[发明专利]一种基于互补型MOS管的双向有源混频器

说明书

本发明属于双向收发机技术领域，具体提供一种基于互补型MOS管的双向有源混频器，用以解决现有无源环形混频器会在链路中引入较大损耗、需要较大的本振信号等问题。本发明将PMOS管和NMOS管并联构成一MOS管对，共四个MOS管对构成双平衡有源混频器结构；每一个MOS管对中，NMOS的源极与PMOS的漏极相连接入射频信号，NMOS的漏极与PMOS的源极相连接入中频信号，栅极施加反相的本振信号；射频信号经过NMOS的源极到漏极变为中频信号输出，中频信号经过PMOS的源极到漏极变为射频信号输出，即实现双向混频、且无需额外的开关控制切换变频模式；同时，本发明具有共栅极放大器和正反馈的结构，能够在实现双向混频的同时提供增益，改善链路性能。

技术领域

本发明属于双向收发机技术领域，涉及作为射频链路中关键模块的混频器，具体提供一种基于互补型MOS管的双向有源混频器。

背景技术

随着无线通信技术的发展与相控阵技术的应用，双向收发机技术逐渐被运用于射频芯片；在双向收发机中，发射链路和接收链路合并，功率放大器的输出匹配和低噪声放大器的输入匹配网络共用，有源的晶体管部分合并布局，驱动放大器等其它模块也设计成共用匹配网络和支持信号双向传输的结构，最终成为一条链路，只需要原本一半的面积，因此可以应用于集成度更高的相控阵芯片。

混频器作为射频链路中的关键模块，实现中频信号与射频信号的转换；混频器模块的设计中，增益是一个非常重要的指标，高增益的混频器可以更好地驱动下一级，减轻放大器的设计压力。在双向混频器的设计中，需要用一个混频器既可以完成中频信号到射频信号的上变频，也可以反向将射频信号转换为中频信号实现下变频。

目前，常见的有源混频器多为吉尔伯特架构，需要一个信号从跨导级MOS管的栅极输入、一个信号从开关管的漏极输出，但是反向之后信号无法从MOS管的栅极输出，所以通常无法做成双向结构。而常见的能用于双向接收机的混频器主要是无源环形混频器，电路原理图如图1所示；其中，M1-M4的漏极和源极被分别偏置在相同的电位，一端连射频信号、一端连中频信号，栅极由本振信号控制、偏置在阈值电压附近；由于源漏之间电压相同，没有直流电流流过，不需要外加电源供电，所以被称为无源混频器。该结构中，由于MOS管的源极和漏极在结构上的对称性，当两端的信号电位相同时，可近似视为等价，信号既可以从源极到漏极，也可以从漏极到源极；所以在本振信号的作用下，信号既可以将中频信号上变频到射频信号，反向也可以将射频信号下变频到中频信号，实现双向混频。

然而，上述无源环形混频器虽然可以实现双向的信号变换，但是也存在诸多问题，相应的缺点如下：

1)无源环形混频器损耗较大：无源环形混频器没有有源的放大结构，因此只能造成信号的衰减，若只将混频器里的MOS管视为理想的无损开关，则损耗至少4dB；由于MOS管开关状态的不连续性和导通状态下MOS管的阻性，无源环形混频器的核心部分通常会损耗6dB以上，结合前后级的匹配网络，损耗只会更多；因此，上述无源环形混频器会造成整个链路的增益大幅降低，影响整体的通信性能；

2)无源环形混频器需要较大的本振信号：由于无源环形混频器的高损耗特性，所以在设计过程中需要往低损耗方向进行优化，这意味着使用更大的MOS管，相应的寄生电容也随之增加；因此，混频器需要更大的本振信号以驱动混频器的开关变换，导致对本振链路的输出功率需求增加，同时增大了芯片整体的功耗。

发明内容

本发明的目的在于针对现有无源环形混频器会在链路中引入较大损耗损耗、需要较大的本振信号等问题，提供一种基于互补型MOS管的双向有源混频器；本发明提出一种新结构，将互补的PMOS管和NMOS管并联，构成具有开关级的有源混频器，通过互补特性能够实现双向的信号变频，并且不需要额外的开关控制信号切换混频状态，共栅极的连接结构提供正的增益，减小对本振功率的依赖，从而实现有增益的双向混频器，有助于提高双向收发机的性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：