[发明专利]一种高边带抑制的高线性度单边带混频器

说明书

本发明属于射频频段无线通信技术领域，提供一种高边带抑制的高线性度单边带混频器，用以解决现有高线性度的正交混频器因奇次谐波的干扰导致系统性能恶化的问题。本发明由RC PPF网络、本振信号模块与IQ混频器三部分构成，其中，RC PPF网络输出四路相同摆幅的差分正交中频(IF)信号，本振信号模块基于数字时延电路、产生四路1/3占空比满摆幅的差分正交本振(LO)信号，最后通过IQ混频器将四路1/3占空比满摆幅的差分正交本振(LO)信号与四路相同摆幅的差分正交中频(IF)信号混合，实现对偶次谐波与3次边带的完全抑制；同时，在IQ混频器中，采用差分电感做负载，达到匹配目的，在理想抑制的基础上保证器件高的线性度和增益。

技术领域

本发明属于射频频段无线通信技术领域，涉及射频频段无线通信系统的收发机前端中不可或缺的混频器，具体提供一种高边带抑制的高线性度单边带混频器。

背景技术

在无线系统、通信雷达、国防事业、工业生产、日常生活等应用领域，需要更高抑制比、更高线性度、增益良好且成本较低的混频器。当前，混频器(Mixer)设计存在许多挑战(1)混频器的镜频抑制，由于晶体管非线性特点，混频器的本振信号与中频信号的相乘时，会产生丰富的谐波分量，对于奇次谐波的处理效果对发射机系统的噪声性能起到了关键作用，实现良好的边带抑制效果是毫米波混频器一大设计挑战；(2)混频器的良好增益可以降低对后级模块的增益需求，同时为了满足系统的信号高保真和调制需求，必须保持足够的线性度，增益与线性度的平衡设计也是一大技术挑战。本发明欲对传统混频器的结构进行改进，优化传统的单边带对奇次谐波的抑制问题，同时保持较好的输出功率和线性度。

随着无线通信技术的发展，硅基毫米波射频和微波技术的研究被不断关注，广泛使用的65nmCMOS工艺晶体管的截止频率已经超过了200GHz，硅基工艺已经具备实现毫米波亚毫米波电路的能力。近几十年来，从最初以语音通信为核心的第一代移动通信(1G)到即将来临的追求更高传输速率的第五代移动通信(5G)，以及无线局域网，汽车雷达，物联网等无线通信技术的飞速发展逐渐影响着人们的生活方式也同时给人们带来方方面面的便利与日益拥挤的低频段相比，毫米波频段具有频带宽、保密和抗干扰性强、数据传输速率高以及相对应系统尺寸较小等优势。

收发机前端在无线通信系统中充当的角色至关重要，而混频器又是收发机前端不可或缺的模块，其性能好坏直接影响着整个系统的运行。例如在接收机系统中，混频器良好的转换增益可以减小前级模块在增益上的压力，并且其线性度直接影响着整个接收机的动态范围，而其噪声性能也在一定程度上影响着系统的灵敏度；对于发射机，其增益可以有效降低功放的增益要求等。混频器是在射频毫米波无线系统中的重要模块，面向毫米波无线系统的混频器设计拥有重大的研究意义。近些年，有很多镜频抑制混频器的结构被提出，其中一种高线性度的正交混频器电路原理图如图1所示：该设计基于Gilbert单元结构，采用派生项叠加技术来优化线性度；RF_P与RF_N为差分输入射频信号，通过C1～C4四个隔直电容耦合到晶体管的栅极，本振输入为四路正交信号ILO_P、ILO_N、QLO_P、QLO_N，中频输出为四路正交信号IIF_P、IIF_N、QIF_P、QIF_N；M1～M4构成输入跨导级：M1和M2构成FDT结构、工作在饱和区、偏置电压由FDT_BIAS提供，M3和M4构成PDT结构、工作在亚阈值区、偏置电压由PDT_BIAS提供；通过改变PDY晶体管的宽长比，使得当Δv→0时，g_m→0，极大地提高混频器的线性度；开关级中分为I路(M5～M8)和Q路(M9～M12)，为了减少开关级的噪声贡献，开关管应尽量偏置在临界开启状态；电阻RL1～RL4构成负载级，将混频后的电流信号转化为电压信号，设计中采用多晶硅电阻，避免引入1/f噪声；另外电阻作为负载不会引入非线性，但电阻阻值不能过大，以避免电阻上的压降过大，导致输出电压摆幅受限，影响混频器的电压转换增益和线性度。