一种毫米波CMOS正交混频器电路制造技术

本发明专利技术公开了一种毫米波CMOS正交混频器电路，包括跨导输入级、正交谐振级、开关混频级和输出负载级，跨导输入级接收射频电压信号，进行放大处理将射频电压信号转换为电流信号；正交谐振级将电流信号传输到I路，并通过变压器耦合将转换后的电流信号传输到Q路；开关混频级由本振信号控制，对电流信号进行周期性换向，将频率从射频变换到中频，完成频率下变换；及换向中频电流信号在输出负载级被转换为中频电压；其中，正交谐振级将电流信号转化为两路大小相等、相位差为90度的信号，分别送至I路和Q路，实现了混频器的正交性。本发明专利技术电路在高频下保持较低的功耗，高的转换增益，低的噪声系数，通过设计正交谐振级，取得了良好正交性。

【技术实现步骤摘要】
一种毫米波CMOS正交混频器电路
本专利技术涉及射频集成电路
，具体涉及一种毫米波CMOS正交混频器电路。
技术介绍
毫米波相控阵接收机有着高载波频率，采用简单的调制方案，并能达到高数据速率，可提高空间选择性和频谱效率，是宽带通信的理想解决方案，并且可以应用在无线高清视频，无线USB，对接和即时同步等方面。如图1所示，一种基于射频路径信号相移的毫米波相控阵接收机，只需要一条射频路径，具有很少的硬件占用空间，该结构避免了无关方向上的干扰信号，从而产生更好的信号干扰比，使得接收机性能得到改善。然而这种接收机的混频器部分需要将本振信号搬移为正交的两路信号，并且需要两路混频器实现，这样势必需要能提供正交本振信号的振荡器。通常会消耗额外的振荡器功耗，不适合电子设备小型化、低功耗的要求。如果混频器可以提供正交特性，那么上述问题可以得到解决。注意到正交信号产生的准确性同样重要，因为正交信号的幅度和相位两者的任何不匹配都将导致I路和Q路输出的增益和相位不平衡。现在的无线系统会调制I路和Q路信号中的不同信息，因此幅度和相位的平衡非常关键。传统方法上，正交混频器中的正交发生器可以通过RC-CR多相滤波器实现，然而RC-CR多相滤波器在高频下具有更大的插入损耗，基于CMOS技术的多相滤波器显然不适用于毫米波正交信号发生器的设计。
技术实现思路
本专利技术为解决上述技术问题，本专利技术目的在于提供一种毫米波CMOS正交混频器电路，在高频下保持较低的功耗，高的转换增益，低的噪声系数，通过设计正交谐振级，使得混频器的I路和Q路输出大小相等，相位差为90度，取得了良好的正交性。本专利技术通过下述技术方案实现：一种毫米波CMOS正交混频器电路，包括：跨导输入级、正交谐振级、开关混频级和输出负载级，开关混频级包括I路混频器和Q路混频器；所述跨导输入级接收射频电压信号，进行放大处理将射频电压信号转换为电流信号；所述正交谐振级将转换后的电流信号传输到I路，并通过变压器耦合将转换后的电流信号传输到Q路；所述开关混频级由本振信号控制，对所述电流信号进行周期性换向，将频率从射频变换到中频，完成频率下变换；及换向中频电流信号在所述输出负载级被转换为中频电压；其中，所述正交谐振级将电流信号转化为两路大小相等、相位差为90度的信号，分别送至I路和Q路，实现了混频器的正交性。工作原理是：基于传统方法上，正交混频器中的正交发生器可以通过RC-CR多相滤波器实现，然而RC-CR多相滤波器在高频下具有更大的插入损耗，基于CMOS技术的多相滤波器显然不适用于毫米波正交信号发生器的设计。本专利技术设计了一种毫米波CMOS正交混频器电路，包括：跨导输入级、正交谐振级、开关混频级和输出负载级，且本专利技术电路的正交谐振级、开关混频级和输出负载级均为左右两个完全一样结构；本专利技术通过设计正交谐振级，使得混频器的I路和Q路输出信号大小相等，相位差为90度，实现了良好的正交性；另外I路和Q路两个混频器支路共用一组射频输入端口，实现正交混频的同时利用低功耗的实现。本专利技术电路结构合理，在高频下保持较低的功耗，高的转换增益，低的噪声系数，通过设计正交谐振级，使得混频器的I路和Q路输出大小相等，相位差为90度，取得了良好的正交性。作为进一步地优选方案，所述跨导输入级包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2；所述第一晶体管M1的栅极连接第一电容C1的第一端，第一电容C1的第二端连接射频输入电压信号VRF-，第一晶体管M1的源极连接第一电阻R1的第一端，第一电阻R1的第二端连接射频输入电压信号VRF+，第一晶体管M1的漏极连接第三电感L3的第一端，第三电感L3的第二端连接第三晶体管M3的源极；所述第二晶体管M2的栅极连接第二电容C2的第一端，第二电容C2的第二端连接射频输入电压信号VRF+，第二晶体管M2的源极连接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端连接射频输入电压信号VRF-，第二晶体管M2的漏极连接第四电感L4的第一端，第四电感L4的第二端连接第四晶体管的源极；所述第三晶体管M3的栅极连接偏置电压Vb，第三晶体管M3的源极连接第三电感L3的第二端，第三晶体管M3的漏极连接所述正交谐振级(即第五电感L5的第一端)；所述第四晶体管M4的栅极连接偏置电压Vb，第四晶体管M4的源极连接第四电感L4的第二端，第四晶体管M4的漏极连接所述正交谐振级(即第五电感L5的第二端)。作为进一步地优选方案，所述正交谐振级包括I路正交谐振级和Q路正交谐振级，所述I路正交谐振级和Q路正交谐振级之间通过变压器进行交流耦合；所述I路正交谐振级包括第五电感L5、第三电容C3，所述Q路正交谐振级包括第六电感L6、第四电容C4；所述第五电感L5的第一端连接所述跨导输入级(即第三晶体管M3的漏极)，第五电感L5的第二端连接所述跨导输入级(即第四晶体管M4的漏极)，第五电感L5的第三端连接电源电压VDD；所述第五电感L5与第三电容C3并联，第三电容C3连接对应的开关混频级(即第三电容C3的第一端连接第五晶体管M5源极、第六晶体管M6源极的公共端)；第六电感L6的第一端连接第四电容C4的第一端，第六电感L6的第二端连接第四电容C4的第二端，第六电感L6的第三端连接电源电压VDD；第四电容C4连接对应的开关混频级(即第四电容C4的第一端连接第九晶体管M9源极、、第十晶体管M10源极的公共端)；结合第五电感L5、第六电感L6实现变压器耦合。作为进一步地优选方案，所述变压器的主副线圈耦合系数为k，k的取值范围为0.2～0.3。作为进一步地优选方案，所述变压器的主副线圈之间耦合系数为0.23，主副线圈自感L5＝L6＝210pH。作为进一步地优选方案，所述开关混频级包括I路开关混频器和Q路开关混频器，所述I路开关混频器包括第五晶体管M5、第六晶体管M6、第七晶体管M7和第八晶体管M8，所述Q路开关混频器包括第九晶体管M9、第十晶体管M10、第十一晶体管M11、第十二晶体管M12；所述第五晶体管M5的源极与第六晶体管M6的源极相连接，且其公共端连接第三电容C3的第一端；第七晶体管M7的源极与第八晶体管M8的源极相连接，且其公共端连接第三电容C3的第二端；第九晶体管M9的源极与第十晶体管M10的源极相连接，且其公共端连接第四电容C4的第一端；第十一晶体管M11的源极与第十二晶体管M12的源极相连接，且其公共端连接第四电容C4的第二端；第五晶体管M5的栅极连接本振电压信号VLO+，第五晶体管M5的漏极连接第三电阻R3的第一端；第六晶体管M6的栅极连接本振电压信号VLO-，第六晶体管M6的漏极连接第四电阻R4的第一端；第七晶体管M7的栅极连接本振电压信号VLO-；第七晶体管M7的漏极连接第三电阻R3的第一端；第八晶体管M8的栅极连接本振电压信号VLO+，第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种毫米波CMOS正交混频器电路，其特征在于，包括：跨导输入级、正交谐振级、开关混频级和输出负载级，开关混频级包括I路混频器和Q路混频器；/n所述跨导输入级接收射频电压信号，进行放大处理将射频电压信号转换为电流信号；/n所述正交谐振级将转换后的电流信号传输到I路，并通过变压器耦合将转换后的电流信号传输到Q路；/n所述开关混频级由本振信号控制，对所述电流信号进行周期性换向，将频率从射频变换到中频，完成频率下变换；及换向中频电流信号在所述输出负载级被转换为中频电压；/n其中，所述正交谐振级将电流信号转化为两路大小相等、相位差为90度的信号，分别送至I路和Q路，实现了混频器的正交性。/n

【技术特征摘要】
1.一种毫米波CMOS正交混频器电路，其特征在于，包括：跨导输入级、正交谐振级、开关混频级和输出负载级，开关混频级包括I路混频器和Q路混频器；
所述跨导输入级接收射频电压信号，进行放大处理将射频电压信号转换为电流信号；
所述正交谐振级将转换后的电流信号传输到I路，并通过变压器耦合将转换后的电流信号传输到Q路；
所述开关混频级由本振信号控制，对所述电流信号进行周期性换向，将频率从射频变换到中频，完成频率下变换；及换向中频电流信号在所述输出负载级被转换为中频电压；
其中，所述正交谐振级将电流信号转化为两路大小相等、相位差为90度的信号，分别送至I路和Q路，实现了混频器的正交性。


2.根据权利要求1所述的一种毫米波CMOS正交混频器电路，其特征在于，所述跨导输入级包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2；
所述第一晶体管M1的栅极连接第一电容C1的第一端，第一电容C1的第二端连接射频输入电压信号VRF-，第一晶体管M1的源极连接第一电阻R1的第一端，第一电阻R1的第二端连接射频输入电压信号VRF+，第一晶体管M1的漏极连接第三电感L3的第一端，第三电感L3的第二端连接第三晶体管M3的源极；
所述第二晶体管M2的栅极连接第二电容C2的第一端，第二电容C2的第二端连接射频输入电压信号VRF+，第二晶体管M2的源极连接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端连接射频输入电压信号VRF-，第二晶体管M2的漏极连接第四电感L4的第一端，第四电感L4的第二端连接第四晶体管的源极；
所述第三晶体管M3的栅极连接偏置电压Vb，第三晶体管M3的源极连接第三电感L3的第二端，第三晶体管M3的漏极连接所述正交谐振级；
所述第四晶体管M4的栅极连接偏置电压Vb，第四晶体管M4的源极连接第四电感L4的第二端，第四晶体管M4的漏极连接所述正交谐振级。


3.根据权利要求1所述的一种毫米波CMOS正交混频器电路，其特征在于，所述正交谐振级包括I路正交谐振级和Q路正交谐振级，所述I路正交谐振级和Q路正交谐振级之间通过变压器进行交流耦合；所述I路正交谐振级包括第五电感L5、第三电容C3，所述Q路正交谐振级包括第六电感L6、第四电容C4；
所述第五电感L5的第一端连接所述跨导输入级，第五电感L5的第二端连接所述跨导输入级，第五电感L5的第三端连接电源电压VDD；所述第五电感L5与第三电容C3并联，第三电容C3连接对应的开关混频级；
第六电感L6的第一端连接第四电容C4的第一端，第六电感L6的第二端连接第四电容C4的第二端，第六电感L6的第三端连接电源电压VDD；第四电容C4连接对应的开关混频级；
结合第五电感L5、第六电感L6实现变压器耦合。


4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭本青，王雪冰，刘海峰，邬经伟，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：四川;51