阅读说明：本技术 一种应用于汽车防撞雷达的e波段混频器 (E-band mixer applied to automobile anti-collision radar ) 是由 康凯 李朋林 吴韵秋 赵晨曦 刘辉华 余益明 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明属于无线通信技术领域,涉及汽车防撞雷达,具体为一种应用于汽车防撞雷达的混频器,包括：跨导级单元、变压器短截线耦合单元、开关级单元、负载级单元、缓冲级单元。本发明采用变压器短截线耦合的共源共栅的结构,变压器放置于开关级和跨导级之间,共源共栅配置的直流通路被变压器分隔开,为跨导级和开关级提供独立的偏置,抵消跨导级的三阶非线性跨导,提升线性度；同时,在E波段采用电磁耦合技术与开路短截线相结合,抵消跨导级和开关级的寄生电容以及结电容,解决随着频率升高混频器噪声恶化的问题,降低噪声,同时避免在混频器设计中引入这两个电感将会占据很大芯片面积节省芯片面积,减少产品成本。(The invention belongs to the technical field of wireless communication, relates to an automobile anti-collision radar, and particularly relates to a frequency mixer applied to the automobile anti-collision radar, which comprises: the transformer comprises a transconductance stage unit, a transformer stub coupling unit, a switch stage unit, a load stage unit and a buffer stage unit. The invention adopts a structure of a cascode coupled by a transformer stub, the transformer is arranged between a switch stage and a transconductance stage, and a direct current path configured by the cascode is separated by the transformer to provide independent bias for the transconductance stage and the switch stage, so as to offset three-order nonlinear transconductance of the transconductance stage and improve linearity; meanwhile, the electromagnetic coupling technology is combined with the open stub in the E wave band, parasitic capacitance and junction capacitance of the transconductance stage and the switch stage are offset, the problem of noise deterioration of the frequency mixer along with frequency rise is solved, noise is reduced, the two inductors are prevented from occupying a large chip area in the design of the frequency mixer, the chip area is saved, and the product cost is reduced.)

一种应用于汽车防撞雷达的E波段混频器

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及汽车防撞雷达，具体为一种应用于汽车防撞雷达的E波段混频器。

背景技术

近年以来，随着无线通信技术的快速发展，各种无线收发机都在向更高的工作频段发展，以追求更高的带宽、数据率、更低的延时，毫米波(毫米波)频率已引起广泛关注。新产品和服务已经涌现出巨大的市场潜力，例如在超高速超高频端WLAN系统发展，60GHz的802.11ad通信系统与LTE网络技术通过LWA网络结合起来，在未来5G时代，将会给用户带来绝佳的用户体验，在E波段(71～75GHz、81～85GHz和92～95GHz)实现无线光纤接入，以及77GHz的高级辅助驾驶的防撞雷达。对于这些应用，基于CMOS工艺的毫米波器件的制造具有高集成度和低成本的吸引力；然而，器件在高频和低噪声下的线性度较差严重制约了毫米波电路的设计。混频器是收发信机中必不可少的组成部分，它总是需要足够的线性度和低的噪声来保证整个系统的性能；因此基于现代通信的发展要求，设计一款高线性度低噪声宽带的下混频器具有广泛应用前景和价值。

目前传统的双平衡吉尔伯特混频器被广泛应用于无线发射机中，其电路图如图3所示，这种结构具有较好的增益以及端口隔离度，但是其在毫米波频段因寄生电容的影响愈发明显，使工作带宽极为有限，并且噪声、线性度等性能恶化严重，已不适合毫米波尤其是E波段的在汽车防撞雷达方面的应用；由此可见，在高级辅助驾驶甚至无人驾驶的愿景下，设计一款应用于汽车防撞雷达的高线性度大带宽低噪声低功耗的混频器具有广泛应用前景和价值。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出了一种应用于汽车防撞雷达的混频器，该混频器采用变压器耦合的共源共栅的电路结构(the transformer-coupling cascodetopology，TCCT)，能够在不降低其他性能的同时，改善混频器的线性度，降低噪声，增加带宽。本发明中，采用变压器耦合将共源共栅配置的直流通路被变压器分隔开，为跨导级和开关级提供独立的偏置，使混频器可以工作在低电压下，达到跨导级偏置在不影响开关级的优化噪声偏置的情况下接近三阶跨导(gm₃)过零点，从而提高混频器的线性度和降低噪声，此外电路结构对称可以在实际版图实施时做到很好的对称这有益于混频器的隔离度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于汽车防撞雷达的混频器，包括：跨导级单元1、变压器短截线耦合单元2、开关级单元3、负载级单元4和缓冲级单元5；其特征在于：

所述跨导级单元1包括NMOS管M₁、NMOS管M₂，其中，所述NMOS管M₁、NMOS管M₂源极均接地，NMOS管M₁栅极接射频信号输入正端，NMOS管M₂栅极接射频信号的负输入端，NMOS管M₁漏极接变压器前级电感L₁同名端、NMOS管M₂漏极接变压器初级电感L₁异名端；

所述变压器短截线耦合单元2包括变压器T、两段开路短截线、电容C₅及电容C₆，其中，所述变压器T由初级线圈L₁和次级线圈L₂组成，初级线圈L₁的中心抽头接V_DD，次级线圈L₂的中心抽头接地，次级线圈L₂两端分别串联一段开路短截线，两段开路短截线的另一端分别串联电容C₅、电容C₆到地；

所述开关级单元3包括NMOS管M₃NMOS管M₄、NMOS管M₅及NMOS管M₆，其中，NMOS管M₄和NMOS管M₅栅极互联接本振信号的负输入端，NMOS管M₃和NMOS管M₆栅极互联接本振信号的正输入端，NMOS管M₃和NMOS管M₄源极互联接变压器耦合单元变压器次级电感L₂同名端，NMOS管M₅和NMOS管M₆源极互联接变压器耦合单元变压器次级电感L₂异名端，NMOS管M₃和NMOS管M₅的漏极互联，NMOS管M₄和NMOS管M₆的漏极互联；

所述负载级单元4包括两个相同电感L₃、L₄(L₃＝L₄)及两个相同电容C₃、C₄(C₃＝C₄)；电感L₃和电容C₃并联为一组，一端接电源电压V_DD，另一端与NMOS管M₃、NMOS管M₅的漏极连接并作为中频信号正输出端；电感L₄和电容C₄并联为另一组，一端接电源电压V_DD，另一端与NMOS管M₄、NMOS管M₆的漏极连接并作为中频信号负输出端；

所述缓冲级单元5包括两个相同跨阻放大器分别放置在中频信号正输出端和中频信号负输出端，所述跨阻放大器由电组、NMOS管、PMOS管及耦合电容组成，其中，所述耦合电容一端连接中频信号输出端、另一端连接电组，电阻另一端作为混频器中频信号输出端，NMOS管源级接地、栅极和漏级并接于电阻两端，PMOS管的栅级和漏级分别与NMOS管栅级和漏极对应连接、源级接电源电压V_DD。

进一步的，所述应用于汽车防撞雷达的混频器中，采用双极型晶体管替换所有场效应晶体管，具体为：NPN型三极管替换NMOS管、PNP型三极管替换PMOS管。

从工作原理上讲，本发明涉及一种新型的采用变压器耦合的共源共栅结构混频器，该混频器包含跨导级单元、变压器短截线耦合单元、开关级单元、负载级单元、缓冲级单元。所述跨导级单元由一对差分对NMOS管组成；所述电磁耦合单元由变压器和串联在变压器初级线圈两侧到地的开路短截线组成，变压器放置于开关级和跨导级之间,共源共栅配置的直流通路被变压器分隔开,为跨导级和开关级提供独立的偏置，使混频器可以工作在低电压下，达到跨导级偏置在不影响开关级的优化噪声偏置的情况下接近三阶跨导(gm₃)过零点，从而提高混频器的线性度和降低噪声，所述开关级单元主要由四个NMOS管组成，偏置在最佳的开关状态；所述负载级单元直接由分别有两个电容和两个电感组成的，可以增大带宽并能提高增益；差分中频信号经过跨导级单元的放大，在开关级单元与本振信号进行混频，最后差分射频信号在负载级单元和开关级单元之间输出；所述缓冲级单元由一个NMOS管，一个PMOS管和一个电组组成，增强混频器输出驱动能力。

本发明结构减小了传统匹配所占用的芯片面积，降低产品成本，高线性度，低噪声，大带宽的特点，适用于适用于多标准毫米波无线电应用，在高级辅助驾驶汽车防撞雷达上有广阔应用前景。

综上，与传统吉尔伯特上混频器相比，本发明的优势及显著效果在于：

1、采用变压器短截线耦合的共源共栅的结构，变压器放置于开关级和跨导级之间,共源共栅配置的直流通路被变压器分隔开，为跨导级和开关级提供独立的偏置，抵消跨导级的三阶非线性跨导，提升线性度；

2、在E波段采用电磁耦合技术与开路短截线相结合，抵消跨导级和开关级的寄生电容以及结电容，解决随着频率升高混频器噪声恶化的问题，降低噪声，同时避免在混频器设计中引入这两个电感将会占据很大芯片面积节省芯片面积，减少产品成本；

3、采用变压器耦合，可以克服传统吉尔伯特结构对高供电电压的要求，使混频器可以工作在低供电电压，输出采用电感加电容负载，优化输出电感的品质因数，可以较好的折中的输出中频带宽和增益，以适用于多标准毫米波无线电应用。

附图说明

图1为本发明应用于汽车防撞雷达的E波段混频器电路原理图。

图2为本发明实施例中1V V_DS下g_m的展开系数随电压V_GS变化曲线图。

图3为传统吉尔伯特上混频器电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提出了一种新型采用变压器耦合的共源共栅结构技术的E波段混频器，应用于汽车防撞雷达；其电路结构示意图如图1所示，包括：跨导级单元1、变压器短截线耦合单元2、开关级单元3、负载级单元4和缓冲级单元5；差分射频信号的正负两端V_RF+和V_RF-注入跨导级单元1，经过跨导级单元1放大信号然后输出至电磁耦合单元2的初级线圈，经电磁耦合从变压器次级线圈输出至开关级单元3，开关级单元3与差分本振输入信号V_LO+和V_LO-相连，差分中频信号V_IF+和V_IF-从开关级单元3和负载级单元4之间输出，经电容耦合由缓冲级单元5输出；更加具体的：

所述跨导级单元1包括一对差分NMOS管对M₁、M₂，构成射频差分输入电路结构；所述NMOS管M₁、NMOS管M₂源极均接地，NMOS管M₁栅极接射频信号输入正端，NMOS管M₂栅极接射频信号的负输入端，NMOS管M₁漏极接变压器初级电感L₁同名端、NMOS管M₂漏极接变压器前级电感L₁异名端；通过合理设计差分NMOS管对的栅级偏置，可以使跨导级偏置在接近三阶跨导(gm₃)过零点，来抵消三阶非线性跨导，提高线性度；

所述变压器短截线耦合单元2包括变压器T、开路短截线及电容C₅、C₆，所述变压器T由初级线圈L₁和次级线圈L₂组成，初级线圈L₁的中心抽头接V_DD，次级线圈L₂的中心抽头接地，次级线圈L₂两端分别串联开路短截线，开路短截线的另一端分别串联电容C₅、C₆到地；变压器放置于开关级和跨导级之间，共源共栅配置的直流通路被变压器分隔开，为跨导级和开关级提供独立的偏置，使混瓶器可以工作在低电压下，达到跨导级偏置在不影响开关级的优化噪声偏置的情况下接近三阶跨导(gm₃)过零点，从而提高混频器的线性度和降低噪声；通过合理设计开路短截线和串联电容值，抵消跨导级和开关级的寄生电容以及结电容，解决随着频率升高混频器噪声恶化的问题，降低噪声；

所述开关级单元3包括四个NMOS管M₃～M₆；NMOS管M₄和M₅栅极互联接本振信号的负输入端，NMOS管M₃和M₆栅极互联接本振信号的正输入端，NMOS管M₃和M₄源极互联接变压器耦合单元变压器次级电感L₂同名端，NMOS管M₅和M₆源极互联接变压器耦合单元变压器次级电感L₂异名端，NMOS管M₃和M₅的漏极互联，NMOS管M₄和M₆的漏极互联；通过优化四个NMOS管M₃～M₆的尺寸和偏置，使开关级单元工作在最佳开关状态，减少由于开关管引入的非线性；

所述负载级单元4包括两个电感L₃、L₄(L₃＝L₄)及两个电容C₃、C₄(C₃＝C₄)；电感L₃和C₃并联为一组，一端接电源电压V_DD，另一端与NMOS管M₃和M₅的漏极连接并作为中频正输出端；电感L₄和C₄并联为另一组，一端接电源电压V_DD，另一端与NMOS管M₄和M₆的漏极连接并作为中频负输出端；合理设计负载电感L₃和C₃以及和L₄和C₄的值，可以较好的折中的输出中频带宽和增益；

所述缓冲级单元5包括两个跨阻放大器分别放置在中频信号输出正端和中频信号输出负端，所述中频信号输出正端的跨阻放大器由一个电组R₁、一个NMOS管M_B1和一个PMOS管M_P1组成，电组R₁与耦合电容C₁相连，NMOS管M_B1源级接地、栅极和漏级并接于电阻R₁两端，PMOS管M_P1的栅级和漏级分别对应与NMOS管M_B1栅级和漏极连接、源级接电源电压V_DD；所述中频信号输出负端的跨阻放大器由由一个电组R₂、一个NMOS管M_B2和一个PMOS管M_P2组成，电组R₂与耦合电容C₂相连，NMOS管M_B1源级接地、栅极和漏级并接在电阻R₂两端，PMOS管M_P2的栅级和漏级分别与NMOS管M_B2栅级和漏极连接，源级接电源电压V_DD；缓冲级可以增加混频器的输出驱动能力，尤其是驱动容性负载的能力。

本发明结构除了可以用场效应管实现，也可以用双极型晶体管实现；用双极型晶体管实现时，只需要将NMOS管替换成NPN型三极管，PMOS管替换成PNP型三极管即可。

从工作原理上讲：较之传统的Gilbert混频器，本发明实现电路对电源电压要求降低，在毫米波频段尤其是E波段具有良好的线性度和噪声性能，同时实现了宽带特性，适用于多标准毫米波无线电应用和汽车防撞雷达领域。

更为具体的：

1)噪声性能提高的分析，对图3所述传统引入电感的Gilbert混频器结构进行定性分析，可以得出混频器的输入参考噪声电压为：

其中，g_mi是M_i的跨导，C_p是节点P处的寄生电容，R_L为输出负载，I_n,M1和V_n,M2是晶体管M₁和M₂的噪声，k是玻尔兹曼常数，T是热力学温度；

通过上式可以看出，由于混频器转换增益随着寄生电容C_p的增大而减小，因此导致输入参考噪声变大，当工作频率升高至毫米波频段时，混频器中寄生电容的影响会变得更加严重，从而导致级间更大的RF电流泄漏和整体噪声性能恶化。

为克服以上缺点，本发明采用变压器耦合的共源共栅结构(the transformer-coupling cas code topology(TCCT))混频器，通过对图1中核心的变压器短截线耦合单元进行分析可得，采用噪声降低变压器结构后，对应工作中心频率处的输入参考噪声电压为：

根据以上分析我们可以得出，在混频器两级之间***该变压器网络能够有效的降低噪声和避免芯片面积过大。

2)线性度提升的分析，如图3所示，三阶跨导g_m3在非线性谐波的产生中起着重要的作用，IP3能被表示为：

其中，g_m(n)为晶体管的第n阶跨导；

通过式(3)可以看出，器件的IP3可以通过减小g_m3来改善，在图2中，g_m3有一个过零点，如果跨导级是被偏置在过零点附近，g_m3对产生的非线性影响可以被有效地缓解。在本发明中，由于TCCT为两级提供了独立的偏置，因此，为了避免g_m3过大跨导级的栅-源电压V_GS被偏置较低的电压。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。