CN109782361B - 一种应用于毫米波无源成像的高增益接收机 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种应用于毫米波无源成像的高增益接收机。本发明采用一种超可再生的接收机电路，该电路结构包括：输入匹配网络，变压器匹配网络，一个包络检波器，变压器匹配网络中包括差分晶体管对。本发明可用于无源成像系统。相比于传统的无源毫米波成像系统，本发明提出的高增益接收机可以实现超宽带的电磁波能量采集和100dB的增益，通过动态的调节包络检波器的偏置电压，可以实现动态的调节其接收机的接收范围。本发明采用砷化镓0.15um的工艺，实现了从80GHz到100GHz的无源成像。接收机的噪声系数仅为1.5dB，接收机的增益为100dB，动态范围为60dB，本发明彻底克服了工艺误差、温度漂移带来的带宽变化的问题。

Description

一种应用于毫米波无源成像的高增益接收机

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及用于无源成像电路中的高增益接收机。

背景技术

微波频率在30-300GHz范围内即波长在1-10mm范围内的电磁波被定义为毫米波，其波长范围处于微波及红外光波中间，因此不仅与微波及红外波存在一定共性特点，自身还具备许多独有特性。同微波对比，在天线直径相同的情况下，毫米波优势体现在波束窄、方向性比较好、极好的抗干扰性、分辨率高，在等离子体内具有良好的穿透特性；同红外波相比，毫米波具有更加良好的穿透能力且衍射性能极强，在大气窗口下所受到气、烟、雾等物质的衰减程度极小，所以在严峻气象条件或者军事应用等浓重烟尘情况下，毫米波无源成像技术比传统的光电成像技术有更大优势。无源毫米波成像系统拥有全天不间断工作模式，且分辨率极高，可以对周围环境内的目标物体进行有效的识别。因此，毫米波无源成像技术在遥感、导航、安检等领域具有重要的实用价值。

接收机前端系统是整个毫米波无源成像系统的关键组成部分之一。良好的射频前端性能对于接收信号的后续处理非常重要。接收机的技术指标能够代表毫米波成像系统的最主要技术水平，接收机具有放大信号、线性转换、定标等功能。接收机的灵敏度、线性度、稳定性能够表征成像系统相应的指标。接收机的灵敏度表征该接收机能正常工作的最低输入信号强度。灵敏度与系统噪声系数、带宽和信号调制方式有关。不同的带宽会影响进入系统的噪声功率进而影响接收机的灵敏度；而不同的调制方式对于保证误码率满足要求的前提下最低可检测信噪比的要求不同会影响接收机的灵敏度。接收机的动态范围的下限是由接收机系统的噪底决定的，而其上限由无杂散动态范围、三阶截断点等非线性指标决定。对于接收机系统来说，必须将整个频段的有用信号都接收下来以保证信号不失真，即接收机系统的通频带。通频带太窄会导致有用的宽带信号不能全部通过，造成信号失真；由于噪声功率与带宽成正比，故通频带太宽会导致进入到系统的噪声功率过大，同样会导致信噪比的降低。因此，超宽带高增益接收机的研制对于毫米波成像的技术发展有着重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种应用于毫米波无源成像的高增益接收机。

本发明提供的应用于毫米波无源成像的高增益接收机，其电路结构参见图1所示，包括如下模块：输入匹配网络101，超宽带变压器匹配网络102，包络检测器104；超宽带变压器匹配网络102中有差分NMOS晶体管对103，其中：

所述输入匹配网络101，包括四个片上无源电感，右端输出电感的中间抽头与偏置电压V_B相连接，并且上下两端分别与超宽带变压器匹配网络102的两个差分NMOS晶体管对的栅极连接；

所述超宽带变压器匹配网络102中，设有四级变压器；每一级变压器由差分NMOS晶体管对和四个片上无源电感组成；两个差分NMOS晶体管对的输出端即漏极连接两个输出电感的上下两端，差分NMOS晶体管对的源极均接地，差分NMOS晶体管对的栅极分别连接两个输入电感的上下两端；两个输出电感的中间抽头与电源电压VDD相连接；这两个输出电感又通过偏置电压V_B的电感耦合到下一级差分NMOS晶体管对的输入；信号经过四级变压器耦合到包络检测器104的输入端；

所述包络检测器104，包括两个输出差分NMOS晶体管对M3、两个输入电阻R_B、一个输出电阻R_D和两个隔直电容C_A；两个输入电感连接两个隔直电容C_A的一端，两个隔直电容C_A的另一端分别连接输出差分NMOS晶体管对M3的栅极，同时，偏置电压V_B通过两个输入电阻R_B给输出差分NMOS晶体管对M3提供偏置电压；输出差分NMOS晶体管对M3的漏极与电源电压VDD相连接，两个输出差分NMOS晶体管对M3共同的源极为输出端，其源极与输出电阻R_D的一端相连接，输出电阻R_D的另一端接地。

本发明中，通过调节包络检测器104的偏置电压，可动态调节其接收机的接收范围。

优选地，本发明中，所述隔直电容C_A由片上金属-绝缘体-金属电容器（MIM-cap）构成。

优选地，本发明中，所述述差分NMOS晶体管对均为MOSFET，即场效应晶体管。

本发明可用于无源成像系统，通过检测物体辐射的电磁波对物体进行成像。相比于传统的无源毫米波成像系统，本发明提出的高增益接收机可以实现超宽带的电磁波能量采集和100dB的增益，通过动态的调节包络检测器的偏置电压，可以实现动态的调节其接收机的接收范围。本发明采用砷化镓0.15um的工艺，实现了从80GHz到100GHz的无源成像。接收机的噪声系数仅为1.5dB，接收机的增益为100dB，动态范围为60dB，本发明彻底克服了工艺误差、温度漂移带来的带宽变化的问题。

附图说明

图1为毫米波超宽带无源成像芯片示意图。

图2为超宽带变压器示意图。

图3为超宽带变压器的等价电路图示意图。

图4为超宽带变压器的理论模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对所发明的应用于毫米波无源成像的高增益接收机做进一步说明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未表示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

图1示出根据现有技术的毫米波超宽带无源成像芯片的示意图。

如图1所示，现有的毫米波超宽带无源成像芯片100包括输入匹配网络101、超宽带变压器匹配网络102、以及包络检测器104，超宽带变压器匹配网络中包括差分NMOS晶体管对103。输入匹配网络101包括四个片上无源电感，右端输出电感的中间抽头与偏置电压V_B相连接，并且上下两端分别与超宽带变压器匹配网络的两个输入NMOS晶体管的栅极连接。超宽带变压器匹配网络102由两个差分NMOS晶体管和四个片上无源电感组成。两个输入NMOS晶体管的输出即漏极连接左端两个电感的输入端，NMOS晶体管的源极均接地，NMOS晶体管对的栅极分别连接两个输入电感的上下两端；右端电感的中间抽头与电源电压VDD相连接。这两个输出电感又通过偏置在电压V_B的电感耦合到下一级差分晶体管的输入端即栅极。信号经过四级超宽带变压器耦合到包络检测器的输入端。包络检测器104包括两个NMOS晶体管M3（差分管对）、两个输入电阻R_B、一个输出电阻R_D和两个隔直电容C_A。双端输入连接两个隔直电容C_A。两个隔直电容C_A的另一端分别连接NMOS差分管对M3的栅极，同时，偏置电压V_B通过两个输入电阻R_B给NMOS差分管对M3提供偏置电压。M3的漏极与电源电压VDD相连接，两个NMOS晶体管共同的源极为输出端，输出一个电压信号，其源极与电阻R_D相连接，电阻R_D的另一端接地。

图2示出超宽带变压器的示意图。

如图2所示，变压器200由三圈OI layer和两个开关Switch组成。其中，最内层线圈的两端通过EA layer与开关Switch 2相连接；中间线圈的两端通过EA layer与P1和P2端口相连接，中间线圈的中间抽头与电源电压VDD相连接；最外层线圈的两端与开关Switch1相连接。三圈OI layer的厚度均为3.3um，最内层线圈的内径为12um，中间线圈的内径为22um,最外层线圈的内径为32um。EA layer的厚度为0.9um。通过改变开关Switch1和Switch2的状态，可改变该变压器从端口P1和P2看进去的等效电感值L_eq。开关的状态1代表闭合，状态0代表断开。当Switch（1,2）的状态为00时，等效电感L_eq的值为91pH；当Switch（1,2）的状态为10时，等效电感L_eq的值为79pH；当Switch（1,2）的状态为01时，等效电感L_eq的值为65pH；当Switch（1,2）的状态为11时，等效电感L_eq的值为47pH。

图3示出超宽带变压器的等价电路图示意图。

如图3所示，超宽带变压器的等价电路图包括电感、电容、可变电容、电阻和变压器。两个电感L_s连接两个电容C_s的左极板，电阻两端分别与两个电容C_s的右极板相连。值为C_p/2的电容与可变电容C_var并联在电阻两端。可变电容C_var用于精细的调谐，增大电感L_s的值可以增大可变电容的精细调谐范围。后端的负载电感变压器用来做通频带的选择。电感上连接的两个开关分别对应图2中的开关Switch1和Switch2。

图4示出超宽带变压器的理论模型示意图。

如图4所示，NMOS晶体管作为开关使用，NMOS晶体管的栅极连接控制信号，源极接地，漏极接电感L₂的上端。当控制信号为0时，NMOS开关断开；当控制信号为1时，NMOS开关闭合。等效电感L_eq从电感L₁的左端看进去，电感L₁的下端接地，电感L₂的下端接地，电感L₁和L₂的圈数比为k。当开关导通时，NMOS晶体管等效为一个电阻R_on。此时，超宽带变压器的理论模型包括三个电阻和三个电感，电阻R₁的右端连接电感L₁-M的左端，电感L₁-M和电感L₂-M的共同端点连接电感M的一端，电感M的下端连接地，电感L₂-M的右端连接R₂，电阻R₂的另一端连接导通NMOS晶体管的等效电阻R_on。当开关关断时，NMOS晶体管等效为一个电容Coff。此时，超宽带变压器的理论模型包括两个电阻、三个电感和一个电容，电阻R₁的右端连接电感L₁-M的左端，电感L₁-M和电感L₂-M的共同端点连接电感M的一端，电感M的下端连接地，电感L₂-M的右端连接电阻R₂，电阻R₂的另一端连接关断NMOS晶体管的等效电容C_off。

在本文中，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得所述包括的一系列要素（如过程、方法、物品或者设备）不仅包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排除在包括所述要素外还存在另外的相同要素。

本发明中，实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。根据以上描述，可作很多的变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种应用于毫米波无源成像的高增益接收机，其特征在于，电路结构包括如下模块：输入匹配网络101，超宽带变压器匹配网络102，包络检测器104，超宽带变压器匹配网络102中有差分NMOS晶体管对103，其中：

所述输入匹配网络101，包括四个片上无源电感，右端输出电感的中间抽头与偏置电压V_B相连接，并且上下两端分别与超宽带变压器匹配网络102的两个差分NMOS晶体管对的栅极连接；

所述超宽带变压器匹配网络102中，设有四级变压器；每一级变压器由差分NMOS晶体管对和四个片上无源电感组成；四个片上无源电感分别具有两个输出电感和两个输入电感；两个差分NMOS晶体管对的输出端即漏极连接两个输出电感的上下两端，差分NMOS晶体管对的源极均接地，差分NMOS晶体管对的栅极分别连接两个输入电感的上下两端；两个输出电感的中间抽头与电源电压VDD相连接；这两个输出电感又通过偏置电压V_B的电感耦合到下一级差分NMOS晶体管对的输入；信号经过四级变压器耦合到包络检测器104的输入端；

所述包络检测器104，包括两个输出差分NMOS晶体管对M3、两个输入电阻R_B、一个输出电阻R_D和两个隔直电容C_A；两个输入电感连接两个隔直电容C_A的一端，两个隔直电容C_A的另一端分别连接输出差分NMOS晶体管对M3的栅极，同时，偏置电压V_B通过两个输入电阻R_B给输出差分NMOS晶体管对M3提供偏置电压；输出差分NMOS晶体管对M3的漏极与电源电压VDD相连接，两个输出差分NMOS晶体管对M3共同的源极为输出端，其源极与输出电阻R_D的一端相连接，输出电阻R_D的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的应用于毫米波无源成像的高增益接收机，其特征在于，所述隔直电容C_A由片上金属-绝缘体-金属电容器构成。

3.根据权利要求1所述的应用于毫米波无源成像的高增益接收机，其特征在于，所述差分NMOS晶体管对均为MOSFET，即场效应晶体管。

4.根据权利要求1所述的应用于毫米波无源成像的高增益接收机，其特征在于，通过调节包络检测器104的偏置电压，动态调节接收机的接收范围。

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