一种短波宽带双平衡混频器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种短波宽带双平衡混频器，包括RF宽带阻抗变换器、RF宽带巴伦、LO阻抗变换器、LO宽带巴伦、IF宽带阻抗变换器、IF宽带巴伦、RF/IF宽带巴伦、开关混频级电路。其中宽带阻抗变换器采用双线传输线变压器实现，宽带巴伦采用三线传输线变压器实现，开关混频级电路由八个NMOS管组成。本结构利用阻抗变换器进行宽带匹配，利用巴伦进行输入输出信号非平衡-平衡转换，利用场效应管的开关特性实现无源混频。本发明的混频器在不增加现有混频器损耗和功耗的前提下，利用改进的平衡结构提高混频器的线性性能。
【专利说明】一种短波宽带双平衡混频器
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信的混频器领域，具体涉及一种短波宽带双平衡混频器。
【背景技术】
[0002]短波(1.5?30MHz)以其特有的灵活性、方向性、可靠性、抗毁性强、传输距离远、损耗小等特点，在广播、导航和军事领域中得以广泛应用。图1为一典型超外差接收机的原理框图，其作用是可将天线接收到的射频信号转换为中频信号，供后端AD进行采样及数字信号处理。接收机包括射频滤波器、低噪声放大器、混频器、中频滤波器、中频放大器。随着电磁环境越来越复杂，短波频段频谱资源紧张，信道间干扰更加严重，为避免对虚假信号的响应，对接收机的线性提出了更高的要求。由于中频链路通常采用反馈或基于运放的结构构建，且中频滤波器可以滤除带外信号，因此射频链路限制了系统整体线性。根据线性级联公式，位于射频链路末端的混频器决定了射频链路的线性。因此混频器作为接收机核心器件之一，其线性性能直接影响接收机系统性能。
[0003]混频器根据有无直流电的特性可分为有源混频器和无源混频器，无源混频器因其无直流电流过混频器元件，其闪烁噪声远小于有源混频器，且无源混频器较有源混频器有更好的线性性能而得以广泛应用。无源混频器根据组成元件可分为二极管无源混频器和场效应管无源混频器。场效应管是一种压控型多数载流子导电的器件，没有少数载流子存储效应，因此非常适合高速工作的要求。场效应管输入电压信号的线性动态范围大、噪声系数低，更适合于高线性度的电路设计。场效应管混频器一般采用单平衡结构和双平衡结构，单平衡结构混频器设计相对简单，但存在LO到IF的馈通，且其混频失真较大，因此双平衡混频器以其特有的线性优势和高隔离度具有很高的研究和应用价值。
[0004]现有双平衡混频器，采用四个MOS管对接结构，此种混频器利用较大幅度的本振信号驱动场效应晶体管，使其在本振信号的正负半周分别导通，但四管结构的双平衡混频器只能排除三阶交调信号的干扰，对混频器的二阶交调并无贡献，因此为保证接收机整体性能，通常在混频器前端增加滤波器组，通过对带外信号的抑制来提高二阶。由于前端滤波器组的增加，根据噪声级联公式，滤波器组所引入的噪声系数会使接收机的噪声系数直接增大，且滤波器组占有较大体积，对接收机小型化、模块化的设计目标带来一定限制。
[0005]因此，同时具有良好二阶和三阶交调线性度的混频器成为高线性接收系统的迫切需求。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是克服了混频器的二阶和三阶非线性干扰，解决了现有混频器线性不足的技术状态。
[0007]为解决上述技术问题，本发明的技术方案为:一种短波宽带双平衡混频器，包括:RF宽带阻抗变换器、RF宽带巴伦、LO宽带阻抗变换器、LO宽带巴伦、IF宽带阻抗变换器、IF宽带巴伦、RF/IF宽带巴伦、开关混频级电路；[0008]RF宽带阻抗变换器(TRF)用于RF接收信号阻抗变换；
[0009]RF宽带巴伦(BRF)用于RF接收信号非平衡-平衡转换；
[0010]LO宽带阻抗变换器(TLO)用于LO接收信号阻抗变换；
[0011]LO宽带巴伦用于LO接收信号非平衡-平衡转换；
[0012]IF宽带阻抗变换器(TIF)用于IF输出信号阻抗变换；
[0013]IF宽带巴伦(BIF)用于IF接收信号非平衡-平衡转换；
[0014]RF/IF宽带巴伦用于RF/IF接收信号非平衡-平衡转换；
[0015]开关混频级电路用于对RF、LO信号做出响应，产生IF信号。
[0016]RF宽带阻抗变换器(TRF)、LO宽带阻抗变换器(TLO)、IF宽带阻抗变换器(TIF)为实现三端口的阻抗匹配，减少系统阻抗失配所引入的损耗，三阻抗变换器均采用双线传输线变压器形式实现。
[0017]RF宽带巴伦(BRF)、IF宽带巴伦(BIF)实现RF和LO端口信号非平衡-平衡转换，对信号进行相位分配。均采用三线传输线变压器形式实现。
[0018]LO宽带巴伦包含三个巴伦元件，分别为第一 LO宽带巴伦(BLOl)、第二 LO宽带巴伦(BL02)、第三LO宽带巴伦(BL03)，均采用三线传输线变压器实现，目的是将输入的单端非平衡LO信号转换为四端平衡LO信号。
[0019]RF/IF宽带巴伦包含六个巴伦元件，分别为第一 RF/IF宽带巴伦(BRIl)、第二 RF/IF宽带巴伦(BRI2)、第三RF/IF宽带巴伦(BRI3)、第四RF/IF宽带巴伦(BRI4)、第五RF/IF宽带巴伦(BRI5)、第六RF/IF宽带巴伦(BRI6)，均为三线传输线变压器，目的是将输入的两端平衡RF信号转换为八端平衡RF信号，将输出的八端平衡IF信号转换为两端平衡IF信号。
[0020]开关混频级电路包含八个NMOS场效应管，分别为第一 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栅极和M2栅极相接，Ml源极和M2漏极相接，Ml漏极和M2漏极相接；M3栅极和M4栅极相接，M3源极和M漏极相接，M3漏极和M4漏极相接；M5栅极和M6栅极相接，M5源极和M6漏极相接，M5漏极和M6漏极相接；M7栅极和M8栅极相接，M7栅极和M8漏极相接，M7漏极和M8漏极相接。
[0021]LO信号经LO宽带巴伦后所得的四端平衡信号分别接入Ml和M2共栅极、M3和M4共栅极、M5和M6共栅极、M7和M8共栅极。
[0022]RF和IF信号经RF/IF宽带巴伦后所得的八端平衡信号分别接入Ml和M2源漏极、Ml和M2漏源极、M3和M4源漏极、M3和M4漏源极、M5和M6源漏极、M5和M6漏源极、M7和M8源漏极、M7和M8漏源极。
[0023]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0024]本发明所提出的短波宽带双平衡混频器，利用改进的平衡结构，合理利用信号相位和幅度抵消，有效地提高了混频器的二阶三阶线性度。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是超外差接收机原理结构示意图；
[0026]图2是本发明原理结构框图；[0027]图3本发明RF宽带阻抗变换器装配和等效示意图；
[0028]图4是本发明RF宽带巴伦装配和等效示意图；
[0029]图5是LO宽带阻抗变换器和IF宽带阻抗变换器装配和等效示意图；
[0030]图6是本发明LO宽带巴伦和RF/IF宽带巴伦元件装配和等效示意图；
[0031]图7是本发明短波宽带双平衡混频器电路结构图。
【具体实施方式】
[0032]下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0033]图2示出了本发明混频器的原理结构框图，分为RF宽带阻抗变换器、RF宽带巴伦、LO宽带阻抗变换器、LO宽带巴伦、IF宽带阻抗变换器、IF宽带巴伦、RF/IF宽带巴伦、开关混频级电路八个部分。
[0034]射频宽带器件不同于集中参数元件和微波技术中的分布参数技术，其跨越的倍频程较大，而又由于尺寸的限制，传输线变压器以其小体积、宽频带、能承受较大直流电流等特点在短波通信中得以良好的应用。传输线变压器是利用磁芯和双绞线制作而成。射频常用的磁芯材料分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体，锰锌材料具有高磁导率，而镍锌铁氧体具有低磁导率。镍锌铁氧体具有较高的电阻率，因此，频率较低的射频频段所使用的磁芯采用镍锌铁氧体，频率较高的中频所使用的磁芯采用锰锌铁氧体，频率较高且功率较大的本振频段使用的磁芯采用锰锌铁氧体。
[0035]RF宽带阻抗变换器(TRF)是用于实现射频端口阻抗变换，以减少射频输入端失配所引入的损耗。RF宽带阻抗变换器采用双线传输线变压器形式实现。图3为RF宽带阻抗变换器装配图和原理图，由I号线、2号线和双孔镍锌铁氧体磁芯构成，此种传输线变压器的优点在于可实现的阻抗变比比较灵活，本发明中I号线和2号线的线圈比例为1:1，实现阻抗变比为4:1。
[0036]RF宽带巴伦(BRF)是用于将单端口的射频信号转换为双端口平衡的信号。采用三线传输线变压器的形式实现。图4为RF宽带巴伦装配图和原理图。由3号线、4号线、5号线和双孔镍锌铁氧体磁芯构成，3号线、4号线和5号的线圈比例为1:1:1。
[0037]LO宽带阻抗变换器(TLO)用于实现本振端口阻抗变换，以减少本振输入端失配所引入的损耗。由于本振频率相对较高且本振输入信号功率加大，其阻抗变换器均采用双线传输线变压器形式实现。图5为RF宽带阻抗变换器、IF宽带阻抗变换器装配图和原理图，由6号线、7号线和单环镍锌铁氧体磁芯构成，6号线和7号线的线圈比例为1:1。
[0038]IF宽带阻抗变换器(TLO)是用于实现中频端口阻抗变换，以减少中频输出端阻抗失配所引入的损耗。同样，中频频率相对较高，其阻抗变换器也采用图5所示的双线传输线变压器形式实现。
[0039]LO宽带巴伦是用于将单端非平衡本振信号转换为四端口的平衡信号，包括三个巴伦元件，分别为第一 LO宽带巴伦(BLOl)、第二 LO宽带巴伦(BL02)、第三LO宽带巴伦(BL03)，均采用三线传输线变压器形式实现。图6为单个LO宽带巴伦元件装配图和原理图。由8号线、9号线、10号线和单环锰锌铁氧体磁芯构成，8号线、9号线和10号的线圈比例为1:1:1。
[0040]RF/IF宽带巴伦是用于将输入的双端射频信号转换为八端口平衡信号，将输出的八端口中频信号转换为双端口信号，包含第一 RF/IF宽带巴伦(BRIl)、第二 RF/IF宽带巴伦(BRI2)、第三RF/IF宽带巴伦(BRI3)、第四RF/IF宽带巴伦(BRI4)、第五RF/IF宽带巴伦(BRI5)、第六RF/IF宽带巴伦(BRI6)，均采用图6所示的三线传输线变压器形式实现。
[0041]图7示出了本发明混频器的电路图。图中栅极所加电压Vgg通过本振端巴伦BL02和BL03加入八个NMOS管上，所加栅极直流偏压Vgg接近夹断电压VTH，因此本振电压加在栅极上以控制ugs。漏极上未加直流电源，静态时uDS = 0，射频信号加在漏极上因此漏极回路谐振于射频频率。为使MOS管工作状态近似于理想的开关，本振信号应为理想的方波，因此采用幅度较大的正弦本振信号代替。
[0042]本发明中输入的本振信号为25dBm。本振信号经LO巴伦转换为四端平衡信号，其中两个端口为L0+，两个端口为L0-。在本振信号的正半周期，NMOS管堆中M1、M2、M7、M8四个场效应管导通，M3、M4、M5、M6四个管子截止；同理在本振信号负半周期，M3、M4、M5、M6四个场效应管导通，M1、M2、M7、M8四个场效应管截止。大幅度本振信号近似的方波信号为
【权利要求】
1.一种短波宽带双平衡混频器，其特征在于包括:RF宽带阻抗变换器(TRF)、RF宽带巴伦(BRF)、LO宽带阻抗变换器(TLO)、LO宽带巴伦、IF宽带阻抗变换器(TIF)、IF宽带巴伦(BIF)、RF/IF宽带巴伦、开关混频级电路； RF宽带阻抗变换器(TRF)用于RF接收信号阻抗变换； RF宽带巴伦(BRF)用于RF接收信号非平衡-平衡转换； LO宽带阻抗变换器(TLO)用于LO接收信号阻抗变换； LO宽带巴伦用于LO接收信号非平衡-平衡转换； IF宽带阻抗变换器(TIF)用于IF输出信号阻抗变换； IF宽带巴伦(BIF)用于IF接收信号非平衡-平衡转换； RF/IF宽带巴伦用于RF/IF接收信号非平衡-平衡转换； 开关混频级电路用于对RF、LO信号做出响应，产生IF信号。
2.根据权利要求1所述的一种短波宽带双平衡混频器，其特征在于:L0宽带巴伦包含第一 LO宽带巴伦(BL01)、第二 LO宽带巴伦(BL02)、第三LO宽带巴伦(BL03)，均采用三线传输线变压器，用于将输入的单端非平衡LO信号转换为四端平衡LO信号。
3.根据权利要求1所述的一种短波宽带双平衡混频器，其特征在于:RF/IF宽带巴伦包含第一 RF/IF宽带巴伦(BRI1)、第二 RF/IF宽带巴伦(BRI2)、第三RF/IF宽带巴伦(BRI3)、第四RF/IF宽带巴伦(BRI4)、第五RF/IF宽带巴伦(BRI5)、第六RF/IF宽带巴伦(BRI6)，均为三线传输线变压器，用于将输入的两端平衡RF信号转换为八端平衡RF信号，将输出的八端平衡IF信号转换为两端平衡IF信号。
4.根据权利要求1所述的一种短波宽带双平衡混频器，其特征在于:开关混频级电路的NMOS管堆包含八个NMOS场效应管，分别为第一 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)栅极和第二 NMOS管(M2)栅极相接，第一 NMOS管(Ml)源极和第二 NMOS管(M2)漏极相接，第一 NMOS管(Ml)漏极和第二 NMOS管(M2)漏极相接，第三NMOS管(M3)栅极和第四NMOS管(M4)栅极相接，第三NMOS管(M3)源极和第四NMOS管(M4)漏极相接，第三NMOS管(M3)漏极和第四NMOS管(M4)漏极相接，第五NMOS管(M5)栅极和第六匪OS管(M6)栅极相接，第五NMOS管(M5)源极和第六NMOS管(M6)漏极相接，第五NMOS管(M5)漏极和第六NMOS管(M6)漏极相接，第七NMOS管(M7)栅极和第八NMOS管(M8)栅极相接，第七NMOS管(M7)栅极和第八NMOS管(M8)漏极相接，第七NMOS管(M7)漏极和第八NMOS管(M8)漏极相接；L0信号经LO宽带阻抗变换器(TLO)和LO宽带巴伦后转换的四端平衡LO信号分别接入第一 NMOS管(Ml)和第二 NMOS管(M2)共栅端、第三NMOS管(M3)和第四NMOS管(M4)共栅端、第五NMOS管(M5)和第六NMOS管(M6)共栅端、第七NMOS管(M7)和第八NMOS管(M8)共栅端；RF和IF信号经RF/IF宽带巴伦后转换的八端平衡信号分别接入第一 NMOS管(Ml)漏极和第二 NMOS管(M2)源极公共端、第一 NMOS管(Ml)源极和第二 NMOS管(M2)漏极公共端、第三NMOS管(M3)漏极和第四NMOS管(M4)源极公共端、第三NMOS管(M3)源极和第四NMOS管(M4)漏极公共端、第五NMOS管(M5)漏极和第六NMOS管(M6)源极公共端、第五NMOS管(M5)源极和第六NMOS管(M6)漏极公共端、第七NMOS管(M7)漏极和第八NMOS管(M8)源极公共端、第七NMOS管(M7)源极和第八NMOS管(M8)漏极公共端。
5.根据权利要求1所述的一种短波宽带双平衡混频器，其特征在于:RF宽带阻抗变换器(TRF)采用双线传输线变压器。
6.根据权利要求1所述的一种短波宽带双平衡混频器，其特征在于:RF宽带巴伦(BRF)采用三线传输线变压器。
7.根据权利要求1所述的一种短波宽带双平衡混频器，其特征在于:L0宽带阻抗变换器(TLO)采用双线传输线变压器。
8.根据权利要求1所述的一种短波宽带双平衡混频器，其特征在于:IF宽带阻抗变换器(TIF)采用双线传输线变压器。
9.根据权利要求1所述的一种短波宽带双平衡混频器，其特征在于:IF宽带巴伦(BIF)采用三线传输 线变压器。
【文档编号】H03D7/14GK103986419SQ201410205680
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】应弘君, 石玉, 钟慧, 杨清福, 舒安刚 申请人:电子科技大学