[發(fā)明專利]一種基于雙平衡混頻的TSM-PI三倍頻器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011506148.4
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112615590A
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發(fā)明（設計）人: 康凱;司子恒;吳韻秋;趙晨曦;劉輝華;余益明
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H03B19/14
• 分類號: H03B19/14;H03D7/12
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 甘茂

本發(fā)明屬于無線通信技術，涉及射頻收發(fā)系統(tǒng)中的倍頻器，具體提供一種基于雙平衡混頻的TSM?PI三倍頻器，用以解決現(xiàn)有自混頻三倍頻器存在的轉(zhuǎn)換效率低、帶寬窄、諧波抑制度比較差、芯片占用面積大、功耗高等問題。本發(fā)明三倍頻器主要包括二倍頻級、混頻級、TSM?PI變壓器，采用Push?Push二倍頻器作為二倍頻級，采用雙平衡混頻器作為混頻級，能夠改善三倍頻器的諧波抑制度；采用TSM?PI變壓器結構，能夠提高三倍頻器的轉(zhuǎn)換增益、擴展三倍頻器的工作頻率帶寬，進一步提升器件性能。綜上，本發(fā)明基于雙平衡混頻的TSM?PI三倍頻，不僅能夠提高器件對各次諧波的抑制度，而且能夠使器件工作于更高的頻率、更寬的帶寬，同時，有效提升器件轉(zhuǎn)換增益、降低器件功耗、減小芯片面積。

技術領域

本發(fā)明屬于無線通信技術，涉及射頻收發(fā)系統(tǒng)中的倍頻器，具體提供一種基于雙平衡混頻的TSM-PI(Transformer-basedself-mixingwithPeakinginductor，帶有峰化電感的變壓器自混頻)三倍頻器。

背景技術

隨著物聯(lián)網(wǎng)以及無線通信技術的迅速發(fā)展，人們對射頻收發(fā)系統(tǒng)提出了更高頻率、更小尺寸、更低功耗、更高可靠性等一系列要求，作為射頻收發(fā)模塊中的核心之一，倍頻器(Frequency Multiplier)的性能直接影響到信號發(fā)射和接收的準確性，所以倍頻器面臨著極大的需求和挑戰(zhàn)。隨著倍頻次數(shù)的升高，倍頻器器件的轉(zhuǎn)換增益(Conversion Gain，CG)會降低，從而導致倍頻器的輸出頻率帶寬變窄，同時對于諧波的抑制度會變差。

目前，為了實現(xiàn)三倍頻最常用的兩個技術為：注入鎖定倍頻器(Injection-lockedfrequency multiplier，ILFM)與自混頻三倍頻器；ILFM相對于自混頻倍頻器，其帶寬更窄，電路復雜度更高；故自混頻三倍頻器應用更為廣泛。傳統(tǒng)的自混頻倍頻器如圖1所示，其中，晶體管M1n和M1p構成Push-Push二倍頻器，產(chǎn)生二次諧波，晶體管M2n和M2p構成單平衡混頻器，使基波和二次諧波信號混頻產(chǎn)生三次諧波，RL為負載阻抗。由于晶體管寄生電容的影響，隨著頻率的上升，傳統(tǒng)自混頻三倍頻的轉(zhuǎn)換增益會顯著下降，進而極大的限制了器件的工作頻率帶寬；而且漏極電流中包含直流項，隨著輸入功率的增大，該直流部分會惡化混頻器的直流工作點，因此降低了整體電路的性能；另外，傳統(tǒng)的自混頻三倍頻在頻率較高時對于基波的抑制度不高，輸出端口會有大量基波信號，這部分基波，一部分是來自于在混頻級基波從柵極到漏極的泄露，一部分來自于混頻產(chǎn)生的下邊帶分量。

為解決為了消除傳統(tǒng)的自混頻倍頻器出現(xiàn)的下邊帶分量，更好地提高混頻器的諧波抑制度，一種基于正交混頻器的三倍頻器被研究者提出，這種基于正交混頻器的三倍頻包含I、Q兩路；其中，Q路的電路結構如圖2所示，跟傳統(tǒng)混頻器基本結構類似，晶體管M1n和M1p構成Push-Push二倍頻器產(chǎn)生二次諧波，晶體管M2n和M2p構成單平衡混頻器，使基波和二次諧波信號混頻產(chǎn)生三次諧波，RL為負載阻抗。與傳統(tǒng)自混頻倍頻器的不同之處在于，其輸入信號需要兩路，一條I路差分輸入信號，一條Q路差分輸入信號，I路差分信號和Q路差分信號的相位相差90度；同樣地，I路需要類似的電路結構，I路和Q路的輸出共同合成所需要的三次諧波信號。

綜上所述，所述傳統(tǒng)自混頻三倍頻存在轉(zhuǎn)換效率低、帶寬窄，諧波抑制度比較差等問題，而基于正交混頻器的三倍頻器雖然能夠一定程度的克服傳統(tǒng)自混頻三倍頻存在的問題，但該結構又帶來了芯片占用面積大、功耗高的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有自混頻三倍頻器存在的轉(zhuǎn)換效率低、帶寬窄、諧波抑制度比較差、芯片占用面積大、功耗高等問題，提供一種基于雙平衡混頻的TSM-PI三倍頻器；本發(fā)明采用雙平衡混頻的TSM-PI三倍頻結構，有效提高了對基波的抑制度，同時，TSM-PI結構能夠提高器件的轉(zhuǎn)換增益，擴展器件的工作帶寬；并且，相對于基于正交混頻器的三倍頻器，本發(fā)明通過合理的版圖設計，能夠有效減少功耗和芯片占用面積。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：