一种宽带正交混频器的制作方法

1.本发明属于电子电路技术领域，涉及一种混频器，特别涉及一种宽带正交混频器。


背景技术：

2.混频器通过把信号相乘，实现频率的变化，在频域上的表现是保留有用信息的基础上进行频谱上的搬移。通常，接收机射频前端接收射频信号，并将其转变为低频的基带信号，该频率变化过程一般称为下变频；发射机前端是将携带信息的基带信号变换为射频信号发射出去，这个频率变换的过程一般称为上变频，本发明涉及到的是发射机。其中双平衡混频器因其隔离特性良好、实现简单、成本较低等优势被广泛采用。近些年来，无线通信技术和市场飞速发展，无线传输速率成倍的增加，因此设计人员通常需要工作频率范围更宽、线性度更高、隔离度高的混频器电路。
3.国内外对上变频混频器已经研究多年。2010年，namsoo kim等人发布论文“a resistively degenerated wideband passive mixer with low noise figuer and high iip
2”,提出了一种工作频率范围为1.55～2.3ghz的混频器，其线性度oip3＝18dbm@2.0ghz。2013年华中科技大学刘文甲等人采用“折叠开关混频器”结构提出一种宽带混频器，如论文“基于0.13um cmos工艺的800mhz～2500mhz宽带低中频上混频器的设计”，其带宽相比namsoo kim等人提出的混频器有所改善，但线性度oip3＝-4dbm@2.0ghz相比较差。
4.综上，现阶段无源混频器的带宽较窄、线性度较低，其综合性能无法满足设计人员及市场上的需求。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种宽带正交混频器，在宽工作频率范围内保证良好的线性度、隔离度和低噪特性。
6.本发明提供的技术方案如下：
7.一种宽带正交混频器，包括rc移相器100、第一限幅放大器200、第二限幅放大器300、第一混频模块400、第二混频模块500、带宽扩展-增益平衡模块600、以及差分转单端放大器700；
8.所述rc移相器100作为本振信号的接收端，用于对本振信号进行相位调制，将本振信号产生器产生的同频反相的两路差分信号loi、loq拆分成同频正交的两对差分本振信号，分别为loin和loip、以及loqn和loqp，同一对中两路本振信号是差分本振信号，两对中同相的本振信号为正交本振信号；
9.所述第一限幅放大器200、第二限幅放大器300分别接收一对上述幅度不一致的差分本振信号，并对信号进行低噪声的幅度放大，放大成为幅度一致的正交的两对差分本振信号，分别为loin和loip、loqn和loqp；
10.所述第一混频模块400、第二混频模块500分别接收所述第一限幅放大器200、第二限幅放大器300输出的两路差分本振信号，与两路差分基带信号进行混频，将混频后的电流
信号输出至带宽扩展-增益平衡模块600；
11.所述带宽扩展-增益平衡模块600分别接收第一混频模块400和第二混频模块500输出的电流信号并将两路电流信号转换成电压信号输出至差分转单端放大器700；
12.所述差分转单端放大器700将混频后的两路射频信号转换成单端信号并放大。
13.根据本发明提供的一种宽带正交混频器，具有以下有益效果：
14.(1)本发明提供的一种宽带正交混频器，通过引入带宽拓展-增益平衡模块扩展了混频器的带宽、增益平坦度，在工作频率范围内保证了良好的线性度；
15.(2)本发明提供的一种宽带正交混频器，对混频器的版图布局进行了设计，各模块间相互独立，没有交叠，本振信号和基带信号通路相互垂直且输入端口远离，提高了隔离度及边带抑制；并且通过给各模块定义独立的电源、地和衬底接触，实现了低噪特性。
附图说明
16.图1为本发明宽带正交混频器的总框示意图；
17.图2为限幅放大器的电路图；
18.图3为带有带宽扩展-增益平衡模块的混频模块的电路图；
19.图4为差分转单端放大器的电路图；
20.图5为本发明宽带正交混频器的版图布局图。
具体实施方式
21.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
22.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
23.本发明提供了一种宽带正交混频器，在吉尔伯特电路上引入了带宽扩展-增益平衡模块，扩展混频器的频带宽度，保证了良好的增益平坦度和较高的线性度；同时对版图布局进行了设计，通过对各模块添加独立良好的电源、地，引入隔离带(ptap)，实现了较好的隔离度、很低的载波泄露及低噪声特性。以下具体阐述本发明。
24.本发明提供了一种宽带正交混频器，如图1和图5所示，包括rc移相器100、第一限幅放大器200、第二限幅放大器300、第一混频模块400、第二混频模块500、带宽扩展-增益平衡模块600、以及差分转单端放大器700；其中：
25.rc移相器100作为本振信号的接收端，用于对本振信号进行相位调制，将本振信号产生器产生的同频反相的两路差分信号loi、loq拆分成同频正交的两对差分本振信号loin和loip、loqn和loqp，同一对中两路本振信号是差分本振信号，两对中同相的本振信号为正交本振信号，在这个过程中可以保证两对差分本振信号中同相的本振信号全频段相位差恒为90度，但无法保证信号幅度的一致性。
26.该rc移相器100连接有独立的vcc1，位于整体版图布局的最左侧中线处，上下镜像的引出两个pad作为本振信号的输入端，rc移相器100的版图是中心对称的，来保证输出的两对差分信号的匹配性。
27.第一限幅放大器200、第二限幅放大器300在电路结构上相同，分别接收一对上述幅度不一致的差分本振信号，并对信号进行低噪声的幅度放大，放大成为幅度一致的正交的两对差分本振信号。如图2所示，以第一限幅放大器200为例进行具体说明，其主要包括：放大管m2、m3，电平转换管m4、m5，负载电阻r1、r2，电流源m1、m6、m7、m8，和用于扩展带宽的电阻r3、r4及电容c1；其中，
28.放大管m2、m3的基极分别接收前级输入的差分本振信号loin和loip，m2、m3的集电极分别连接负载电阻r1、r2的一端，并接至电平转换管m4、m5的基极，m2、m3的发射极分别连接电容c1的两端以及电阻r3、r4的一端；
29.负载电阻r1、r2一端分别连接放大管m2、m3的集电极，另一端连接至电源vdd；电阻r3、r4一端连接放大管m2、m3的发射极及电容c1的两端，另一端相接并连接至电流源m6的集电极；
30.电流源m6、m7、m8的基极连接bias电压，发射极接地，集电极分别连接至电阻r3和r4的一端、m4的发射极、m5的发射极；电流源m1的基极及集电极接电源vdd，发射极连接至电平转换管m4和m5的集电极；
31.电平转换管m4、m5的基极连接放大管m2、m3的集电极，其集电极与电流源m1的发射极相连，其发射极与电流源m7、m8的集电极相连，并作为该级输出端延伸至下级。
32.第一限幅放大器200、第二限幅放大器300不仅在电路结构上相同，在版图结构上上下镜像对称，具体地：第一限幅放大器200与第二限幅放大器300连接有独立的vcc2，在版图上以vcc2电源线上下镜像对称，模块独立不与其他模块存在交叠。同时，第一限幅放大器200与两个独立的地gnd2与gnd3连接，第二限幅放大器300与两个独立的地gnd4与gnd5连接，同时两限幅放大器的右侧引入一条长的衬底(ptap)，并与地连接，来隔绝限幅放大器与混频模块间的噪声影响，保证低噪特性。
33.如图3所示，第一混频模块400、第二混频模块500为吉尔伯特混频电路，分别为i路和q路。具体地，第一混频模块400包括一个衰减电阻r71，一对跨导晶体管m13和m14，两对开关晶体管m9和m10、m11和m12；其中，
34.一个衰减电阻r71，一端接地，另一端分别连接跨导晶体管m13、m14的发射极；
35.一对跨导晶体管m13和m14，基极分别接收差分基带信号bbip、bbin，跨导晶体管m13的集电极分别连接开关晶体管m9和m10，发射极与上述衰减电阻r71相连；跨导晶体管m14的集电极分别连接开关晶体管m11和m12的发射极，发射极与上述衰减电阻r71相连；
36.两对开关晶体管m9和m10、m11和m12，其中开关晶体管m9和m12的基极接收loin信号，开关晶体管m10和m11的基极接收loip信号；开关晶体管m9与m11的集电极相连，开关晶体管m10与m12的集电极相连，对本振信号和基带信号进行混频后输出射频信号rfip和rfin；开关晶体管m9与m10发射极相连并连接到跨导晶体管m13的集电极，开关晶体管m11与m12的发射极相连并连接到跨导晶体管m14的集电极。
37.第二混频模块500包括一个衰减电阻r72，一对跨导晶体管m19和m20，两对开关晶体管m15和m16、m17和m18；其中，
38.一个衰减电阻r72，一端接地，另一端分别连接跨导晶体管m19、m20的发射极；
39.一对跨导晶体管m19和m20，基极分别接收差分基带信号bbqn、bbqp，跨导晶体管m19的集电极分别连接两对开关晶体管m15和m16的发射极，发射极与上述衰减电阻r72相
连；跨导晶体管m20的集电极分别连接两对开关晶体管m17和m18的发射极，发射极与上述衰减电阻r72相连；
40.两对开关晶体管m15和m16、m17和m18，其中开关晶体管m15和m18的基极接收loqp信号，开关晶体管m16和m17的基极接收loqn信号；开关晶体管m15和m17的集电极相连，开关晶体管m16与m18的集电极相连，对本振信号和基带信号进行混频后输出射频信号rfqp和rfqn，射频信号rfqp与rfip加和后连接到带宽扩展-增益平衡模块600一路的负载电阻上，射频信号rfqn与rfin加和后连接到带宽扩展-增益平衡模块600另一路的负载电阻上；开关晶体管m15与m16的发射极相连并连接到跨导晶体管m19的集电极，开关晶体管m17与m18的发射极相连并连接到跨导晶体管m20的集电极。
41.晶体管均采用多插指结构来提高匹配性、降低噪声，跨导晶体管和开关晶体管的衬底接触共用一个独立的地，跨导晶体管(m13、m14、m19、m20)可将基带信号转为电流信号，两对跨导晶体管之间采用中心对称的差分匹配保证两路基带信号的一致性，开关晶体管对本振信号和基带信号进行混频。其混频方式为加和混频，可有效地提高边带抑制。第一、第二混频模块在版图结构上同样上下镜像对称，本振信号通路及基带信号通路路径垂直，它们的输入端口距离远，可以降低信号间的耦合和影响。
42.第一混频模块400、第二混频模块500与带宽扩展-增益平衡模块600连接有独立的vcc3，第一混频模块400和第二混频模块500在版图上以vcc3电源线上下镜像对称，带宽扩展-增益平衡模块600以vcc3电源线为中轴线对称设置。
43.如图3所示，带宽扩展-增益平衡模块600包括：一对负载电感l1、l2，一对负载电阻r5、r6，以及一对负载电容c2、c3；其中，
44.一对负载电感l1、l2，输入端连接电源vdd，输出端分别与负载电阻r5、r6串联对电流进行集聚；
45.一对负载电阻r5、r6，一端分别与负载电感的l1、l2的输出端相连，另一端分别接入i路和q路的内部电路中(具体地，r5的另一端连接开关晶体管m9、m11、m15和m17的集电极，r6的另一端连接开关晶体管m10、m12、m16和m18的集电极)，其可作为混频后电流信号的负载，将电流信号转换为电压信号输出；
46.一对负载电容c2、c3，一端接地，另一端分别与负载电阻r5、r6相连，与负载电感l1、l2形成谐振网络。
47.在混频过程中，当所需输出频率较低时(约5mhz～2ghz)，负载电阻r5、r6作为主要负载提供增益，起主导作用，用来降低负载电感l1、l2的峰值，从而降低回路的q值(品质因数)、扩展带宽、平衡增益；同时也作为混频后电流信号的负载，将电流信号转换为电压信号输出。当所需输出频率较高时(约为2ghz～6ghz)，负载电容c2、c3作为主要负载，与负载电感l1、l2形成谐振网络、设置谐振点、扩展带宽。
48.在版图绘制过程当中，电感通常会占用很大的版图空间，且电感需要严格的隔离，因此将负载电感l1、l2单独剥离出带宽扩展-增益平衡模块主电路，同时，带宽扩展-增益平衡模块600主电路的右侧引入接地衬底ptap，对电感l1和l2隔离。同时在带宽扩展-增益平衡模块600的电感和差分转单端放大器700中间加入一条接地的衬底(ptap)隔离，差分转单端放大器700模块的电感同样需要严格的隔离。
49.如图4所示，差分转单端放大器700包括：源极跟随放大器m21、滤波电容c4和c5、接
地电容c6和c7、峰化电感l4、偏置电阻r8和r9、cascode结构放大器m22、m23；其中，源极跟随放大器m21，集电极接电源vdd，基极接滤波电容c4的一端，发射极接峰化电感l4的一端；滤波电容c4的另一端为两路差分信号中的一路，由v
in
端口输入；偏置电阻r8两端分别接源极跟随放大器m21的集电极和基极；cascode结构放大器m22、m23中，m22的发射极接m23的集电极，基极接入一个偏置电压vb，集电极接峰化电感l4的另一端并且此处引出差分转单端的输出端口rf
out
，其中峰化电感l4可以同时起到串、并联峰化作用；m23的发射极接地，基极接滤波电容c5的一端，滤波电容c5的另一端为上述两路差分信号的另一路信号，由v
in-端口输入；偏置电阻r9一端接m23的基极，另一端接入一个偏置电压vg。通过调节m21、m22、m23、l4可以使得两路差分信号的输出叠加，从而实现差转单及放大作用。
50.差分转单端放大器700需要三个独立的地gnd10、gnd11、gnd12分别作为电流泄放路径和用来保证信号稳定性，其中gnd10作为电流泄放的地，接地电容c6、c7一端分别接偏置电压vg、偏置电压vb，另一端分别接gnd11、gnd12用来保证输入信号的稳定性，gnd12还作为器件衬底接触的地。
51.差分转单端放大器700连接有独立的vcc4，位于整体版图布局的最右侧中线处。本发明宽带正交混频器中水平方向上各模块间不存在交叠。这种上下对称、模块独立的布局方式结构简单清晰、匹配性强，能够提高混频器的隔离度、降低噪声影响、提高边带抑制。
52.本发明宽带正交混频器通过带宽扩展-增益平衡模块及版图布局设计实现了一种宽带正交混频器，其具有比较宽的频带范围：50mhz～6ghz，并且在频带很宽的情况下保证了较好的综合性能和低噪特性，其线性度指标：oip3＝26dbm@2.140ghz，p1db＝12dbm@2.140ghz；载波泄露-40dbm@2.140ghz；边带抑制：-50dbc@2.140ghz；增益：-2.4db；噪底：-162.3dbm@2.140ghz。
53.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
54.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。