一种高增益高隔离毫米波双平衡无源亚谐波混频器制造技术

本发明专利技术公开了一种高增益高隔离毫米波双平衡无源亚谐波混频器，包括有源巴伦射频输入级、无源巴伦本振输入级、无源亚谐波混频级和跨阻输出级。有源巴伦放大射频信号和无源巴伦产生的本振差分信号进行亚谐波混频，经跨阻放大器输出中频信号。混频级采用本振信号从晶体管源极注入，射频信号从栅极注入，提高转换增益。有源巴伦基于共源共栅差分对结构，加入交叉耦合管，提高幅度和相位一致性。跨阻放大器利用交叉耦合结构增强增益，降低输入和输出阻抗，提高输入电流放大能力和输出驱动能力，进一步提高转换增益。该无源亚谐波混频器具有转换增益高、端口隔离度高等特点，适用于单端输入，差分输出混频应用场合。

【技术实现步骤摘要】
一种高增益高隔离毫米波双平衡无源亚谐波混频器
本专利技术涉及无源混频器，具体是一种高增益高隔离毫米波双平衡无源亚谐波混频器，可以用于Ka波段集成接收机前端射频信号的混频，属于微波射频接收机

技术介绍
亚谐波混频器利用本振信号的二次谐波和射频信号混频，其本振信号频率仅为基波混频器本振信号频率的一半，这大大降低了本振信号源的设计难度和成本，因此更适合应用于微波频段。有源亚谐波混频器基于传统的吉尔伯特单元，但对本振信号提出了特殊的要求，需要四相位正交本振信号或者其它更复杂的结构，相比之下，无源亚谐波混频器更具有优势。常用的无源混频器有两种结构：单平衡结构和双平衡结构。单平衡结构设计相对简单但混频失真较大，双平衡结构设计相对复杂但混频失真较小。双平衡混频器需要巴伦将单端输入信号变为差分信号。巴伦分为无源巴伦和有源巴伦：无源巴伦具有对称性好、结构简单等优点，但存在天然的3dB损耗；有源巴伦能够提供一定的增益、面积紧凑，但由于有源器件的寄生效应，限制工作频率的提高。常见的有源巴伦包括共源-共栅结构、共源-共漏结构、差分对结构等，但这些结构需要根据工作频率仔细设计电路参数，以达到输出信号幅度和相位一致性，并且随着频率提高，由于寄生效应带来的幅度和相位不平衡更加明显。无源混频器的输出级是跨阻放大器，为了提高转换增益和输出驱动能力，需要降低跨阻放大器的的输入阻抗和输出阻抗。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种毫米波双平衡无源亚谐波混频器，具有转换增益高、隔离度高、设计移植性好等特点，适用于单端输入、双端输出的混频应用场合。技术方案：一种高增益高隔离双平衡无源亚谐波混频器，包括单端转差分有源巴伦输入级、双平衡亚谐波混频级以及差分转单端跨阻放大输出级。有源巴伦将射频输入信号放大并产生差分信号，然后和本振信号进行亚谐波混频，经跨阻放大器形成中频电压输出。有源巴伦基于共源共栅差对结构，利用交叉耦合管，引入一条平衡通路，补偿高频下因寄生电容引起的幅度和相位不平衡，提高射频输入信号在微波波频段的幅度和相位一致性。本振信号注入混频晶体管源极与栅极注入的射频信号实现亚谐波混频，该双平衡结构具有较低的变频损耗和较高的端口隔离度。中频跨阻放大器利用交叉耦合结构增强环路增益，降低输入和输出阻抗，提高输入电流放大能力和输出驱动能力，进一步提高转换增益。有源巴伦输入级模块，主要包括差分对输入晶体管M2和M3、共栅极晶体管M6和M7、交叉耦合晶体管M4和M5、电流源偏置晶体管M1、负载电感L2。晶体管M2的栅极分别连接电容C1的另一端和电阻R1的一端，晶体管M3的栅极分别连接电容C2的一端和电阻R2的一端；晶体管M2和M3的源极短接，并连接晶体管M1的漏端；所述晶体管M1的源极连接电感L1的一端；晶体管M2的漏极分别连接晶体管M4的栅极、晶体管M6的源极，晶体管M3的漏极分别连接晶体管M5的栅极、晶体管M7的源极；晶体管M6的栅极分别连接电容C3的一端、电阻R3的一端，晶体管M7的栅极分别连接电容C4的一端、电阻R4的一端；晶体管M5的漏极分别连接晶体管M6的漏极、差分电感L2的一端、电容C5的一端，晶体管M4的漏极分别连接晶体管M7的漏极、差分电感L2的另一端、电容C6的一端；第一偏置电压Vb1连接晶体管M1的栅极；第二偏置电压Vb2分别连接电阻R1、R2的另一端；第三偏置电压Vb3分别连接电阻R3、R4的另一端；电源端VDD连接差分电感L2的中间抽头；晶体管M4、M5的源端接地，电容C2、C3、C4的另一端接地，电感L1的另一端接地。无源亚谐波混频级模块，包括混频晶体管M8、混频晶体管M9、混频晶体管M10、混频晶体管M11、级间匹配电路和中频输出低通滤波电路。射频同相输入节点F连接电感L3的一端和电容C7的一端，射频反相输入节点G连接电感L4的一端和电容C8的一端；所述晶体管M8和M9的栅极短接，并分别连接电容C7的另一端、电阻R5的一端、电阻R6的一端；所述晶体管M8和M9的漏极短接，并分别连接电容C9的另一端、电感L5的一端；电容C10的一端连接电感L5的另一端；所述晶体管M10的栅极和晶体管M11的栅极短接，并分别连接电容C8的另一端、电阻R7的一端、电阻R8的一端；所述晶体管M10的漏极和晶体管M11的漏极短接，并分别连接电容C11的另一端、电感L6的一端；电容C12的一端连接电感L6的另一端；所述晶体管M8和M10的源极短接，并连接无源巴伦的同相输出端；所述晶体管M9和M111的源极短接，并连接无源巴伦的反相输出端；电感L3和L4的另一端接地，电容C9、C10、C11和C12的另一端接地；第四偏置电压Vb4分别连接电阻R5、R6、R7、R8的另一端。中频跨阻放大级模块，主要包括共源放大晶体管M13和M18、源跟随输出晶体管M16和M21、交叉耦合晶体管M14和M19、电流源偏置晶体管M12、M17、M15、M20，反馈电阻R9、R10。晶体管M13的栅极分别连接电容C13的另一端、晶体管M12的漏极、反馈电阻R9的一端，晶体管M18的栅极分别连接电容C14的另一端、晶体管M17的漏极、反馈电阻R10的一端；晶体管M13的漏极分别连接晶体管M15的漏极、晶体管M16的栅极，晶体管M18的漏极分别连接晶体管M20的漏极、晶体管M21的栅极；晶体管M16的源极分别连接电阻R9的另一端、晶体管M14的漏极、晶体管M19的栅极、跨阻放大输出级的反相输出端IF-，晶体管M21的源极分别连接电阻R10的另一端、晶体管M19的漏极、晶体管M14的栅极、跨阻放大输出级的反相输出端IF+；第五偏置电压分别连接晶体管M12和晶体管M17的栅极；第六偏置电压分别连接晶体管M15和晶体管M20的栅极；电源端VDD分别连接晶体管M15、M16、M20、M21的漏极；晶体管M12、M13、M14、M17、M18、M19的源极接地。有益效果：射频输入模块采用有源巴伦，实现单端输入信号转差分信号，提供一定的增益和反向隔离度；其中交叉耦合管引入平衡通路，保证毫米波频段具有较好的幅度和相位一致性。混频级模块由于采用了双平衡结构，提高了本振到射频和本振到中频端口的隔离度；本振信号从混频晶体管源极注入、射频信号从混频晶体管栅极注入，该亚谐波混频结构使得变频损耗较小。中频跨阻放大器的交叉耦合结构，在同等偏置电流下，提高了环路增益，降低了输入和输出阻抗，提高了混频器的转换增益。综上所述，本专利技术提供的双平衡无源混频器能实现亚谐波混频功能，具有转换增益高、隔离度高、设计移植性好等特点。附图说明图1是本专利技术的高增益高隔离双平衡无源亚谐波混频器整体电路图。图2是本专利技术的有源巴伦输入级电路图。图3是本专利技术的跨阻放大输出级电路图。图4是本专利技术的毫米波双平衡无源亚谐波混频器转换增益随频率变化仿真曲线。图5是本专利技术的毫米波双平衡无源亚谐波混频器各端口隔离度仿真曲线。具体实施方式为了使本专利技术的目的和优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的说明。如图1所示，毫米波双平衡无源亚谐波混频器包括：无源亚谐波混频级10和20、有源巴伦射频信号输入级30、无源巴伦本振信号输入级40和跨阻放大输出级50。射频输入信号RF经有源巴伦输入级30产生同相射频信号vRF+和反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高增益高隔离毫米波双平衡无源亚谐波混频器，包括有源巴伦射频输入级、无源巴伦本振输入级、无源亚谐波混频级和中频跨阻放大级；其特征在于：有源巴伦将射频输入信号放大并产生差分信号，然后和无源巴伦产生的差分本振信号的二次谐波混频，经跨阻放大器形成中频电压输出。

【技术特征摘要】
1.一种高增益高隔离毫米波双平衡无源亚谐波混频器，包括有源巴伦射频输入级、无源巴伦本振输入级、无源亚谐波混频级和中频跨阻放大级；其特征在于：有源巴伦将射频输入信号放大并产生差分信号，然后和无源巴伦产生的差分本振信号的二次谐波混频，经跨阻放大器形成中频电压输出。2.根据权利要求书1所述的高增益高隔离毫米波双平衡无源亚谐波混频器，其特征在于：有源巴伦输入级模块，主要包括差分对输入晶体管M2和M3、共栅极晶体管M6和M7、交叉耦合晶体管M4和M5、电流源偏置晶体管M1、负载电感L2；单端射频信号RF经隔直电容C1输入，最后经隔直电容C6和C5分别在点F和点G输出同相射频信号vLO+和反相射频信号vLO-；所述晶体管M2的栅极分别连接电容C1的另一端和电阻R1的一端，晶体管M3的栅极分别连接电容C2的一端和电阻R2的一端；晶体管M2和M3的源极短接，并连接晶体管M1的漏端；所述晶体管M1的源极连接电感L1的一端；晶体管M2的漏极分别连接晶体管M4的栅极、晶体管M6的源极，晶体管M3的漏极分别连接晶体管M5的栅极、晶体管M7的源极；晶体管M6的栅极分别连接电容C3的一端、电阻R3的一端，晶体管M7的栅极分别连接电容C4的一端、电阻R4的一端；晶体管M5的漏极分别连接晶体管M6的漏极、差分电感L2的一端、电容C5的一端，晶体管M4的漏极分别连接晶体管M7的漏极、差分电感L2的另一端、电容C6的一端；第一偏置电压Vb1连接晶体管M1的栅极；第二偏置电压Vb2分别连接电阻R1、R2的另一端；第三偏置电压Vb3分别连接电阻R3、R4的另一端；电源端VDD连接差分电感L2的中间抽头；晶体管M4、M5的源端接地，电容C2、C3、C4的另一端接地，电感L1的另一端接地。3.根据权利要求书1和2所述的高增益高隔离毫米波双平衡无源亚谐波混频器，其特征在于：无源亚谐波混频级模块，包括混频晶体管M8、混频晶体管M9、混频晶体管M10、混频晶体管M11、级间匹配电路和中频输出低通滤波电路；同相射频信号vLO+和反相射频信号vLO-分别在点F和点G注入无源亚谐波混频级，经电感L3和电容C7、电感L4和电容C8组成的级间匹配电路分别注入晶体管M8和M9、晶体管M10和M11的栅极，混频电流分别从晶体管M8和M9的漏极、晶体管M10和M11的漏极产生，晶体管M8和M9产生的中频电流经过电感L5、电容C9和电容C10组成的低通电路后产生iIF+，晶体管M10和M...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓春，龚敏，高博，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51