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毫米波混频器的优化设计

作者:何一芥 来源:科学与财富 202019期 时间:2020-11-17

摘要:近年来,随着5G、物联网等技术的迅猛发展,毫米波通信系统中对带宽和线性度性能的要求越来越高。混频器是接收机中能直接影响接收机的整体线性度的关键器件之一。由于其...

  摘要:近年来,随着5G、物联网等技术的迅猛发展,毫米波通信系统中对带宽和线性度性能的要求越来越高。混频器是接收机中能直接影响接收机的整体线性度的关键器件之一。由于其输入信号的频率范围通常彼此重叠,难免出现互调,故混频器难以同时获得高线性度、高增益、低功耗和宽带等性能。此次项目所设计的混频器采用单平衡结构,通过仿真测试單平衡混频器在15dBmLO驱动下,在7-34GHz带宽上,具有27dBm以上的IIP3,转换损耗小于11dB。

  关键词:混频器;单平衡;双平衡;高线性度;宽带

  0引言

  近年来人们对无线通信系统的容量和传输速率的要求不断提高,无线电频谱的低端频段已无法满足现代通信的需求,因而研究高速率、宽频带的微波/毫米波通信系统已成为关注的焦点。收发机前端电路是无线通信系统的重要组成部分,包括天线、低噪声放大器、功率放大器、混频器、开关等功能模块。混频器作为前端电路的重要组成部分提高其线性度和带宽更是研究的热点。为提高混频器的IIP3与带宽,打算从元器件建模技术与电路架构两方面展开研究。

  本文在传统的双平衡结构上通过调整漏极偏置条件,大大改善了其线性度,在输入、输出端引入阻抗匹配网络,从而提高其带宽。

  1电路分析与设计

  1.1???? 电路分析

  混频器的输入信号分别定义为射频信号RF(RadioFrequency),频率记为ωRF和本振信号LO(LocalOscillator),频率记为ωLO,混频器的输出信号定义为中频信号IF(IntermediateFrequency),频率记为ωIF。则混频器的模型为:

  根据上式可得,只要电路中构成这两个信号的乘积,即可实现混频。目前,混频器电路主要以下几种方法实现本振信号和射频信号的乘积:

  1)???? 电路或器件的非线性特性实现频率转换。这类混频器最典型的是二极管混频器,主要利用二极管电压到电流的指数特性。

  2)???? 构成电路乘法器。这类混频器主要是把模拟乘法器的电路结构应用于射频领域的频谱搬移,最为典型的吉尔伯特乘法器的应用,到目前为止,吉尔伯特混频器是应用最为广泛的电路结构。

  3)???? 开关调制实现频率和变换。开关调制混频器数学模型。SLO,SRF和SIF分别表示本振信号,射频信号和中频信号。在本振信号的作用下,IF信号以本振信号频率在+SRF和-SRF之间来回切换,若射频信号和本振信号定义如下:

  中频信号为:

  将S_LO进行傅里叶级数变换展开得中频输出会出现以本振信号奇次谐波为中心的上下边带变频分量。虽然吉尔伯特电路原是用于模拟乘法器,但是现在,吉尔伯特混频器已发展成为开关型混频器的典型电路,吉尔伯特单元电路的混频器成为当前混频器领域中最主流的电路结构。电路如图1所示。

  1.2???? 电路设计

  改进型混频器如图2所示,混频器核心由两个有不同偏置的门控FFT组成。LO信号VLO+和VLO-分别被注入M1,M2和M3,M4的栅极,驱动FFT的沟道电阻。RF信号通过FFT漏极处的高通滤波器馈送,FET的漏极处的RF信号相位相等。差分LO信号由三线边缘耦合线Marchand巴伦产生。电容C1-C4、C9、C10是隔直电容,并与偏置电阻形成具有整形功能的RC网络。IF信号通过二阶低通滤波器从漏极输出。漏极偏置通过外部L4和L5施加。在IF频率下,L4和L5的阻抗很大,以避免IF信号的衰减。在输出端,两个异相IF信号通过巴伦匹配输出。

  2高线性度与宽带分析

  2.1???? 高线性度分析

  在混频器中,FFT由栅极处的LO信号控制,RF由漏极输入。则漏极电流id(vg,vd)可以表示为:

  其中?? 是i阶跨导。IM3由三阶项产生。因此,为了提高线性度,FFT的三阶跨导gd3应尽可能小。而跨导的大小由晶体管的实际电路模型控制。CMOS选择用0.25μmGaAs高电子迁移率晶体管。为进一步提升线性度,采用多栅配置。

  2.2???? 宽带分析

  在LO端口,晶体管的沟道电阻在Rmin和Rmax之间,端口电阻较大。为减少幅度和相位的不平衡将端口的匹配网络设为7~35GHz、Z0=100ΩDE三耦合线巴伦。为了节约空间,使用螺旋式,每个结构的中间有两个通孔,用于去耦合和减小寄生电容。

  3测试与结论

  本次仿真设计的混频器的射频信号输入频率范围为7-34GHz。经测试在VG1=-1.2V,VG2=-0.8V,VD=0.5V,PRF=0.5V,在15dBm的LO功率下,7-34GHz的转换损耗为5至11dB。测量的IIP3为27-33dBm。

  4总结

  在本文中,介绍了高度线性宽带混频器的哟花。将最佳漏极偏置条件和电阻式混频器相结合以提高混频器的线性度,并对设计电路进行了仿真测试。SB混频器在7至34GHz的15dBmLO驱动下实现小于11dB的转换损耗和IIP3的为27-33dBm。

  参考文献:

  [1] 董庆来,三毫米混合集成平衡混频器研究,电子科技大学.

  [2] 余振兴,冯军,一种基于0.18-μmCMOS工艺的新型超宽频带毫米波混频器设计与分析,电子学报,2015年第2期,405-411.

  [3] 谢晋雄,毫米波混合集成混频技术,电子科技大学.

  [4] 胡建凯,黄振起等,3mmFM/CW组件中鳍线混频器的研究,固体电子学研究与进展,第21卷,第1期,2001年2月.

  2018年度湖北省教育厅科学计划指导性项目项目编号:B2018396.

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