一種短波寬帶雙平衡混頻器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種短波寬帶雙平衡混頻器，包括RF寬帶阻抗變換器、RF寬帶巴倫、LO阻抗變換器、LO寬帶巴倫、IF寬帶阻抗變換器、IF寬帶巴倫、RF/IF寬帶巴倫、開關(guān)混頻級(jí)電路。其中寬帶阻抗變換器采用雙線傳輸線變壓器實(shí)現(xiàn)，寬帶巴倫采用三線傳輸線變壓器實(shí)現(xiàn)，開關(guān)混頻級(jí)電路由八個(gè)NMOS管組成。本結(jié)構(gòu)利用阻抗變換器進(jìn)行寬帶匹配，利用巴倫進(jìn)行輸入輸出信號(hào)非平衡-平衡轉(zhuǎn)換，利用場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)特性實(shí)現(xiàn)無源混頻。本發(fā)明的混頻器在不增加現(xiàn)有混頻器損耗和功耗的前提下，利用改進(jìn)的平衡結(jié)構(gòu)提高混頻器的線性性能。
【專利說明】一種短波寬帶雙平衡混頻器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線通信的混頻器領(lǐng)域，具體涉及一種短波寬帶雙平衡混頻器。
【背景技術(shù)】
[0002]短波(1.5?30MHz)以其特有的靈活性、方向性、可靠性、抗毀性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、損耗小等特點(diǎn)，在廣播、導(dǎo)航和軍事領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用。圖1為一典型超外差接收機(jī)的原理框圖，其作用是可將天線接收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，供后端AD進(jìn)行采樣及數(shù)字信號(hào)處理。接收機(jī)包括射頻濾波器、低噪聲放大器、混頻器、中頻濾波器、中頻放大器。隨著電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，短波頻段頻譜資源緊張，信道間干擾更加嚴(yán)重，為避免對(duì)虛假信號(hào)的響應(yīng)，對(duì)接收機(jī)的線性提出了更高的要求。由于中頻鏈路通常采用反饋或基于運(yùn)放的結(jié)構(gòu)構(gòu)建，且中頻濾波器可以濾除帶外信號(hào)，因此射頻鏈路限制了系統(tǒng)整體線性。根據(jù)線性級(jí)聯(lián)公式，位于射頻鏈路末端的混頻器決定了射頻鏈路的線性。因此混頻器作為接收機(jī)核心器件之一，其線性性能直接影響接收機(jī)系統(tǒng)性能。
[0003]混頻器根據(jù)有無直流電的特性可分為有源混頻器和無源混頻器，無源混頻器因其無直流電流過混頻器元件，其閃爍噪聲遠(yuǎn)小于有源混頻器，且無源混頻器較有源混頻器有更好的線性性能而得以廣泛應(yīng)用。無源混頻器根據(jù)組成元件可分為二極管無源混頻器和場(chǎng)效應(yīng)管無源混頻器。場(chǎng)效應(yīng)管是一種壓控型多數(shù)載流子導(dǎo)電的器件，沒有少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng)，因此非常適合高速工作的要求。場(chǎng)效應(yīng)管輸入電壓信號(hào)的線性動(dòng)態(tài)范圍大、噪聲系數(shù)低，更適合于高線性度的電路設(shè)計(jì)。場(chǎng)效應(yīng)管混頻器一般采用單平衡結(jié)構(gòu)和雙平衡結(jié)構(gòu)，單平衡結(jié)構(gòu)混頻器設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但存在LO到IF的饋通，且其混頻失真較大，因此雙平衡混頻器以其特有的線性優(yōu)勢(shì)和高隔離度具有很高的研究和應(yīng)用價(jià)值。
[0004]現(xiàn)有雙平衡混頻器，采用四個(gè)MOS管對(duì)接結(jié)構(gòu)，此種混頻器利用較大幅度的本振信號(hào)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，使其在本振信號(hào)的正負(fù)半周分別導(dǎo)通，但四管結(jié)構(gòu)的雙平衡混頻器只能排除三階交調(diào)信號(hào)的干擾，對(duì)混頻器的二階交調(diào)并無貢獻(xiàn)，因此為保證接收機(jī)整體性能，通常在混頻器前端增加濾波器組，通過對(duì)帶外信號(hào)的抑制來提高二階。由于前端濾波器組的增加，根據(jù)噪聲級(jí)聯(lián)公式，濾波器組所引入的噪聲系數(shù)會(huì)使接收機(jī)的噪聲系數(shù)直接增大，且濾波器組占有較大體積，對(duì)接收機(jī)小型化、模塊化的設(shè)計(jì)目標(biāo)帶來一定限制。
[0005]因此，同時(shí)具有良好二階和三階交調(diào)線性度的混頻器成為高線性接收系統(tǒng)的迫切需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服了混頻器的二階和三階非線性干擾，解決了現(xiàn)有混頻器線性不足的技術(shù)狀態(tài)。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種短波寬帶雙平衡混頻器，包括:RF寬帶阻抗變換器、RF寬帶巴倫、LO寬帶阻抗變換器、LO寬帶巴倫、IF寬帶阻抗變換器、IF寬帶巴倫、RF/IF寬帶巴倫、開關(guān)混頻級(jí)電路；[0008]RF寬帶阻抗變換器(TRF)用于RF接收信號(hào)阻抗變換；
[0009]RF寬帶巴倫(BRF)用于RF接收信號(hào)非平衡-平衡轉(zhuǎn)換；
[0010]LO寬帶阻抗變換器(TLO)用于LO接收信號(hào)阻抗變換；
[0011]LO寬帶巴倫用于LO接收信號(hào)非平衡-平衡轉(zhuǎn)換；
[0012]IF寬帶阻抗變換器(TIF)用于IF輸出信號(hào)阻抗變換；
[0013]IF寬帶巴倫(BIF)用于IF接收信號(hào)非平衡-平衡轉(zhuǎn)換；
[0014]RF/IF寬帶巴倫用于RF/IF接收信號(hào)非平衡-平衡轉(zhuǎn)換；
[0015]開關(guān)混頻級(jí)電路用于對(duì)RF、LO信號(hào)做出響應(yīng)，產(chǎn)生IF信號(hào)。
[0016]RF寬帶阻抗變換器(TRF)、LO寬帶阻抗變換器(TLO)、IF寬帶阻抗變換器(TIF)為實(shí)現(xiàn)三端口的阻抗匹配，減少系統(tǒng)阻抗失配所引入的損耗，三阻抗變換器均采用雙線傳輸線變壓器形式實(shí)現(xiàn)。
[0017]RF寬帶巴倫(BRF)、IF寬帶巴倫(BIF)實(shí)現(xiàn)RF和LO端口信號(hào)非平衡-平衡轉(zhuǎn)換，對(duì)信號(hào)進(jìn)行相位分配。均采用三線傳輸線變壓器形式實(shí)現(xiàn)。
[0018]LO寬帶巴倫包含三個(gè)巴倫元件，分別為第一 LO寬帶巴倫(BLOl)、第二 LO寬帶巴倫(BL02)、第三LO寬帶巴倫(BL03)，均采用三線傳輸線變壓器實(shí)現(xiàn)，目的是將輸入的單端非平衡LO信號(hào)轉(zhuǎn)換為四端平衡LO信號(hào)。
[0019]RF/IF寬帶巴倫包含六個(gè)巴倫元件，分別為第一 RF/IF寬帶巴倫(BRIl)、第二 RF/IF寬帶巴倫(BRI2)、第三RF/IF寬帶巴倫(BRI3)、第四RF/IF寬帶巴倫(BRI4)、第五RF/IF寬帶巴倫(BRI5)、第六RF/IF寬帶巴倫(BRI6)，均為三線傳輸線變壓器，目的是將輸入的兩端平衡RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為八端平衡RF信號(hào)，將輸出的八端平衡IF信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩端平衡IF信號(hào)。
[0020]開關(guān)混頻級(jí)電路包含八個(gè)NMOS場(chǎng)效應(yīng)管，分別為第一 NMOS管(Ml)、第二 NMOS管(M2)、第三 NMOS 管(M3)、第四 NMOS 管(M4)、第五 NMOS 管(M5)、第六 NMOS 管(M6)、第七 NMOS管(M7)、第八NMOS管(M8)。Ml柵極和M2柵極相接，Ml源極和M2漏極相接，Ml漏極和M2漏極相接；M3柵極和M4柵極相接，M3源極和M漏極相接，M3漏極和M4漏極相接；M5柵極和M6柵極相接，M5源極和M6漏極相接，M5漏極和M6漏極相接；M7柵極和M8柵極相接，M7柵極和M8漏極相接，M7漏極和M8漏極相接。
[0021]LO信號(hào)經(jīng)LO寬帶巴倫后所得的四端平衡信號(hào)分別接入Ml和M2共柵極、M3和M4共柵極、M5和M6共柵極、M7和M8共柵極。
[0022]RF和IF信號(hào)經(jīng)RF/IF寬帶巴倫后所得的八端平衡信號(hào)分別接入Ml和M2源漏極、Ml和M2漏源極、M3和M4源漏極、M3和M4漏源極、M5和M6源漏極、M5和M6漏源極、M7和M8源漏極、M7和M8漏源極。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0024]本發(fā)明所提出的短波寬帶雙平衡混頻器，利用改進(jìn)的平衡結(jié)構(gòu)，合理利用信號(hào)相位和幅度抵消，有效地提高了混頻器的二階三階線性度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是超外差接收機(jī)原理結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明原理結(jié)構(gòu)框圖；[0027]圖3本發(fā)明RF寬帶阻抗變換器裝配和等效示意圖；
[0028]圖4是本發(fā)明RF寬帶巴倫裝配和等效示意圖；
[0029]圖5是LO寬帶阻抗變換器和IF寬帶阻抗變換器裝配和等效示意圖；
[0030]圖6是本發(fā)明LO寬帶巴倫和RF/IF寬帶巴倫元件裝配和等效示意圖；
[0031]圖7是本發(fā)明短波寬帶雙平衡混頻器電路結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0033]圖2示出了本發(fā)明混頻器的原理結(jié)構(gòu)框圖，分為RF寬帶阻抗變換器、RF寬帶巴倫、LO寬帶阻抗變換器、LO寬帶巴倫、IF寬帶阻抗變換器、IF寬帶巴倫、RF/IF寬帶巴倫、開關(guān)混頻級(jí)電路八個(gè)部分。
[0034]射頻寬帶器件不同于集中參數(shù)元件和微波技術(shù)中的分布參數(shù)技術(shù)，其跨越的倍頻程較大，而又由于尺寸的限制，傳輸線變壓器以其小體積、寬頻帶、能承受較大直流電流等特點(diǎn)在短波通信中得以良好的應(yīng)用。傳輸線變壓器是利用磁芯和雙絞線制作而成。射頻常用的磁芯材料分為錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體，錳鋅材料具有高磁導(dǎo)率，而鎳鋅鐵氧體具有低磁導(dǎo)率。鎳鋅鐵氧體具有較高的電阻率，因此，頻率較低的射頻頻段所使用的磁芯采用鎳鋅鐵氧體，頻率較高的中頻所使用的磁芯采用錳鋅鐵氧體，頻率較高且功率較大的本振頻段使用的磁芯采用錳鋅鐵氧體。
[0035]RF寬帶阻抗變換器(TRF)是用于實(shí)現(xiàn)射頻端口阻抗變換，以減少射頻輸入端失配所引入的損耗。RF寬帶阻抗變換器采用雙線傳輸線變壓器形式實(shí)現(xiàn)。圖3為RF寬帶阻抗變換器裝配圖和原理圖，由I號(hào)線、2號(hào)線和雙孔鎳鋅鐵氧體磁芯構(gòu)成，此種傳輸線變壓器的優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)的阻抗變比比較靈活，本發(fā)明中I號(hào)線和2號(hào)線的線圈比例為1:1，實(shí)現(xiàn)阻抗變比為4:1。
[0036]RF寬帶巴倫(BRF)是用于將單端口的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為雙端口平衡的信號(hào)。采用三線傳輸線變壓器的形式實(shí)現(xiàn)。圖4為RF寬帶巴倫裝配圖和原理圖。由3號(hào)線、4號(hào)線、5號(hào)線和雙孔鎳鋅鐵氧體磁芯構(gòu)成，3號(hào)線、4號(hào)線和5號(hào)的線圈比例為1:1:1。
[0037]LO寬帶阻抗變換器(TLO)用于實(shí)現(xiàn)本振端口阻抗變換，以減少本振輸入端失配所引入的損耗。由于本振頻率相對(duì)較高且本振輸入信號(hào)功率加大，其阻抗變換器均采用雙線傳輸線變壓器形式實(shí)現(xiàn)。圖5為RF寬帶阻抗變換器、IF寬帶阻抗變換器裝配圖和原理圖，由6號(hào)線、7號(hào)線和單環(huán)鎳鋅鐵氧體磁芯構(gòu)成，6號(hào)線和7號(hào)線的線圈比例為1:1。
[0038]IF寬帶阻抗變換器(TLO)是用于實(shí)現(xiàn)中頻端口阻抗變換，以減少中頻輸出端阻抗失配所引入的損耗。同樣，中頻頻率相對(duì)較高，其阻抗變換器也采用圖5所示的雙線傳輸線變壓器形式實(shí)現(xiàn)。
[0039]LO寬帶巴倫是用于將單端非平衡本振信號(hào)轉(zhuǎn)換為四端口的平衡信號(hào)，包括三個(gè)巴倫元件，分別為第一 LO寬帶巴倫(BLOl)、第二 LO寬帶巴倫(BL02)、第三LO寬帶巴倫(BL03)，均采用三線傳輸線變壓器形式實(shí)現(xiàn)。圖6為單個(gè)LO寬帶巴倫元件裝配圖和原理圖。由8號(hào)線、9號(hào)線、10號(hào)線和單環(huán)錳鋅鐵氧體磁芯構(gòu)成，8號(hào)線、9號(hào)線和10號(hào)的線圈比例為1:1:1。
[0040]RF/IF寬帶巴倫是用于將輸入的雙端射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為八端口平衡信號(hào)，將輸出的八端口中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為雙端口信號(hào)，包含第一 RF/IF寬帶巴倫(BRIl)、第二 RF/IF寬帶巴倫(BRI2)、第三RF/IF寬帶巴倫(BRI3)、第四RF/IF寬帶巴倫(BRI4)、第五RF/IF寬帶巴倫(BRI5)、第六RF/IF寬帶巴倫(BRI6)，均采用圖6所示的三線傳輸線變壓器形式實(shí)現(xiàn)。
[0041]圖7示出了本發(fā)明混頻器的電路圖。圖中柵極所加電壓Vgg通過本振端巴倫BL02和BL03加入八個(gè)NMOS管上，所加?xùn)艠O直流偏壓Vgg接近夾斷電壓VTH，因此本振電壓加在柵極上以控制ugs。漏極上未加直流電源，靜態(tài)時(shí)uDS = 0，射頻信號(hào)加在漏極上因此漏極回路諧振于射頻頻率。為使MOS管工作狀態(tài)近似于理想的開關(guān)，本振信號(hào)應(yīng)為理想的方波，因此采用幅度較大的正弦本振信號(hào)代替。
[0042]本發(fā)明中輸入的本振信號(hào)為25dBm。本振信號(hào)經(jīng)LO巴倫轉(zhuǎn)換為四端平衡信號(hào)，其中兩個(gè)端口為L(zhǎng)0+，兩個(gè)端口為L(zhǎng)0-。在本振信號(hào)的正半周期，NMOS管堆中M1、M2、M7、M8四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，M3、M4、M5、M6四個(gè)管子截止；同理在本振信號(hào)負(fù)半周期，M3、M4、M5、M6四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，M1、M2、M7、M8四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管截止。大幅度本振信號(hào)近似的方波信號(hào)為
【權(quán)利要求】
1.一種短波寬帶雙平衡混頻器，其特征在于包括:RF寬帶阻抗變換器(TRF)、RF寬帶巴倫(BRF)、LO寬帶阻抗變換器(TLO)、LO寬帶巴倫、IF寬帶阻抗變換器(TIF)、IF寬帶巴倫(BIF)、RF/IF寬帶巴倫、開關(guān)混頻級(jí)電路； RF寬帶阻抗變換器(TRF)用于RF接收信號(hào)阻抗變換； RF寬帶巴倫(BRF)用于RF接收信號(hào)非平衡-平衡轉(zhuǎn)換； LO寬帶阻抗變換器(TLO)用于LO接收信號(hào)阻抗變換； LO寬帶巴倫用于LO接收信號(hào)非平衡-平衡轉(zhuǎn)換； IF寬帶阻抗變換器(TIF)用于IF輸出信號(hào)阻抗變換； IF寬帶巴倫(BIF)用于IF接收信號(hào)非平衡-平衡轉(zhuǎn)換； RF/IF寬帶巴倫用于RF/IF接收信號(hào)非平衡-平衡轉(zhuǎn)換； 開關(guān)混頻級(jí)電路用于對(duì)RF、LO信號(hào)做出響應(yīng)，產(chǎn)生IF信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種短波寬帶雙平衡混頻器，其特征在于:L0寬帶巴倫包含第一 LO寬帶巴倫(BL01)、第二 LO寬帶巴倫(BL02)、第三LO寬帶巴倫(BL03)，均采用三線傳輸線變壓器，用于將輸入的單端非平衡LO信號(hào)轉(zhuǎn)換為四端平衡LO信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種短波寬帶雙平衡混頻器，其特征在于:RF/IF寬帶巴倫包含第一 RF/IF寬帶巴倫(BRI1)、第二 RF/IF寬帶巴倫(BRI2)、第三RF/IF寬帶巴倫(BRI3)、第四RF/IF寬帶巴倫(BRI4)、第五RF/IF寬帶巴倫(BRI5)、第六RF/IF寬帶巴倫(BRI6)，均為三線傳輸線變壓器，用于將輸入的兩端平衡RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為八端平衡RF信號(hào)，將輸出的八端平衡IF信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩端平衡IF信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種短波寬帶雙平衡混頻器，其特征在于:開關(guān)混頻級(jí)電路的NMOS管堆包含八個(gè)NMOS場(chǎng)效應(yīng)管，分別為第一 NMOS管(Ml)、第二 NMOS管(M2)、第三NMOS 管(M3)、第四 NMOS 管(M4)、第五 NMOS 管(M5)、第六 NMOS 管(M6)、第七 NMOS 管(M7)、第八NMOS管(M8);所述第一 NMOS管(Ml)柵極和第二 NMOS管(M2)柵極相接，第一 NMOS管(Ml)源極和第二 NMOS管(M2)漏極相接，第一 NMOS管(Ml)漏極和第二 NMOS管(M2)漏極相接，第三NMOS管(M3)柵極和第四NMOS管(M4)柵極相接，第三NMOS管(M3)源極和第四NMOS管(M4)漏極相接，第三NMOS管(M3)漏極和第四NMOS管(M4)漏極相接，第五NMOS管(M5)柵極和第六匪OS管(M6)柵極相接，第五NMOS管(M5)源極和第六NMOS管(M6)漏極相接，第五NMOS管(M5)漏極和第六NMOS管(M6)漏極相接，第七NMOS管(M7)柵極和第八NMOS管(M8)柵極相接，第七NMOS管(M7)柵極和第八NMOS管(M8)漏極相接，第七NMOS管(M7)漏極和第八NMOS管(M8)漏極相接；L0信號(hào)經(jīng)LO寬帶阻抗變換器(TLO)和LO寬帶巴倫后轉(zhuǎn)換的四端平衡LO信號(hào)分別接入第一 NMOS管(Ml)和第二 NMOS管(M2)共柵端、第三NMOS管(M3)和第四NMOS管(M4)共柵端、第五NMOS管(M5)和第六NMOS管(M6)共柵端、第七NMOS管(M7)和第八NMOS管(M8)共柵端；RF和IF信號(hào)經(jīng)RF/IF寬帶巴倫后轉(zhuǎn)換的八端平衡信號(hào)分別接入第一 NMOS管(Ml)漏極和第二 NMOS管(M2)源極公共端、第一 NMOS管(Ml)源極和第二 NMOS管(M2)漏極公共端、第三NMOS管(M3)漏極和第四NMOS管(M4)源極公共端、第三NMOS管(M3)源極和第四NMOS管(M4)漏極公共端、第五NMOS管(M5)漏極和第六NMOS管(M6)源極公共端、第五NMOS管(M5)源極和第六NMOS管(M6)漏極公共端、第七NMOS管(M7)漏極和第八NMOS管(M8)源極公共端、第七NMOS管(M7)源極和第八NMOS管(M8)漏極公共端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種短波寬帶雙平衡混頻器，其特征在于:RF寬帶阻抗變換器(TRF)采用雙線傳輸線變壓器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種短波寬帶雙平衡混頻器，其特征在于:RF寬帶巴倫(BRF)采用三線傳輸線變壓器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種短波寬帶雙平衡混頻器，其特征在于:L0寬帶阻抗變換器(TLO)采用雙線傳輸線變壓器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種短波寬帶雙平衡混頻器，其特征在于:IF寬帶阻抗變換器(TIF)采用雙線傳輸線變壓器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種短波寬帶雙平衡混頻器，其特征在于:IF寬帶巴倫(BIF)采用三線傳輸 線變壓器。
【文檔編號(hào)】H03D7/14GK103986419SQ201410205680
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】應(yīng)弘君, 石玉, 鐘慧, 楊清福, 舒安剛 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)