一种应用于5G通信的高隔离度宽带毫米波混频器制造技术

本发明专利技术属于无线通信技术领域，涉及混频器，具体为一种应用于5G通信的高隔离度宽带毫米波混频器，包括：跨导级单元1、电磁耦合单元2、开关级单元3、负载级单元4和缓冲级单元5。本发明专利技术为基于CMOS工艺的电磁耦合式共栅结构混频器，采用共栅的输入跨导级有利于系统级设计，无需额外的匹配网络就能实现宽带匹配；中间引入的变压器网络，标准电感L

A high isolation broadband millimeter wave mixer for 5g communication

The invention belongs to the technical field of wireless communication, and relates to a mixer, in particular to a high isolation broadband millimeter wave mixer applied to 5g communication, which comprises a transconductance stage unit 1, an electromagnetic coupling unit 2, a switch stage unit 3, a load stage unit 4 and a buffer stage unit 5. The invention is an electromagnetic coupling type common gate structure mixer based on CMOS technology. Adopting the common gate input transconductance stage is conducive to the system level design, and broadband matching can be realized without additional matching network; the transformer network introduced in the middle, standard inductance L

【技术实现步骤摘要】
一种应用于5G通信的高隔离度宽带毫米波混频器
本专利技术属于无线通信
，涉及混频器，具体为一种应用于5G通信的高隔离度宽带毫米波混频器。
技术介绍
由于毫米波(MMW)频段可以提供足够宽的工作带宽，毫米波技术被广泛应用于射频光纤(ROF)传输，无线高清(WirelessHD)和无线个域网(WPAN)等高速无线通信系统中,其中混频器作为发射机系统中的重要组成部分，在整个通信系统中有着举足轻重的作用。由于CMOS工艺性能的局限性，如频率越高，线性度越低、噪声性能越差等严重制约了其在毫米波电路设计中的应用，这决定了CMOS工艺不适合毫米波芯片电路的设计，在毫米波波段采用CMOS工艺来设计毫米波混频器是十分具有挑战性。但是CMOS的低成本、易于和数字电路集成等优点，同时近几年CMOS工艺技术的不断提升其截止频率也得到显著提高；这使得研究在毫米波波段的CMOS工艺混频器，对降低相关产品的生产成本和普及高速无线通信系统具有很重要的意义。目前传统的共源级形式的吉尔伯特拓扑结构混频器被广泛应用于无线发射机中，其电路图如图1所示，其具有较高的增益和端口隔离度，但是在毫米波频段有些性能会恶化，如噪声性能不佳、带宽受限等，不能满足5G通信大宽带，高灵密度的要求，同时需要额外的输入匹配网络增加了插入损耗，占用了额外的芯片面积，不利于5G通信背景下为万物互联降低成本，增加社会效益。因此，基于下一代移动通信的发展要求和万物互联的愿景，设计一款应用于5G通信的高隔离度宽带的混频器具有广泛应用前景和价值。
技术实现思路
<br>本专利技术的目的在于针对上述问题，提供一种应用于5G通信的高隔离度宽带毫米波混频器；本专利技术为基于CMOS工艺的电磁耦合式共栅结构混频器，采用共栅的输入跨导级有利于系统级设计，无需额外的匹配网络就能实现宽带匹配；中间引入的变压器网络，标准电感LP能够抵消级间寄生电容，从而减少噪声，提高增益，差分电感LS能够匹配以及构成反馈需要，进一步提高增益；同时，电路结构对称可以在实际版图实施时做到很好的对称这有益于混频器的隔离度。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种应用于5G通信的高隔离度宽带毫米波混频器，包括：跨导级单元1、电磁耦合单元2、开关级单元3、负载级单元4和缓冲级单元5；其特征在于：所述跨导级单元1包括NMOS管M1、NMOS管M2，所述电磁耦合单元2包括差分电感Ls1、差分电感Ls2、标准电感Lp1及标准电感Lp2；其中，所述NMOS管M1漏级连接标准电感LP1、栅极接偏置电压Vbias1、源级接差分电感Ls1后到地，所述NMOS管M2漏级连接标准电感LP2、栅极接偏置电压Vbias2、源级接源级接差分电感Ls2后到地；射频信号输入正端经过电容C1后连接NMOS管M1源级，射频信号的负输入端经过电容C2后连接NMOS管M2源级；所述开关级单元3包括NMOS管M3NMOS管M4、NMOS管M5及NMOS管M6，其中，NMOS管M4和NMOS管M5栅极互联接本振信号的负输入端，NMOS管M3和NMOS管M6栅极互联接本振信号的正输入端，NMOS管M3和NMOS管M4源极互联接标准电感Lp1，NMOS管M5和NMOS管M6源极互联接标准电感Lp2，NMOS管M3和NMOS管M5的漏极互联，NMOS管M4和NMOS管M6的漏极互联；所述负载级单元4包括两个相同电感L3、L4，电感L3一端接电源电压VDD、另一端与NMOS管M3和NMOS管M5的漏极连接并作为中频信号正输出端，电感L4一端接电源电压VDD、另一端与NMOS管M4和NMOS管M6的漏极连接并作为中频信号负输出端；所述缓冲级单元5包括两个相同跨阻放大器分别放置在中频信号正输出端和中频信号负输出端，所述跨阻放大器由电组、NMOS管、PMOS管及耦合电容组成，其中，所述耦合电容一端连接中频信号输出端、另一端连接电组，电阻另一端作为混频器中频信号输出端，NMOS管源级接地、栅极和漏级并接于电阻两端，PMOS管的栅级和漏级分别与NMOS管栅级和漏极对应连接、源级接电源电压VDD。从工作原理上讲，本专利技术包括：跨导级单元、电磁耦合单元、开关级单元、负载级单元、缓冲级单元；射频信号经跨导级放大，经电磁耦合到开关级即漏极到源极的正反馈，在开关级单元与本振信号进行混频，最后差分中频信号在负载级单元和开关级单元之间输出至缓冲级以增大输出驱动能力；该结构具有节约电路结构、装换增益高，噪声性能好，高隔离大带宽的特点，适用于5G毫米波通信。综上，与传统吉尔伯特上混频器相比，本专利技术的优势及显著效果在于：1、在毫米波频段采用电磁耦合的共栅结构，差分电感个标准电感分别堆叠在顶层金属层和次顶层金属层同时对称成两个环，以获得高的Q值，以获得良好的噪声性能；差分电感提供高阻避免射频输入信号泄露到地，来保证较高的转换增益；标准电感作为峰值电感串联在跨导级和开关级之间，与开关级单元源级到地的寄生电容组成谐振网络以抵消掉寄生效应，从而提高转换增益和噪声性能。2、电磁耦合技术使共栅级的跨导增大，标准电感和差分电感在漏源级之间形成一个正反馈，当输入端的的输入电流iin增加，标准电感感应输出电流iout并产生的环路电流iloop通过差分电感到输入端，环路电流iloop有同样的相位与输入电流iin相位相同，以此来使源级到负载级的电流增益更大。3、采用电磁耦合的共栅结构节省了额外的输入匹配单元，节省芯片面积，减少插入损耗，采用全对称电路结构，可以克服信号泄露，获得优秀的隔离度，以适用越来越复杂的移动通信环境和5G通信高带宽高稳定的要求。附图说明图1为传统的吉尔伯特拓扑结构混频器电路原理图。图2为本专利技术应用于5G通信的高隔离度宽带毫米波混频器电路原理图。图3为本专利技术实施例中电磁耦合单元的仿真模型示意图。图4为本专利技术实施例中跨导级半边等效的小信号电路示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。本实施例提出了一种新型应用于5G通信的高隔离度宽带毫米波混频器，其电路结构示意图如图2所示；包括：跨导级单元1、电磁耦合单元2、开关级单元3、负载级单元4和缓冲级单元5；差分射频信号的正负两端VRF+和VRF-注入跨导级单元1，经过跨导级单元1完成压流转换，放大信号，然后输出至电磁耦合单元2的标准电感，标准电感与差分电感电磁耦合形成环路电流，同时标准电感感应出输出电流到开关级单元3，开关级单元3与差分本征输入信号VLO+和VLO-相连，差分中频信号VIF+和VIF-从开关级单元3和负载级单元4之间输出，经电容耦合由缓冲级单元5输出。所述跨导级单元1包括一对差分NMOS管对M1、M2、构成射频差分共栅输入电路结构；所述NMOS管M1漏级接标准电感LP1一端，栅极接偏置电压Vbias1，源级接电容C1后连接射频信号输入正端、即RF+；NMOS管M2漏级接标准电感LP2一端，栅极接偏置电压Vbias2(Vbias1＝Vbias2)，源级接电容C2后连接射频信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于5G通信的高隔离度宽带毫米波混频器，包括：跨导级单元(1)、电磁耦合单元(2)、开关级单元(3)、负载级单元(4)和缓冲级单元(5)；其特征在于：/n所述跨导级单元(1)包括NMOS管M

【技术特征摘要】
1.一种应用于5G通信的高隔离度宽带毫米波混频器，包括：跨导级单元(1)、电磁耦合单元(2)、开关级单元(3)、负载级单元(4)和缓冲级单元(5)；其特征在于：
所述跨导级单元(1)包括NMOS管M1、NMOS管M2，所述电磁耦合单元2包括差分电感Ls1、差分电感Ls2、标准电感Lp1及标准电感Lp2；其中，所述NMOS管M1漏级连接标准电感LP1、栅极接偏置电压Vbias1、源级接差分电感Ls1后到地，所述NMOS管M2漏级连接标准电感LP2、栅极接偏置电压Vbias2、源级接源级接差分电感Ls2后到地；射频信号输入正端经过电容C1后连接NMOS管M1源级，射频信号的负输入端经过电容C2后连接NMOS管M2源级；
所述开关级单元(3)包括NMOS管M3NMOS管M4、NMOS管M5及NMOS管M6，其中，NMOS管M4和NMOS管M5栅极互联接本振信号的负输入端，NMOS管M3和NMOS管M6栅极互联接本振信号的正...

【专利技术属性】
技术研发人员：康凯，李朋林，吴韵秋，赵晨曦，刘辉华，余益明，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51