高线性度宽带上混频器的制作方法

本发明属于无线通信技术领域，涉及无线发射机中的变频电路，特别是关于一种高线性宽带上混频器。

背景技术：

近年以来，随着无线通信技术的不断发展，各种无线收发机都在向更高的工作频段发展。从低频到毫米波到太赫兹频段，分布着多个不同的通信标准及应用，而随着系统的发展和融合，要求无线收发机系统需要同时满足多个不同的频段和多个不同的通信标准，这就对无线收发机系统的工作带宽提出了更高的要求。同时为了满足高数据传输速率的需求，就需要用更高级的调制技术(64qam、256qam等)，这些都要求无线收发机有很高的线性度。而上混频器作为无线发射机的变频模块，其作用是将低频信号变换为无线发射的高频信号，在无线发射机中起着至关重要的作用。因此基于现代通信的发展要求，设计一款高线性度宽带的上混频器具有广泛应用前景和价值。

目前传统的双平衡吉尔伯特混频器被广泛应用于无线发射机中，其电路图如图1。这种结构具有较好的增益以及端口隔离度，但是其工作带宽极为有限，并且要得到较高的线性度有一定的困难。

技术实现要素：

本发明的目的是要解决传统吉尔伯特上混频器在工作带宽和线性度上的问题，提出了一种高线性度宽带上混频器，能够在其他性能不降低的同时，增加上混频器的带宽，提升线性度。

一种高线性度宽带上混频器，其特征在于，包括：跨导级单元、开关级单元和负载级单元；

所述跨导级单元用以提高线性度；所述开关级单元偏置在最佳的开关状态；所述负载级单能够增大带宽并能提高增益；差分中频信号经过跨导级单元的放大，在开关级单元与本征信号进行混频，最后差分射频信号在负载级单元和开关级单元之间输出。·

进一步地，如上所述高线性度宽带上混频器，所述跨导级单元包括主路跨导和辅路跨导；

所述主路跨导由差分nmos管m1、nmos管m2、电阻r1、、电阻r2、电感l1、电感l2和电容c1、电容c2构成电容交叉耦合共栅级结构；

所述主路跨导nmos管m1源极分别接电感l1，以及中频信号的正输入端，nmos管m2源极分别接电感l2，以及中频信号的负输入端，nmos管m1栅极分别通过r1电阻接偏置电压vm，通过电容c1连接nmos管m2的源极，nmos管m2栅极分别通过r2电阻接偏置电压vm，通过电容c2连接nmos管m1的源极，形成电容交叉耦合共栅极结构；

进一步地，如上所述高线性度宽带上混频器，所述电感l1＝电感l2、电容c2＝电容c1。

进一步地，如上所述高线性度宽带上混频器，所述辅路跨导由差分nmos管m3、nmos管m4、电阻r3、电阻r4、电感l3、电感l4和电容c3、电容c4构成加载源退化电感的共源极结构；

所述nmos管m3和nmos管m4源极分别接电感l3和电感l4，nmos管m3栅极分别通过电阻r3接偏置电压va，通过电容c3连接中频信号的负输入端，nmos管m4栅极分别通过电阻r4接偏置电压va，通过电容c4连接中频信号的正输入端，nmos管m3漏极连接至nmos管m1的漏极，nmos管m4漏极连接至nmos管m2的漏极。

进一步地，如上所述高线性度宽带上混频器，所述电感l3＝电感l4；电容c1＝电容c2＝电容c3＝电容c4。

进一步地，如上所述高线性度宽带上混频器，所述开关级单元包括四个nmos管m5-nmos管m8和两个电阻r5、电阻r6；

nmos管m5和nmos管m8栅极互联接本征信号的负输入端，通过电阻r5接偏置电压vg，nmos管m6和nmos管m7栅极互联接本振信号的正输入端，通过电阻r6接偏置电压vg，nmos管m5和nmos管m6源极互联接输入跨导级的nmos管m1和nmos管m3的漏极，nmos管m7和nmos管m8源极互联接输入跨导级的nmos管m2和nmos管m4的漏极，nmos管m5和nmos管m7的漏极互联，nmos管m6和nmos管m8的漏极互联。

进一步地，如上所述高线性度宽带上混频器，所述负载级单元包括两个电感l5和l6，电感l5一端接电源电压vdd，另一端与nmos管m5和nmos管m7的漏极连接并作为上混频器器的射频正输出端，电感l6一端接电源电压vdd，另一端与nmos管m6和nmos管m8连接并作为上混频器的射频负输出端。

进一步地，如上所述高线性度宽带上混频器，所述场效应nmos管可以用双极型晶体管实现，用双极型晶体管实现时，只需要将nmos管替换成npn型三极管，pmos管替换成pnp型三极管即可。

与传统吉尔伯特上混频器相比，本发明的优势及显著效果在于：

1、采用电容交叉耦合共栅极的主路跨导和加载源退化电感共源极的辅路跨导两路结合组成跨导级的结构，抵消跨导级的三阶非线性跨导，提升线性度的同时，还能提高增益。

2、输入信号主路采用共栅极，辅路采用加载源退化电感的共源极，可以有效的提高输入中频带宽，输出采用电感负载，优化输出电感的品质因数，可以获得较大的输出射频带宽。

附图说明

图1是传统吉尔伯特上混频器电路原理图；

图2是本发明高线性宽带上混频器电路原理图；

图3是转换增益仿真对比图；

图4是输出1db压缩点仿真对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2是本发明一种高线性度宽带上混频器的较佳实施例的电路原理图。如图2所示，本发明一种高线性度宽带上混频器，包括跨导级单元1、开关级单元2和负载级单元3。差分中频信号的正负两端vin+和vin-注入跨导级单元1，经过跨导级单元1放大信号然后输出至开关级单元2，开关级单元2的输出连接至负载级单元3，开关级单元2与差分本征输入信号vlo+和vlo-相连，差分射频信号vrf-和vrf+从开关级单元2和负载级单元3之间输出。

如图2所示，跨导级单元1包括主路跨导和辅路跨导。主路跨导由差分nmos管m1-m2、电阻r1-r2、电感l1-l2和电容c1-c2构成。差分nmos管m1和m2的源极分别接中频差分输入vin+和vin-，电感l1和l2的正端(l1＝l2)以及电容c1和c2(c1＝c2)的负端，电感l1和l2负端接地，差分nmos管m1和m2栅极分别接c1和c2的正端以及通过r1和r2接偏置电压vm，形成电容交叉耦合共栅极差分对结构。通过合理设计c1的值，可以使nmos管m1的源极和栅极的中频信号等大反向，因此若对于nmos管m1自身跨导为gm1，当加入耦合电容c1，其等效跨导变为2gm1，同理，对于nmos管m2，以上推导亦成立。因此该结构可以有效的提高上混频器的增益。同时通过改变源极电感l1和l2可以改变输入阻抗，实现中频输入的宽带匹配。

辅路跨导由差分nmos管m3-m4、电阻r3-r4、电感l3-l4和电容c3-c4构成。差分nmos管m3和m4源极分别接电感l3和l4(l3＝l4)，nmos管m3栅极分别通过电阻r3接偏置电压va，通过电容c3连接中频信号的负输入端vin-，为了保证m3栅极的信号和m1栅极的信号相同相位，c3＝c1。nmos管m4栅极分别通过电阻r4接偏置电压va，通过电容c4连接中频信号的正输入端vin+，为了保证m4栅极的信号和m2栅极的信号相同相位，c4＝c2，因为c1＝c2)，所以c1＝c2＝c3＝c4。nmos管m3漏极连接至nmos管m1的漏极，nmos管m4漏极连接至nmos管m2的漏极。通过改变辅路差分nmos管m3和m4的尺寸以及偏置电压va，可以使辅路nmos管的三阶跨导与主路nmos管三阶跨导具有相反的幅值，而一阶跨导符号相同，因此可以在漏极与主路的三阶跨导相抵消，同时增强一阶跨导，从而减少跨导级单元的三阶失真，提高线性度，并提高增益。辅路源极电感l3和l4可以使nmos管三阶跨导随偏置电压变化更加平坦，从而增加混频器线性度随偏置电压的鲁棒性。

如图2所示，开关级单元2包括四个nmos管m5-m8和两个电阻r5-r6。nmos管m5和m8栅极互联接本征信号的负输入端vlo-，通过电阻r5接偏置电压vg，nmos管m6和m7栅极互联接本振信号的正输入端vlo+，通过电阻r6接偏置电压vg，nmos管m5和m6源极互联接输入跨导级的nmos管m1和m3的漏极，nmos管m7和m8源极互联接输入跨导级的nmos管m2和m4的漏极，nmos管m5和m7的漏极互联，nmos管m6和m8的漏极互联。通过优化四个nmos管m5-m8的尺寸和偏置，使开关级单元工作在最佳开关状态，减少由于开关管引入的非线性。

负载级单元3包括两个电感l5和l6，电感l5一端接电源电压vdd，另一端与nmos管m5和m7的漏极连接并作为上混频器器的射频正输出端vrf+，电感l6一端接电源电压vdd，另一端与nmos管m6和m8连接并作为上混频器的射频负输出端vrf-。合理设计负载电感l5和l6，可以有效增大输出带宽。

如图3所示，本发明与无辅路跨导、无辅路跨导和主路无交叉耦合电容的功率增益和带宽对比，其结果显示本发明设计的上混频器在整个频带内增益最高，本发明上混频器3db带宽为68-94ghz，无辅路跨导上混频器以及无辅路跨导和主路无交叉耦合电容上混频器3db带宽均为70-94ghz，结果显示本发明带宽最宽。

如图4所示，本发明与无辅路跨导、无辅路跨导和主路无交叉耦合电容的输出1db压缩点对比，其结果显示本发明设计的上混频器在整个频带内线性度最好。

虽然本发明给出的仿真频段是68-94ghz，但通过调整本发明的元件参数，本发明同样适用于其它频段。

本发明结构除了可以用场效应管实现，也可以用双极型晶体管实现。用双极型晶体管实现时，只需要将nmos管替换成npn型三极管，pmos管替换成pnp型三极管即可。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。