度寬帶上混頻器，包括跨導級單元1、開關級單元2和負載級單元3。差分中頻信號的正負兩端vin+和vin-注入跨導級單元1，經過跨導級單元1放大信號然後輸出至開關級單元2，開關級單元2的輸出連接至負載級單元3，開關級單元2與差分本徵輸入信號vlo+和vlo-相連，差分射頻信號vrf-和vrf+從開關級單元2和負載級單元3之間輸出。
如圖2所示，跨導級單元1包括主路跨導和輔路跨導。主路跨導由差分nmos管m1-m2、電阻r1-r2、電感l1-l2和電容c1-c2構成。差分nmos管m1和m2的源極分別接中頻差分輸入vin+和vin-，電感l1和l2的正端(l1＝l2)以及電容c1和c2(c1＝c2)的負端，電感l1和l2負端接地，差分nmos管m1和m2柵極分別接c1和c2的正端以及通過r1和r2接偏置電壓vm，形成電容交叉耦合共柵極差分對結構。通過合理設計c1的值，可以使nmos管m1的源極和柵極的中頻信號等大反向，因此若對於nmos管m1自身跨導為gm1，當加入耦合電容c1，其等效跨導變為2gm1，同理，對於nmos管m2，以上推導亦成立。因此該結構可以有效的提高上混頻器的增益。同時通過改變源極電感l1和l2可以改變輸入阻抗，實現中頻輸入的寬帶匹配。
輔路跨導由差分nmos管m3-m4、電阻r3-r4、電感l3-l4和電容c3-c4構成。差分nmos管m3和m4源極分別接電感l3和l4(l3＝l4)，nmos管m3柵極分別通過電阻r3接偏置電壓va，通過電容c3連接中頻信號的負輸入端vin-，為了保證m3柵極的信號和m1柵極的信號相同相位，c3＝c1。nmos管m4柵極分別通過電阻r4接偏置電壓va，通過電容c4連接中頻信號的正輸入端vin+，為了保證m4柵極的信號和m2柵極的信號相同相位，c4＝c2，因為c1＝c2)，所以c1＝c2＝c3＝c4。nmos管m3漏極連接至nmos管m1的漏極，nmos管m4漏極連接至nmos管m2的漏極。通過改變輔路差分nmos管m3和m4的尺寸以及偏置電壓va，可以使輔路nmos管的三階跨導與主路nmos管三階跨導具有相反的幅值，而一階跨導符號相同，因此可以在漏極與主路的三階跨導相抵消，同時增強一階跨導，從而減少跨導級單元的三階失真，提高線性度，並提高增益。輔路源極電感l3和l4可以使nmos管三階跨導隨偏置電壓變化更加平坦，從而增加混頻器線性度隨偏置電壓的魯棒性。
如圖2所示，開關級單元2包括四個nmos管m5-m8和兩個電阻r5-r6。nmos管m5和m8柵極互聯接本徵信號的負輸入端vlo-，通過電阻r5接偏置電壓vg，nmos管m6和m7柵極互聯接本振信號的正輸入端vlo+，通過電阻r6接偏置電壓vg，nmos管m5和m6源極互聯接輸入跨導級的nmos管m1和m3的漏極，nmos管m7和m8源極互聯接輸入跨導級的nmos管m2和m4的漏極，nmos管m5和m7的漏極互聯，nmos管m6和m8的漏極互聯。通過優化四個nmos管m5-m8的尺寸和偏置，使開關級單元工作在最佳開關狀態，減少由於開關管引入的非線性。
負載級單元3包括兩個電感l5和l6，電感l5一端接電源電壓vdd，另一端與nmos管m5和m7的漏極連接並作為上混頻器器的射頻正輸出端vrf+，電感l6一端接電源電壓vdd，另一端與nmos管m6和m8連接並作為上混頻器的射頻負輸出端vrf-。合理設計負載電感l5和l6，可以有效增大輸出帶寬。
如圖3所示，本發明與無輔路跨導、無輔路跨導和主路無交叉耦合電容的功率增益和帶寬對比，其結果顯示本發明設計的上混頻器在整個頻帶內增益最高，本發明上混頻器3db帶寬為68-94ghz，無輔路跨導上混頻器以及無輔路跨導和主路無交叉耦合電容上混頻器3db帶寬均為70-94ghz，結果顯示本發明帶寬最寬。
如圖4所示，本發明與無輔路跨導、無輔路跨導和主路無交叉耦合電容的輸出1db壓縮點對比，其結果顯示本發明設計的上混頻器在整個頻帶內線性度最好。
雖然本發明給出的仿真頻段是68-94ghz，但通過調整本發明的元件參數，本發明同樣適用於其它頻段。
本發明結構除了可以用場效應管實現，也可以用雙極型電晶體實現。用雙極型電晶體實現時，只需要將nmos管替換成npn型三極體，pmos管替換成pnp型三極體即可。
最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。