毫米波混頻器的優(yōu)化設(shè)計

何一芥

摘要：近年來，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，毫米波通信系統(tǒng)中對帶寬和線性度性能的要求越來越高。混頻器是接收機中能直接影響接收機的整體線性度的關(guān)鍵器件之一。由于其輸入信號的頻率范圍通常彼此重疊，難免出現(xiàn)互調(diào)，故混頻器難以同時獲得高線性度、高增益、低功耗和寬帶等性能。此次項目所設(shè)計的混頻器采用單平衡結(jié)構(gòu)，通過仿真測試單平衡混頻器在15dBmLO驅(qū)動下，在7-34GHz帶寬上，具有27dBm以上的IIP3，轉(zhuǎn)換損耗小于11dB。

關(guān)鍵詞：混頻器;單平衡;雙平衡;高線性度;寬帶

0引言

近年來人們對無線通信系統(tǒng)的容量和傳輸速率的要求不斷提高，無線電頻譜的低端頻段已無法滿足現(xiàn)代通信的需求，因而研究高速率、寬頻帶的微波/毫米波通信系統(tǒng)已成為關(guān)注的焦點。收發(fā)機前端電路是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，包括天線、低噪聲放大器、功率放大器、混頻器、開關(guān)等功能模塊?；祛l器作為前端電路的重要組成部分提高其線性度和帶寬更是研究的熱點。為提高混頻器的IIP3與帶寬，打算從元器件建模技術(shù)與電路架構(gòu)兩方面展開研究。

本文在傳統(tǒng)的雙平衡結(jié)構(gòu)上通過調(diào)整漏極偏置條件，大大改善了其線性度，在輸入、輸出端引入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，從而提高其帶寬。

1電路分析與設(shè)計

1.1???? 電路分析

混頻器的輸入信號分別定義為射頻信號RF（RadioFrequency），頻率記為ωRF和本振信號LO（LocalOscillator），頻率記為ωLO，混頻器的輸出信號定義為中頻信號IF（IntermediateFrequency），頻率記為ωIF。則混頻器的模型為：

根據(jù)上式可得，只要電路中構(gòu)成這兩個信號的乘積，即可實現(xiàn)混頻。目前，混頻器電路主要以下幾種方法實現(xiàn)本振信號和射頻信號的乘積：

1）???? 電路或器件的非線性特性實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換。這類混頻器最典型的是二極管混頻器，主要利用二極管電壓到電流的指數(shù)特性。

2）???? 構(gòu)成電路乘法器。這類混頻器主要是把模擬乘法器的電路結(jié)構(gòu)應(yīng)用于射頻領(lǐng)域的頻譜搬移，最為典型的吉爾伯特乘法器的應(yīng)用，到目前為止，吉爾伯特混頻器是應(yīng)用最為廣泛的電路結(jié)構(gòu)。

3）???? 開關(guān)調(diào)制實現(xiàn)頻率和變換。開關(guān)調(diào)制混頻器數(shù)學(xué)模型。SLO，SRF和SIF分別表示本振信號，射頻信號和中頻信號。在本振信號的作用下，IF信號以本振信號頻率在+SRF和-SRF之間來回切換，若射頻信號和本振信號定義如下：

中頻信號為：

將S_LO進行傅里葉級數(shù)變換展開得中頻輸出會出現(xiàn)以本振信號奇次諧波為中心的上下邊帶變頻分量。雖然吉爾伯特電路原是用于模擬乘法器，但是現(xiàn)在，吉爾伯特混頻器已發(fā)展成為開關(guān)型混頻器的典型電路，吉爾伯特單元電路的混頻器成為當(dāng)前混頻器領(lǐng)域中最主流的電路結(jié)構(gòu)。電路如圖1所示。

1.2???? 電路設(shè)計

改進型混頻器如圖2所示，混頻器核心由兩個有不同偏置的門控FFT組成。LO信號VLO+和VLO-分別被注入M1，M2和M3，M4的柵極，驅(qū)動FFT的溝道電阻。RF信號通過FFT漏極處的高通濾波器饋送，F(xiàn)ET的漏極處的RF信號相位相等。差分LO信號由三線邊緣耦合線Marchand巴倫產(chǎn)生。電容C1-C4、C9、C10是隔直電容，并與偏置電阻形成具有整形功能的RC網(wǎng)絡(luò)。IF信號通過二階低通濾波器從漏極輸出。漏極偏置通過外部L4和L5施加。在IF頻率下，L4和L5的阻抗很大，以避免IF信號的衰減。在輸出端，兩個異相IF信號通過巴倫匹配輸出。

2高線性度與寬帶分析

2.1???? 高線性度分析

在混頻器中，F(xiàn)FT由柵極處的LO信號控制，RF由漏極輸入。則漏極電流id（vg，vd）可以表示為：

其中?? 是i階跨導(dǎo)。IM3由三階項產(chǎn)生。因此，為了提高線性度，F(xiàn)FT的三階跨導(dǎo)gd3應(yīng)盡可能小。而跨導(dǎo)的大小由晶體管的實際電路模型控制。CMOS選擇用0.25μmGaAs高電子遷移率晶體管。為進一步提升線性度，采用多柵配置。

2.2???? 寬帶分析

在LO端口，晶體管的溝道電阻在Rmin和Rmax之間，端口電阻較大。為減少幅度和相位的不平衡將端口的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)為7～35GHz、Z0=100ΩDE三耦合線巴倫。為了節(jié)約空間，使用螺旋式，每個結(jié)構(gòu)的中間有兩個通孔，用于去耦合和減小寄生電容。

3測試與結(jié)論

本次仿真設(shè)計的混頻器的射頻信號輸入頻率范圍為7-34GHz。經(jīng)測試在VG1=-1.2V，VG2=-0.8V，VD=0.5V，PRF=0.5V，在15dBm的LO功率下，7-34GHz的轉(zhuǎn)換損耗為5至11dB。測量的IIP3為27-33dBm。

4總結(jié)

在本文中，介紹了高度線性寬帶混頻器的喲花。將最佳漏極偏置條件和電阻式混頻器相結(jié)合以提高混頻器的線性度，并對設(shè)計電路進行了仿真測試。SB混頻器在7至34GHz的15dBmLO驅(qū)動下實現(xiàn)小于11dB的轉(zhuǎn)換損耗和IIP3的為27-33dBm。

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2018年度湖北省教育廳科學(xué)計劃指導(dǎo)性項目項目編號：B2018396.