混频器、收发机的制作方法

1.本公开涉及混频器技术领域，特别涉及一种混频器、收发机。


背景技术：

2.随着移动通信技术(如第五代移动通信5g)的发展，对信息传输的速率、时延、可靠性等提出了更高的要求，而波束赋形、大规模天线阵列(massive mimo)等是实现以上要求的两种重要技术。
3.以上两种技术都需要收发机集成大规模的前端天线阵列，这对收发机中的混频器的线性度提出了非常高的要求；同时，收发机的功耗将直接影响电池寿命和使用成本，因此在保证高线性度的前提下尽量降低功耗也是期望的。
4.但是，现有收发机的功耗等还不能满足要求。


技术实现要素：

5.本公开提供一种混频器、收发机。
6.第一方面，本公开实施例提供一种混频器，其包括：
7.跨导电路，其连接输入信号端，用于根据所述输入信号端的输入信号产生差分信号，并在其第一输出端、第二输出端输出所述差分信号；
8.开关电路，其连接本振信号端和所述跨导电路的第一输出端、第二输出端，用于将所述本振信号端的本振信号和所述差分信号混频产生混频信号，并在其第一输出端、第二输出端输出所述混频信号；
9.负载电路，其连接输出信号端，用于提供负载；
10.放大电路，其连接在所述开关电路与负载电路之间，用于放大所述混频信号。
11.在一些实施例中，所述跨导电路包括第一变压器。
12.在一些实施例中，所述第一变压器包括：
13.第一初级线圈，其第一端连接所述输入信号端，第二端连接接地端；
14.第一次级线圈，其第一端、第二端分别连接所述跨导电路的第一输出端、第二输出端，中间抽头连接所述接地端。
15.在一些实施例中，所述放大电路包括：
16.共栅级路，其包括栅极相互耦接的第一晶体管器件、第二晶体管器件；所述第一晶体管器件的源极连接所述开关电路的第一输出端，漏极连接所述放大电路的第一输出端；所述第二晶体管器件的源极连接所述开关电路的第二输出端，漏极连接所述放大电路的第二输出端；
17.共源级路，其包括源极相互耦接的第三晶体管器件、第四晶体管器件；所述第三晶体管器件的栅极耦接所述开关电路的第一输出端，漏极耦接所述放大电路的第二输出端；所述第四晶体管器件的栅极耦接所述开关电路的第二输出端，漏极耦接所述放大电路的第一输出端。
18.在一些实施例中，所述第一晶体管器件的栅极连接第一电容的第一极；所述第二晶体管器件的栅极连接第二电容的第一极；所述第一电容的第二极、所述第二电容的第二极均连接接地端；
19.所述第三晶体管器件的源极、所述第四晶体管器件的源极均连接所述接地端；所述第三晶体管器件栅极连接第三电容的第一极，所述第三电容的第二极连接所述开关电路的第一输出端；所述第四晶体管器件的栅极连接第四电容的第一极，所述第四电容的第二极连接开关电路的第二输出端。
20.在一些实施例中，所述共源级路为共源共栅级路；
21.所述共源共栅级路还包括栅极相互耦接的第五晶体管器件、第六晶体管器件；所述第三晶体管器件的漏极通过第五晶体管器件耦接所述放大电路的第二输出端，所述第四晶体管器件的漏极通过第六晶体管器件耦接所述放大电路的第一输出端。
22.在一些实施例中，所述第五晶体管器件的栅极、第六晶体管器件的栅极均连接第五电容的第一极，所述第五电容的第二极连接所述接地端。
23.在一些实施例中，所述晶体管器件为场效应管或三极管。
24.在一些实施例中，所述负载电路包括一个感性负载。
25.在一些实施例中，所述电感性负载为第二变压器和/或电感。
26.在一些实施例中，所述混频器还包括：滤杂电容，其第一极连接开关电路的第一输出端，第二极连接开关电路的第二输出端。
27.第二方面，本公开实施例提供一种收发机，其包括：
28.上述的混频器。
29.在一些实施例中，所述收发机为通信收发机或雷达收发机。
30.本公开实施例的混频器中，放大电路(中频放大电路)不是级联在负载电路和混频器其它部分(混频器核心)之后的，而是“插入”到负载电路、开关电路之间，故放大电路与混频器其它部分是“电流复用”的，即共用一路电流，从而放大电路实际并没有占用额外的电流，极大的降低了混频器的整体功耗，可延长电池寿命，降低使用成本。
附图说明
31.在本公开实施例的附图中：
32.图1为一些相关技术中的一种混频器的电路图；
33.图2为一些相关技术中的另一种混频器的电路图；
34.图3为本公开实施例提供的一种混频器的组成框图；
35.图4为本公开实施例提供的一种混频器的电路图；
36.图5为本公开实施例提供的另一种混频器的电路图；
37.图6为本公开实施例提供的一种收发机的组成框图；
38.其中，附图标记的意义如下：
39.m1、第一晶体管器件；m2、第二晶体管器件；m3、第三晶体管器件；m4、第四晶体管器件；m5、第五晶体管器件；m6、第六晶体管器件；m7、第七晶体管器件；m8、第八晶体管器件；m9、第九晶体管器件；m10、第十晶体管器件；c1、第一电容；c2、第二电容；c3、第三电容；c4、第四电容；c5、第五电容；cp、滤杂电容；vdd、高电平端；in、输入信号端；inlo 、第一本振信
号端；inlo-、第二本振信号端；out、输出信号端；out 、第一输出信号端；out-、第二输出信号端；r1、第一电阻；r2、第二电阻；tf1、第一变压器；tf2、第二变压器。
具体实施方式
40.为使本领域的技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图对本公开实施例提供的混频器、收发机进行详细描述。
41.在下文中将参考附图更充分地描述本公开，但是所示的实施例可以以不同形式来体现，且本公开不应当被解释为限于以下阐述的实施例。反之，提供这些实施例的目的在于使本公开透彻和完整，并将使本领域技术人员充分理解本公开的范围。
42.本公开实施例的附图用来提供对本公开实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与详细实施例一起用于解释本公开，并不构成对本公开的限制。通过参考附图对详细实施例进行描述，以上和其它特征和优点对本领域技术人员将变得更加显而易见。
43.在不冲突的情况下，本公开各实施例及实施例中的各特征可相互组合。
44.本公开所使用的术语仅用于描述特定实施例，且不意欲限制本公开。如本公开所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列举条目的任何和所有组合。如本公开所使用的单数形式“一个”和“该”也意欲包括复数形式，除非上下文另外清楚指出。如本公开所使用的术语“包括”、“由
……
制成”，指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。
45.除非另外限定，否则本公开所用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。还将理解，诸如那些在常用字典中限定的那些术语应当被解释为具有与其在相关技术以及本公开的背景下的含义一致的含义，且将不解释为具有理想化或过度形式上的含义，除非本公开明确如此限定。
46.在一些相关技术中，一种混频器(有源双平衡吉尔伯特混频器)的电路图如图1所示，主要包括跨导电路(跨导级)、开关电路(开关级)、负载电路(负载级)，以及与负载电路和开关电路的连接点相连的放大电路(放大级)。
47.其中，跨导电路具体可为共源跨导电路，而放大电路具体可为中频放大电路，如中频的共源放大电路(参照图1)或中频的跨阻放大电路(参照图2)。
48.但是，以上有源双平衡吉尔伯特混频器存在以下问题：放大电路和混频器其它部分(混频器核心)分别有各自的电流i
amp
(即图中的i
amp1
i
amp2
)和i
core
(即图中的i
core1
i
core2
)，从而混频器中的总电流i
total
＝i
core
i
amp
，即放大电路和混频器其它部分分别有各自的功耗，导致混频器整体功耗较高。
49.为改善以上有源双平衡吉尔伯特混频器的线性度，还可参照图2，采用导数叠加跨导电路，但该混频器的功耗仍然较高。
50.第一方面，参照图3至图5，本公开实施例提供一种混频器。
51.本公开实施例的混频器用于对输入信号和本振信号进行混频，其可用于收发机中，如用于通信收发机(如射频毫米波通信收发机、太赫兹频段通信收发机)、雷达收发机等中。
52.例如，混频器可用于毫米波收发机中，从而混频器可根据射频频率的输入信号和本振信号，产生频率等于二者频率相减的基带用的中频信号。示例性的，混频器的输入信号
的频率可为26ghz，本振信号的频率可为22ghz，从而其产生的中频信号(基带信号)的频率为4ghz。
53.其中，本公开实施例的混频器的具体实现形式是多样的，如可设于集成电路的芯片(ic)中，也可设于常规的印刷线路板(pcb)上，或者由实体的元件组合而成等。
54.参照图3，本公开实施例的混频器包括：
55.跨导电路(跨导级)，其连接输入信号端in，用于根据输入信号端in的输入信号产生差分信号，并在其第一输出端(图中左侧端)、第二输出端输(图中右侧端)出差分信号；
56.开关电路(开关级)，其连接本振信号端和跨导电路的第一输出端、第二输出端，用于将本振信号端的本振信号和差分信号混频产生混频信号，并在其第一输出端(图中左侧端)、第二输出端(图中右侧端)输出混频信号；
57.负载电路(负载级)，其连接输出信号端out，用于提供负载；
58.放大电路(放大级)，其连接在开关电路与负载电路之间，用于放大混频信号。
59.本公开实施例的混频器中，从输入信号端in输入的输入信号(如射频信号)首先经过跨导电路转换为差分信号，再于开关电路中与从本振信号端输入的本振信号(如射频信号)混频(如频率相减)得到混频信号(如中频信号)，混频信号再注入到放大电路(如中频放大电路)放大，最后通过负载电路从输出信号端out输出。
60.本公开实施例的混频器中，放大电路(中频放大电路)不是级联在负载电路和混频器其它部分(混频器核心)之后的，而是“插入”到负载电路、开关电路之间，故放大电路与混频器其它部分是“电流复用”的，即共用一路电流(i
total＝icore
＝i
amp
)，从而放大电路实际并没有占用额外的电流，极大的降低了混频器的整体功耗，可延长电池寿命，降低使用成本。
61.在一些实施例中，跨导电路包括第一变压器tf1。
62.在一些实施例中，第一变压器tf1包括：
63.第一初级线圈，其第一端连接输入信号端in，第二端连接接地端；
64.第一次级线圈，其第一端、第二端分别连接跨导电路的第一输出端、第二输出端，中间抽头连接接地端。
65.参照图4、图5，本公开实施例中可采用变压器(第一变压器tf1)作为跨导电路。显然，变压器属于无源器件，故对应的跨导电路为无源跨导电路。
66.进一步的，第一变压器tf1的初级线圈(第一初级线圈)可直接连接在输入信号端in和接地端之间，而次级线圈(第一次级线圈)则连接在跨导电路的两个输出端之间，且有中间抽头，中间抽头连接接地端；从而第一次级线圈可提供混频器整体工作所需的直流通路。
67.参照图1、图2，在一些相关技术的混频器中，跨导电路和放大电路这两部分电路实际都会影响线性度，从而导致混频器整体的线性度较低。
68.而在本公开实施例的混频器，跨导电路则直接采用无源的变压器(第一变压器tf1)，从而其不会产生非线性失真，保证了跨导电路部分的线性度，也就提高了混频器整体的线性度。
69.另外，通过合理设计第一初级线圈、第一次级线圈的尺寸、匝数、耦合系数等参数，可容易的实现输入信号端in(如射频端口)的阻抗匹配，且变压器可将单端的输入信号(如射频信号)转变为差分信号，抑制电路中的偶次交调分量。
70.本公开实施例中，开关电路以及相应的本振信号端可为各种形式。
71.例如，参照图4、图5，开关电路可采用吉尔伯特单元。吉尔伯特单元包括第七晶体管器件m7、第八晶体管器件m8、第九晶体管器件m9、第十晶体管器件m10。其中，第七晶体管器件m7、第八晶体管器件m8的栅极连接第一本振信号端inlo (如本振信号的正端)，源极则分别连接跨导电路的两个输出端，漏极则分别连接开关电路的两个输出端；而第九晶体管器件m9、第十晶体管器件m10的栅极均连接第二本振信号端inlo-(如本振信号的负端)，源极则分别连接跨导电路的两个输出端(也就是分别连接第七晶体管器件m7、第八晶体管器件m8的源极)，漏极则交叉后分别连接开关电路的两个输出端(也就是分别连接第八晶体管器件m8、第七晶体管器件m7的源极)。
72.其中，第七晶体管器件m7、第八晶体管器件m8、第九晶体管器件m9、第十晶体管器件m10的宽长比等尺寸相同，且均偏置在弱反型区，从而可有效降低混频过程的噪声系数并提升线性度，并降低本振信号的泄露和抑制本振偶次谐波分量。
73.在一些实施例中，混频器还包括：
74.滤杂电容cp，其第一极连接开关电路的第一输出端，第二极连接开关电路的第二输出端。
75.参照图4、图5，在开关电路的两个输出端(也是放大电路的两个输入端)之间，还可并联有滤杂电容cp，以滤除开关电路产生的混频信号中的谐波(如高频谐波)和由于混频过程产生的杂散(如高频)，之后再输入到放大电路中，以进一步改善线性度。
76.在一些实施例中，放大电路包括：
77.共栅级路，其包括栅极相互耦接的第一晶体管器件m1、第二晶体管器件m2；第一晶体管器件m1的源极连接开关电路的第一输出端，漏极连接放大电路的第一输出端(图中左侧端)；第二晶体管器件m2的源极连接开关电路的第二输出端，漏极连接放大电路的第二输出端(图中右侧端)；
78.共源级路，其包括源极相互耦接的第三晶体管器件m3、第四晶体管器件m4；第三晶体管器件m3的栅极耦接开关电路的第一输出端，漏极耦接放大电路的第二输出端；第四晶体管器件m4的栅极耦接开关电路的第二输出端，漏极耦接放大电路的第一输出端。
79.在一些实施例中，第一晶体管器件m1的栅极连接第一电容c1的第一极；第二晶体管器件m2的栅极连接第二电容c2的第一极；第一电容c1的第二极、第二电容c2的第二极均连接接地端；
80.第三晶体管器件m3的源极、第四晶体管器件m4的源极均连接接地端；第三晶体管器件m3栅极连接第三电容c3的第一极，第三电容c3的第二极连接开关电路的第一输出端；第四晶体管器件m4的栅极连接第四电容c4的第一极，第四电容c4的第二极连接开关电路的第二输出端。
81.本公开实施例中，两个结构“耦接”是指，两个结构在电学上相互连接，例如，可以是两个结构之间的引线上还设有其它的器件，也可以是两个结构电连接到相同的信号源。
82.本公开实施例中，两个结构“连接”是指，两个结构直接通过引线相连，而之间没有除引线外的其它器件，即两个结构中的电信号理论上是随时相等的。
83.本公开实施例中，“晶体管器件”是指在电学上能等效于晶体管(或者说实现晶体管的功能)的一个元件或多个元件的组合。
84.在一些实施例中，晶体管器件为场效应管或三极管。
85.具体的，以上晶体管器件可为场效应管(mos)或三极管(如双极型晶体管)的形式，例如，n型场效应管(nmos)也可采用npn型三极管，p型场效应管(pmos)也可采用pnp型三极管。
86.参照图4，本公开实施例的混频器中，放大电路具体可包括共栅级路和共源级路；共栅级路包括栅极耦接的晶体管器件，共源级路包括源极耦接的晶体管器件，且各晶体管器件的漏极再分别连接至放大电路的两个输出端。
87.参照图1、图2，在一些相关技术的混频器中，无论是采用中频的跨阻放大电路还是中频的共源放大电路，在中频频段的输入阻抗均较大，这会导致混频器核心的级联阻抗失配而带来较大的损耗，为弥补该部分损耗需要增大放大电路的增益，但这进一步加大了放大电路的功耗。
88.本公开实施例中，通过共栅级路，可轻松实现放大电路和开关电路间的阻抗匹配，减小级联的损耗，避免为弥补阻抗失配的损耗带来的额外功耗。
89.而且，由于采用两级路结构(共栅级路和共源级路)的放大电路，可通过调节两级路中至少四个晶体管器件的性质(如偏置电压、宽长比尺寸等)，实现两级路三阶非线性跨导极性相反、幅值相同，从而在两级路的合成节点实现三阶跨导的抵消，提高放大电路的线性度。
90.进而，由于两级路的一阶跨导极性相同，故该两级路结构还能提供较大的中频增益，以实现充分的幅度放大。
91.由此，通过采用包括共栅级路和共源级路的混频器，可进一步降低混频器功耗，并改善混频器的线性度。
92.在一些实施例中，共源级路为共源共栅级路；
93.共源共栅级路还包括栅极相互耦接的第五晶体管器件m5、第六晶体管器件m6；第三晶体管器件m3的漏极通过第五晶体管器件m5耦接放大电路的第二输出端，第四晶体管器件m4的漏极通过第六晶体管器件m6耦接放大电路的第一输出端。
94.在一些实施例中，第五晶体管器件m5的栅极、第六晶体管器件m6的栅极均连接第五电容c5的第一极，第五电容c5的第二极连接接地端。
95.参照图5，以上混频器的放大电路中的共源级路进一步可为共源共栅级路，即共源级路中还包括栅极相互耦接的两个晶体管器件(第五晶体管器件m5、第六晶体管器件m6)，源极相互耦接的两个晶体管器件(第三晶体管器件m3、第四晶体管器件m4)的栅极分别通过它们连接放大电路的两个输出端。
96.具体的，参照图5，混频器的放大电路中，共栅级路包括第一晶体管器件m1和第二晶体管器件m2，第一晶体管器件m1和第二晶体管器件m2的栅极分别通过第一电容c1和第二电容c2接地，源极则分别连接开关电路的两个输出端，漏极则分别连接放大电路的两个输出端。其中，第一电容c1和第二电容c2相当于为第一晶体管器件m1和第二晶体管器件m2的栅极提供了交流地，可提高增益。
97.而共源共栅级路则包括源极耦接的第三晶体管器件m3和第四晶体管器件m4，以及栅极耦接的第五晶体管器件m5和第六晶体管器件m6。其中，第三晶体管器件m3和第四晶体管器件m4的源极均接地，栅极则分别通过第三电容c3和第四电容c4连接开关电路的两个输
出端，该第三电容c3和第四电容c4可起到隔直作用。第三晶体管器件m3和第四晶体管器件m4的漏极分别通过(或者说串联)第五晶体管器件m5和第六晶体管器件m6连接至放大电路的两个输出端(第三晶体管器件m3的漏极连接第二输出端，第四晶体管器件m4的漏极连接第一输出端)，而第五晶体管器件m5和第六晶体管器件m6的栅极则通过第五电容c5接地，第五电容c5也用于为第五晶体管器件5的栅极提供交流地，提高增益。
98.在一些实施例中，负载电路包括一个感性负载。
99.在一些实施例中，电感性负载为第二变压器tf2和/或电感。
100.参照图5，本公开实施例的混频器中的负载电路可为具有“电感性质”的负载，例如为变压器(第二变压器tf2)、电感等。
101.其中，每个感性负载只对应一个输出信号端out，故参照图5，应当是感性负载分别连接放大电路的两个输出端，且连接输出信号端out和接地端。
102.例如，当感性负载为第二变压器tf2时，可以是其初级线圈(第二初级线圈)的两端分别连接放大电路的两个输出端，中间抽头连接高电平端vdd；而其次级线圈(第二次级线圈)的两端分别连接输出信号端out和接地端。
103.参照图1、图2，在一些相关技术中，由于放大电路分为两部分，故若其中采用感性负载，则对应每部分放大电路需要有一个单独的感性负载，即混频器整体有两个感性负载，从而占据较大空间，导致混频器的尺寸增大(如带有混频器的芯片尺寸增大)。
104.而参照图5，本公开实施例中，由于放大电路只有一个并位于负载电路和开关电路之间，故当负载电路采用感性负载时，也只要有一个感性负载即可，可以减小混频器的尺寸(如带有混频器的芯片的尺寸)。
105.当然，参照图4，负载电路也可包括电阻负载、并联lrc(电感电阻电容)负载、有源负载等其它任意形式的负载，而不限于感性负载。
106.其中，当负载电路的形式不同时，则相应输出信号端out的位置、个数等也可有所不同。例如，可参照图4，当负载电路包括第一电阻r1和第二电阻r2时，则两个电阻可分别连接在高电平端vdd与放大电路的两个输出端之间，而放大电路的两个输出端同时也分别连接两个输出信号端，即第一输出信号端out (输出信号的正端)、第二输出信号端out-(输出信号的负端)。
107.为证明本公开实施例的混频器的效果，还分别制备了参照图1和图2的相关技术的混频器，以及参照图5的本公开实施例的混频器，并测试它们在功耗为23mw时输出1db压缩点的绝对功率(表征混频器的线性度，以分贝毫瓦dbm为单位)，以及在相同输出1db压缩点(2dbm)下的功耗(表征混频器的功耗，以毫瓦为单位)，结果如下表1所示。
108.表1、不同混频器的性能测试结果
[0109][0110]
从表1中可见，在功耗相同的情况下，本公开实施例的混频器的线性度明显优于相关技术中的混频器(提升了6db以上)；而在实现相同输出1db压缩点的情况下，本公开实施
例的混频器的功耗则远低于相关技术中的混频器(相对采用导数叠加跨导电路的混频器降低了74％，相对有源双平衡吉尔伯特混频器降低了81.5％)。
[0111]
由此可以证明，本公开实施例的混频器能大幅提高输出信号的线性度，同时也大大降低了功耗，从而可延长电池寿命，降低使用成本；另外，若采用感性负载，本公开实施例的混频器的尺寸(如带有混频器的芯片的尺寸)也可进一步降低。
[0112]
第二方面，参照图6，本公开实施例提供一种收发机，其包括：
[0113]
上述的混频器。
[0114]
本公开实施例的收发机中包括以上的混频器，从而其线性度高，功耗低，尺寸小。
[0115]
在一些实施例中，收发机为通信收发机或雷达收发机。
[0116]
示例性的，以上收发机具体可为通信收发机(如射频毫米波通信收发机、太赫兹频段通信收发机)、雷达收发机等形式。
[0117]
当然，如果以上收发机为用于其它系统中的收发机；或者，以上的混频器用于其它系统中，也都是可行的。
[0118]
本公开已经公开了示例实施例，并且虽然采用了具体术语，但它们仅用于并仅应当被解释为一般说明性含义，并且不用于限制的目的。在一些实例中，对本领域技术人员显而易见的是，除非另外明确指出，否则可单独使用与特定实施例相结合描述的特征、特性和/或元素，或可与其它实施例相结合描述的特征、特性和/或元件组合使用。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离由所附的权利要求阐明的本公开的范围的情况下，可进行各种形式和细节上的改变。