本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及無線發(fā)射機(jī)中的變頻電路，特別是關(guān)于一種高線性寬帶上混頻器。

背景技術(shù)：

近年以來，隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，各種無線收發(fā)機(jī)都在向更高的工作頻段發(fā)展。從低頻到毫米波到太赫茲頻段，分布著多個(gè)不同的通信標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用，而隨著系統(tǒng)的發(fā)展和融合，要求無線收發(fā)機(jī)系統(tǒng)需要同時(shí)滿足多個(gè)不同的頻段和多個(gè)不同的通信標(biāo)準(zhǔn)，這就對(duì)無線收發(fā)機(jī)系統(tǒng)的工作帶寬提出了更高的要求。同時(shí)為了滿足高數(shù)據(jù)傳輸速率的需求，就需要用更高級(jí)的調(diào)制技術(shù)(64qam、256qam等)，這些都要求無線收發(fā)機(jī)有很高的線性度。而上混頻器作為無線發(fā)射機(jī)的變頻模塊，其作用是將低頻信號(hào)變換為無線發(fā)射的高頻信號(hào)，在無線發(fā)射機(jī)中起著至關(guān)重要的作用。因此基于現(xiàn)代通信的發(fā)展要求，設(shè)計(jì)一款高線性度寬帶的上混頻器具有廣泛應(yīng)用前景和價(jià)值。

目前傳統(tǒng)的雙平衡吉爾伯特混頻器被廣泛應(yīng)用于無線發(fā)射機(jī)中，其電路圖如圖1。這種結(jié)構(gòu)具有較好的增益以及端口隔離度，但是其工作帶寬極為有限，并且要得到較高的線性度有一定的困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要解決傳統(tǒng)吉爾伯特上混頻器在工作帶寬和線性度上的問題，提出了一種高線性度寬帶上混頻器，能夠在其他性能不降低的同時(shí)，增加上混頻器的帶寬，提升線性度。

一種高線性度寬帶上混頻器，其特征在于，包括：跨導(dǎo)級(jí)單元、開關(guān)級(jí)單元和負(fù)載級(jí)單元；

所述跨導(dǎo)級(jí)單元用以提高線性度；所述開關(guān)級(jí)單元偏置在最佳的開關(guān)狀態(tài)；所述負(fù)載級(jí)單能夠增大帶寬并能提高增益；差分中頻信號(hào)經(jīng)過跨導(dǎo)級(jí)單元的放大，在開關(guān)級(jí)單元與本征信號(hào)進(jìn)行混頻，最后差分射頻信號(hào)在負(fù)載級(jí)單元和開關(guān)級(jí)單元之間輸出。·

進(jìn)一步地，如上所述高線性度寬帶上混頻器，所述跨導(dǎo)級(jí)單元包括主路跨導(dǎo)和輔路跨導(dǎo)；

所述主路跨導(dǎo)由差分nmos管m1、nmos管m2、電阻r1、、電阻r2、電感l(wèi)1、電感l(wèi)2和電容c1、電容c2構(gòu)成電容交叉耦合共柵級(jí)結(jié)構(gòu)；

所述主路跨導(dǎo)nmos管m1源極分別接電感l(wèi)1，以及中頻信號(hào)的正輸入端，nmos管m2源極分別接電感l(wèi)2，以及中頻信號(hào)的負(fù)輸入端，nmos管m1柵極分別通過r1電阻接偏置電壓vm，通過電容c1連接nmos管m2的源極，nmos管m2柵極分別通過r2電阻接偏置電壓vm，通過電容c2連接nmos管m1的源極，形成電容交叉耦合共柵極結(jié)構(gòu)；

進(jìn)一步地，如上所述高線性度寬帶上混頻器，所述電感l(wèi)1＝電感l(wèi)2、電容c2＝電容c1。

進(jìn)一步地，如上所述高線性度寬帶上混頻器，所述輔路跨導(dǎo)由差分nmos管m3、nmos管m4、電阻r3、電阻r4、電感l(wèi)3、電感l(wèi)4和電容c3、電容c4構(gòu)成加載源退化電感的共源極結(jié)構(gòu)；

所述nmos管m3和nmos管m4源極分別接電感l(wèi)3和電感l(wèi)4，nmos管m3柵極分別通過電阻r3接偏置電壓va，通過電容c3連接中頻信號(hào)的負(fù)輸入端，nmos管m4柵極分別通過電阻r4接偏置電壓va，通過電容c4連接中頻信號(hào)的正輸入端，nmos管m3漏極連接至nmos管m1的漏極，nmos管m4漏極連接至nmos管m2的漏極。

進(jìn)一步地，如上所述高線性度寬帶上混頻器，所述電感l(wèi)3＝電感l(wèi)4；電容c1＝電容c2＝電容c3＝電容c4。

進(jìn)一步地，如上所述高線性度寬帶上混頻器，所述開關(guān)級(jí)單元包括四個(gè)nmos管m5-nmos管m8和兩個(gè)電阻r5、電阻r6；

nmos管m5和nmos管m8柵極互聯(lián)接本征信號(hào)的負(fù)輸入端，通過電阻r5接偏置電壓vg，nmos管m6和nmos管m7柵極互聯(lián)接本振信號(hào)的正輸入端，通過電阻r6接偏置電壓vg，nmos管m5和nmos管m6源極互聯(lián)接輸入跨導(dǎo)級(jí)的nmos管m1和nmos管m3的漏極，nmos管m7和nmos管m8源極互聯(lián)接輸入跨導(dǎo)級(jí)的nmos管m2和nmos管m4的漏極，nmos管m5和nmos管m7的漏極互聯(lián)，nmos管m6和nmos管m8的漏極互聯(lián)。

進(jìn)一步地，如上所述高線性度寬帶上混頻器，所述負(fù)載級(jí)單元包括兩個(gè)電感l(wèi)5和l6，電感l(wèi)5一端接電源電壓vdd，另一端與nmos管m5和nmos管m7的漏極連接并作為上混頻器器的射頻正輸出端，電感l(wèi)6一端接電源電壓vdd，另一端與nmos管m6和nmos管m8連接并作為上混頻器的射頻負(fù)輸出端。

進(jìn)一步地，如上所述高線性度寬帶上混頻器，所述場(chǎng)效應(yīng)nmos管可以用雙極型晶體管實(shí)現(xiàn)，用雙極型晶體管實(shí)現(xiàn)時(shí)，只需要將nmos管替換成npn型三極管，pmos管替換成pnp型三極管即可。

與傳統(tǒng)吉爾伯特上混頻器相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)及顯著效果在于：

1、采用電容交叉耦合共柵極的主路跨導(dǎo)和加載源退化電感共源極的輔路跨導(dǎo)兩路結(jié)合組成跨導(dǎo)級(jí)的結(jié)構(gòu)，抵消跨導(dǎo)級(jí)的三階非線性跨導(dǎo)，提升線性度的同時(shí)，還能提高增益。

2、輸入信號(hào)主路采用共柵極，輔路采用加載源退化電感的共源極，可以有效的提高輸入中頻帶寬，輸出采用電感負(fù)載，優(yōu)化輸出電感的品質(zhì)因數(shù)，可以獲得較大的輸出射頻帶寬。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)吉爾伯特上混頻器電路原理圖；

圖2是本發(fā)明高線性寬帶上混頻器電路原理圖；

圖3是轉(zhuǎn)換增益仿真對(duì)比圖；

圖4是輸出1db壓縮點(diǎn)仿真對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖2是本發(fā)明一種高線性度寬帶上混頻器的較佳實(shí)施例的電路原理圖。如圖2所示，本發(fā)明一種高線性度寬帶上混頻器，包括跨導(dǎo)級(jí)單元1、開關(guān)級(jí)單元2和負(fù)載級(jí)單元3。差分中頻信號(hào)的正負(fù)兩端vin+和vin-注入跨導(dǎo)級(jí)單元1，經(jīng)過跨導(dǎo)級(jí)單元1放大信號(hào)然后輸出至開關(guān)級(jí)單元2，開關(guān)級(jí)單元2的輸出連接至負(fù)載級(jí)單元3，開關(guān)級(jí)單元2與差分本征輸入信號(hào)vlo+和vlo-相連，差分射頻信號(hào)vrf-和vrf+從開關(guān)級(jí)單元2和負(fù)載級(jí)單元3之間輸出。

如圖2所示，跨導(dǎo)級(jí)單元1包括主路跨導(dǎo)和輔路跨導(dǎo)。主路跨導(dǎo)由差分nmos管m1-m2、電阻r1-r2、電感l(wèi)1-l2和電容c1-c2構(gòu)成。差分nmos管m1和m2的源極分別接中頻差分輸入vin+和vin-，電感l(wèi)1和l2的正端(l1＝l2)以及電容c1和c2(c1＝c2)的負(fù)端，電感l(wèi)1和l2負(fù)端接地，差分nmos管m1和m2柵極分別接c1和c2的正端以及通過r1和r2接偏置電壓vm，形成電容交叉耦合共柵極差分對(duì)結(jié)構(gòu)。通過合理設(shè)計(jì)c1的值，可以使nmos管m1的源極和柵極的中頻信號(hào)等大反向，因此若對(duì)于nmos管m1自身跨導(dǎo)為gm1，當(dāng)加入耦合電容c1，其等效跨導(dǎo)變?yōu)?gm1，同理，對(duì)于nmos管m2，以上推導(dǎo)亦成立。因此該結(jié)構(gòu)可以有效的提高上混頻器的增益。同時(shí)通過改變?cè)礃O電感l(wèi)1和l2可以改變輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)中頻輸入的寬帶匹配。

輔路跨導(dǎo)由差分nmos管m3-m4、電阻r3-r4、電感l(wèi)3-l4和電容c3-c4構(gòu)成。差分nmos管m3和m4源極分別接電感l(wèi)3和l4(l3＝l4)，nmos管m3柵極分別通過電阻r3接偏置電壓va，通過電容c3連接中頻信號(hào)的負(fù)輸入端vin-，為了保證m3柵極的信號(hào)和m1柵極的信號(hào)相同相位，c3＝c1。nmos管m4柵極分別通過電阻r4接偏置電壓va，通過電容c4連接中頻信號(hào)的正輸入端vin+，為了保證m4柵極的信號(hào)和m2柵極的信號(hào)相同相位，c4＝c2，因?yàn)閏1＝c2)，所以c1＝c2＝c3＝c4。nmos管m3漏極連接至nmos管m1的漏極，nmos管m4漏極連接至nmos管m2的漏極。通過改變輔路差分nmos管m3和m4的尺寸以及偏置電壓va，可以使輔路nmos管的三階跨導(dǎo)與主路nmos管三階跨導(dǎo)具有相反的幅值，而一階跨導(dǎo)符號(hào)相同，因此可以在漏極與主路的三階跨導(dǎo)相抵消，同時(shí)增強(qiáng)一階跨導(dǎo)，從而減少跨導(dǎo)級(jí)單元的三階失真，提高線性度，并提高增益。輔路源極電感l(wèi)3和l4可以使nmos管三階跨導(dǎo)隨偏置電壓變化更加平坦，從而增加混頻器線性度隨偏置電壓的魯棒性。

如圖2所示，開關(guān)級(jí)單元2包括四個(gè)nmos管m5-m8和兩個(gè)電阻r5-r6。nmos管m5和m8柵極互聯(lián)接本征信號(hào)的負(fù)輸入端vlo-，通過電阻r5接偏置電壓vg，nmos管m6和m7柵極互聯(lián)接本振信號(hào)的正輸入端vlo+，通過電阻r6接偏置電壓vg，nmos管m5和m6源極互聯(lián)接輸入跨導(dǎo)級(jí)的nmos管m1和m3的漏極，nmos管m7和m8源極互聯(lián)接輸入跨導(dǎo)級(jí)的nmos管m2和m4的漏極，nmos管m5和m7的漏極互聯(lián)，nmos管m6和m8的漏極互聯(lián)。通過優(yōu)化四個(gè)nmos管m5-m8的尺寸和偏置，使開關(guān)級(jí)單元工作在最佳開關(guān)狀態(tài)，減少由于開關(guān)管引入的非線性。

負(fù)載級(jí)單元3包括兩個(gè)電感l(wèi)5和l6，電感l(wèi)5一端接電源電壓vdd，另一端與nmos管m5和m7的漏極連接并作為上混頻器器的射頻正輸出端vrf+，電感l(wèi)6一端接電源電壓vdd，另一端與nmos管m6和m8連接并作為上混頻器的射頻負(fù)輸出端vrf-。合理設(shè)計(jì)負(fù)載電感l(wèi)5和l6，可以有效增大輸出帶寬。

如圖3所示，本發(fā)明與無輔路跨導(dǎo)、無輔路跨導(dǎo)和主路無交叉耦合電容的功率增益和帶寬對(duì)比，其結(jié)果顯示本發(fā)明設(shè)計(jì)的上混頻器在整個(gè)頻帶內(nèi)增益最高，本發(fā)明上混頻器3db帶寬為68-94ghz，無輔路跨導(dǎo)上混頻器以及無輔路跨導(dǎo)和主路無交叉耦合電容上混頻器3db帶寬均為70-94ghz，結(jié)果顯示本發(fā)明帶寬最寬。

如圖4所示，本發(fā)明與無輔路跨導(dǎo)、無輔路跨導(dǎo)和主路無交叉耦合電容的輸出1db壓縮點(diǎn)對(duì)比，其結(jié)果顯示本發(fā)明設(shè)計(jì)的上混頻器在整個(gè)頻帶內(nèi)線性度最好。

雖然本發(fā)明給出的仿真頻段是68-94ghz，但通過調(diào)整本發(fā)明的元件參數(shù)，本發(fā)明同樣適用于其它頻段。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)除了可以用場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)，也可以用雙極型晶體管實(shí)現(xiàn)。用雙極型晶體管實(shí)現(xiàn)時(shí)，只需要將nmos管替換成npn型三極管，pmos管替換成pnp型三極管即可。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。