专利名称：基于fbar的零中频接收机及无线通信收发机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种零中频接收机及无线通信收发机,属于射频无线零中频接收机集
成电路技术领域。
背景技术：
近几年，随着无线通信和半导体技术的发展，3G、无线局域网(WLNA)、CDMA、 W-CDMA、蓝牙(Bluetooth)等技术不断涌现出来。由于射频接收机位于无线通信的最前端， 其结构和性能的好坏直接影响到整个通信系统，因此对用于这些通信技术的射频接收机也 相应提出了更高的要求。在实际应用中主要有两种类型的接收机超外差接收机和零中频 接收机。 超外差接收机主要是通过下变频器将信号频率和本振频率混频为频率固定的中 频信号。该结构具有选择性好，抗干扰能力强等优点,被普遍认为是最可靠的接收机拓扑结 构。但其最大的缺点是存在寄生通道干扰，以镜像频率信号的干扰最为严重，为了消除这些 干扰,使得对滤波器的选择增加了一定的难度。与之相比，零中频接收机中本振频率等于信 号频率，即中频信号为零，就不存在镜像频率，也就不会有镜像频率千扰。但是零中频接收 机方案也存在一些很难解决的问题,如直流偏差，其是零中频接收机特有的一种干扰，它主 要由于信号的自混频引起的。如泄露的本振信号从天线又回到低噪声放大器，进入下变频 器的射频口 ，其和本振口的本振信号经自混频变为零频率，即为直流；同样,进入低噪声放 大器的强千扰信号也会由于下变频器的各端口隔离性能不好而漏入本振口 ，反过来和射频 口来的强干扰经混频，差拍为直流。这些直流偏差叠加在基带信号上,使接收机信噪比变 差，同时还可能使混频器后的各级放大器饱和，无法放大有用信号。 同时，绝大部分无线通信技术都应用于手持终端产品或便携式产品，这就要求射 频接收机趋于低功耗和小型化设计。而最近几年发展起来的薄膜体声波谐振器技术，由于 其高的工作频率、高Q值、优良的滤波特性、低的温度系数、小体积，且与当前半导体工艺兼 容等特性，使得其被广泛应用于收发机射频前端电路的设计，如由FBAR器件组成的滤波器 和包含有FBAR器件的压控振荡器。 王振华等人在"低功耗的接收机前端"的中国专利申请(申请号 200480012038.5 ;
公开日2006.06.07)中公开了一种降低接收机功耗的方法，其主要是通 过降低本地振荡器信号的频率，使其比输入信号的频率低至少三倍，再利用其三次以上谐 波与输入信号进行混频，产生零中频信号。该种方案使得接收机的功耗降低，同时还有效地 减少了自混频的发生，但存在的缺点是由于混频过程中本振信号由三次等谐波取代基波， 从而使混频器的转换增益和噪声性能均有所下降。 针对零中频接收机中存在的直流偏差问题，传统的方法是采用电容器隔直流的方 法耦合到基带放大器，以此消除直流偏差的干扰,但该方案对于在直流附近集中了较大能 量的基带信号会增加一定的误码率，是不太合适的。另外，许奇明等人在"一种解决零中 频接收机直流漂移的方法及其电路"的中国专利申请(申请号200510136595.4 ;
公开日
32007. 07. 04)中提出在接收机的混频器运用模拟反馈的原理实现对直流漂移的抑制，结构 框如图1所示，包括一个零中频直接下变频的混频器，一个带电容倍增的差模模拟反馈网 络,一个模拟共模反馈网络。其缺点是对于整个接收机而言会增加额外的电路功耗，一定程 度上也会降低线性度，影响接收机的增益和噪声。 因此，针对基于FBAR的零中频接收机，需要提供--种能减少接收机功耗而不影响 接收机性能的方案，同时还需要一种简单有效且能连续消除直流偏差的电路。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供--种基于FBAR的零中频接收机及无线通信收
发机，以克服现有技术存在的接收机功耗大、直流偏差大的不足。 本发明的基于FBAR的零中频接收机,采用以下技术方案它包含 依次连接的天线、FBA:R双工器和低噪声放大器LM,低噪声放大器LNA的输出通过
-一分为二分别与同相信号路径I和正交信号路径Q中下变频器的射频输入端相连，本地振
荡器与同相信号路径I中下变频器(104)连接，并通过90。相移装置与正交信号路径Q中
下变频器连接，通过该连接使本地振荡器产生的本振信号LO被加到包括在同相信号路径I
中下变频器的本振输入端，并通过90°相移装置加到包括在正交信号路径Q中下变频器的
本振输入端洞相信号路径I和正交信号路径Q还包括下变频器后依次连接的变压器、低通
滤波器、可变增益放大器。 所述的FBAR双工器由四个以上的薄膜体声波谐振器FBAR器件(即，Thin Film BulkAcoustic Resonator, FBAR)纟目.成。 所述的本地振荡器包括依次连接的参考信号源、鉴相器、分频器、环路滤波器、压 控振荡器VC0和可变倍频器。 所述的零中频接收机中双工器由薄膜体声波谐振器FBAR器件组成、压控振荡器 包含有FBAR器件，由于FBAR拥有高Q值、低插入损耗、体积小等优点，从而使得基于FBAR 的零中频接收机实现小型化和高性能设计。 每一路径中下变频器后接变压器，消除叠加在下变频器输出的基带信号中的直流 偏差，并且对基带信号不起到抑制的作用；且所述变压器的初级线圈电感作为下变频器输 出负载的一部分。 变压器可以是单一的变压器，也可以是由两个以上的变压器构成变压器组。
本地振荡器包含了可变倍频器，以降低压控振荡器VC0、分频器等工作频率，实现 低功耗设计；且所述可变倍频器的输出频率fLO为输入频率fLOl的M倍，其中M为可调值， 且M为大于1的正整数。 本发明的无线通信收发机，包括所述的基于FBAR的零中频接收机和发射机；用来 进行数据通信。 通过以上技术方案可以看出，本发明提供的基于FBAR的零中频接收机，包含下变 频器和低通滤波器之间的变压器，其位于下变频器之后用来消除叠加在下变频器输出的基 带信号中的直流偏差，并且对基带信号不起到抑制的作用，能很好地被耦合到基带可变增 益放大器，从而实现了用简单有效且能连续消除直流偏差的目的。其中，所述下变频器的部 分输出负载由变压器的初级线圈电感组成，同时为了减小变压器的面积，可以采用片上集成变压器。与此同时,可适当调节变压器初、次级绕组的匝数比和电感值来完成其前后级的 阻抗匹配。 本发明提供的基于FBAR的零中频接收机，该接收机中本地振荡器包含依次连接 的参考信号源、鉴相器、分频器、环路滤波器、压控振荡器VC()和可变倍频器。其中可变倍频
器位于压控振荡器vco之后，用来减低压控振荡器vco和分频器等工作频率，从而降低其功耗。
图1是申请号200510136595. 4的一种解决零中频接收机直流漂移的电路框图。 图3A是交叉型平面片上集成变压器的俯视图。 图3:B是交叉型平面片上集成变压器的剖视图。 图4是变压器和下变频器及低通滤波器LPF的连接方式示意图。 图5是本发明中零中频接收机的本地振荡器示意图。 图6是由FBAR器件组成的双工器的接收部分结构图。 图7是包含有FBAR器件的压控振荡器VC()的电路结构图。 图8是零中频接收机系统增益仿真结果示意图。 图9是零中频接收机系统预算增益仿真结果示意图。 图10是零中频接收机输入和输出信号功率谱示意图。
具体实施例方式
具体实施例方式本发明如图2所示意。基于FBAR的零中频接收机100包括依次 连接的天线101、FBAR双工器102和低噪声放大器LNA103,低噪声放大器LNA103的输出通 过一分为二分别与同相信号路径I和正交信号路径Q中下变频器104的射频输入端相连， 本地振荡器109与同相信号路径I中下变频器104连接，并通过90°相移装置108与正交 信号路径Q中下变频器104连接，即本地振荡器109产生的本振信号L0被加到包括在同相 信号路径I中下变频器104的本振输入端,并通过90°相移装置108加到包括在正交信号 路径Q中下变频器104的本振输入端；每一信号路径还包括下变频器104后依次连接的变 压器105、低通滤波器106、可变增益放大器107。其中，本地振荡器109包括依次连接的参 考信号源110、鉴相器111、分频器114、环路滤波器112、FBAR压控振荡器VC0113和可变倍 频器115。该零中频接收机具有较低的功耗，以及能很好地消除由于本振信号引起的直流偏 差的影响。 在该接收机射频前端电路中的双工器102由FBAR器件组成、压控振荡器VC0113 包含有FBAR器件，其主要目的是为了在提高性能的同时实现小型化设计。与传统的陶瓷和 声表面技术相比，由FBAR器件组成的滤波器或双工器具有工作频率高、温度系数小、功率 容量大、插入损耗低、体积小、且与半导体Si工艺兼容等优点；同时由于FBAR具有较高的Q 值，使得包含有FBAR器件的压控振荡器具有高的稳定性，低的相位噪声和功耗等优点。
发射机116和前述的基于FBAR的零中频接收机100组成无线通信收发机。
为了消除零偏差干扰，本发明中在下变频器和低通滤波器之间增加了变压器105，
5将基带信号耦合到后级的同时抑制了直流偏差的干扰。为了减小变压器的面积以及实现集 成化，可以使用片上集成变压器。由于片上集成变压器是无源器件，在理想情况下不引入 噪声，即使考虑本身寄生参数的影响，噪声贡献也将非常小，同时还可以获得非常高的线性 度。本发明中使用交叉型片面集成变压器,其结构如俯视图3A和剖视图3B所示，其中11 和12为互相耦合的两个金属绕组，13为金属与衬底之间的氧化物介质层，14为衬底，15为 底部金属。通过调节线匝的宽度w和间距s可以改变耦合金属绕组之间的耦合。
图4表明了变压器105与下变频器104及低通滤波器106的连接方式。变压器105 可以采用单一的变压器,也可以采用由两个以上的变压器构成的变压器组。图4中由于采 用双平衡输入输出，所以变压器105由变压器117和变压器118组成。变压器117和变压 器118是两个相同的变压器。下变频器104与变压器117和变压器118的初级线圈连接， 变压器117和变压器118的次级线圈与低通滤波器106连接。下变频器104包括跨导级、 开关级及负载级，其中下变频器104负载级由变压器117和变压器118的初级线圏电感和电容Ci。ad构成，通过变压器的耦合 功能，将信号直接耦合到变压器117和变压器118的次级线圉,再将次级线圉的输出信号分别 连接到低通滤波器106进行处理。
对于整个收发器系统来说,本地振荡器是其中一个关键部件,消耗了收发器中的大部分
功耗。而整个本地振荡器的功耗又主要由压控振荡器和分频器决定的,其中压控振荡器vco
的功耗与振荡频率的平方成正比,即Pvco正比于fL02,因此如果频率从900朋z切换到1800MHz ,压控振荡器VCO的功耗是原来的四倍;分频器或倍频器基本上是使用逻辑门实现的,其动 态功耗与时钟频率成比例,时钟频率翻一番时,分频率或倍频器的动态功耗也翻一番。因此 可以着重降低压控振荡器VCO、分频器的工作频率来降低整个本地振荡器的功耗。图5是本发
明中零中频接收机的本地振荡器结构图。在FBAR压控振荡器VC0113输出端加一个可变倍频器 115,其中
假设不加可变倍频器115时FBAR压控振荡器VCO113的工作频率为1800fflz,功耗为Pi,分 频器(114)的功耗为P2,则总功耗约为
当加可变倍频器115时(M=2),则FBAR压控振荡器VCO113的工作频率为900fflz，功耗为. (1/4)承Pi，分频器114的功耗为(1/2)*P2,额外增加的可变倍频器115功耗也约为(1/2)*P2， 故总功耗约为
4 1 2 2 2 3 4 1 3
可以右出添加可变倍频器115后功耗明显比原来降低，因此可以在允许范tll内适当调节 可变倍频器M的值来降低功耗。
在木发明的W体实施例中，该零中频接收机应州于WCDMA频段(Rx: 2110 2170fflz; Tx: 1920 1980fflz)的接收部分，其中心频率为2140fflz。其中图6为由FBAR器件组成的双 工器102的接收部分的结构阁,它由网格型滤波器121、网格型滤波器122、及阶梯型滤波器 123组成，其中白色(阁中州空心表示)的为串联FBAR,黑色(图中lli实心表示)的为并联 FBAR。 一般来说, 一个FBAR双工器至少由F1个FBAR组成，釆取串、并联结构。变iii器釆州的 是交叉平面片上结构，初级和次级线圈都为2n,即匝数比为l: 1，耦合系数选择为0.8。图 7为包含冇FBAR器件的压控振荡器VC0113的屯路结构图，将常见的石英品体压控振荡器中的 石英品体用FBAR代替，FBAR呈感性，压控振荡器VCO的振荡频率由屯容d、 C2和变容贷Cj与 FBAR组成的谐振冋路决定，控制屯iii"c改变变容二极贷的等效屯容Cj,从而改变了品体振
荡器的频率。同时在本发明中可变倍频器115的值可选择为M = 4。零中频接收机100的 系统仿真结果如图8 图10所示，其中图8为零中频接收机系统增益仿真结果示意图，从
7系统增益曲线130可以看出中心频率2140MHz处的增益为96. 699dB左右；图9为零中频接 收机系统预算增益仿真结果示意图，从系统预算增益曲线140可以看出系统总增益在系统 各个部分中的分配情况；图10为零中频接收机输入和输出信号功率谱示意图,射频信号的 频谱从2140MHz的载频被搬移到了零中频,如输入信号功率谱曲线150和输出信号功率谱 曲线151。
权利要求
一种基于FBAR的零中频接收机，包含依次连接的天线(101)、FBAR双工器(102)和低噪声放大器LNA(103)，低噪声放大器LNA(103)的输出分别与同相信号路径I和正交信号路径Q中下变频器(104)的射频输入端相连，本地振荡器(109)与同相信号路径I中下变频器(104)连接，并通过90°相移装置(108)与正交信号路径Q中下变频器(104)连接；同相信号路径I和正交信号路径Q还包括下变频器(104)后依次连接的变压器(105)、低通滤波器(106)、可变增益放大器(107)。
2. 根据权利要求1所述的基于FBAR的零中频接收机，其特征在于所述的FBAR双工 器(102)由四个以上的薄膜体声波谐振器FBAR器件组成。
3. 根据权利要求1所述的基于FBAR的零中频接收机，其特征在于本地振荡器(109) 包括依次连接的参考信号源(110)、鉴相器(111)、分频器(114)、环路滤波器(112)、压控振 荡器VC0(113)和可变倍频器(115)。
4. 根据权利要求3所述的基于FBAR的零中频接收机,其特征在于所述的压控振荡器 VC()(113)包含有薄膜体声波谐振器FBAR器件。
5. 根据权利要求3所述的基于FBAR的零中频接收机，其特征在于所述可变倍频器 (115)的输出频率fLO为输入频率fLOl的M倍，其中M为可调值，且M为大于1的正整数。
6. 根据权利要求1所述的基于FBAR的零中频接收机，其特征在于变压器(105)采用 交叉型平面片上集成结构，即在衬底(14)下面有底部金属(15)，在衬底(14)上面有金属与 衬底之间的氧化物介质层(13)，在金属与衬底之间的氧化物介质层(13)上面有互相耦合 的两个金属绕组。
7. 根据权利要求1所述的基于FBAR的零中频接收机，其特征在于变压器(105)为单 一的变压器，或者由两个以上的变压器构成变压器组。
8. 根据权利要求7所述的基于FBAR的零中频接收机,其特征在于变压器(105)由变 压器(117)和变压器(118)组成。
9. 根据权利要求8所述的基于FBAR的零中频接收机,其特征在于变压器(105)与下 变频器(104)及低通滤波器(106)的连接方式为下变频器(104)与变压器(117)和变压 器(118)的初级线圈连接，变压器(117)和变压器(118)的次级线圈与低通滤波器106连 接。
10. —种无线通信收发机,其特征在于它包括发射机(116)和权利要求1 9中任一 权利要求所述的基于FBAR的零中频接收机(100)。
全文摘要
本发明公开了一种基于FBAR的零中频接收机及无线通信收发机。接收机(100)包括天线(101)、FBAR双工器(102)和低噪声放大器LNA(103)，低噪声放大器LNA的输出一分为二分别与同相信号路径I和正交信号路径Q中下变频器(104)的射频输入端相连，本地振荡器(109)与同相信号路径I中下变频器(104)连接，并通过90°相移装置(108)与正交信号路径Q中下变频器(104)连接，同相信号路径I和正交信号路径Q还包括下变频器(104)及变压器(105)、低通滤波器(106)、可变增益放大器(107)。无线通信收发机包括基于FBAR的零中频接收机(100)和发射机(116)。
文档编号H04B1/40GK101789801SQ200910312640
公开日2010年7月28日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者孙光照, 张慧金, 曾国勇, 王一雷, 董树荣, 赵焕东 申请人:浙江大学