一种用于毫米波超宽带低功耗自混频架构的三倍频器

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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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；

3、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。

4、所述的三倍频电路结构如下：

5、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；

6、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；

7、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；

8、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；

9、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；

10、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。

11、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。

12、矩形双圈并联结构的每个转角均为倒角。

13、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；

14、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；

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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。

20、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。

技术特征：

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；

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，所述的三倍频电路结构如下：

3.根据权利要求2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。

4.根据权利要求3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，矩形双圈并联结构的每个转角均为倒角。

5.根据权利要求3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；

6.根据权利要求5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。

7.根据权利要求5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。

技术总结
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。

技术研发人员：林中卡,李俊,王彦杰
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12