CN117118361A - 一种倍频电路、倍频器及射频系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种倍频电路、倍频器及射频系统，涉及电子电路技术领域。该倍频电路包括差分放大单元、移相单元、第一开关单元以及第二开关单元；差分放大单元的两个输入端分别连接正输入端和负输入端；移相单元的第一谐振单元的输入端和第二谐振单元的输入端分别连接差分放大单元的两个输出端；第一谐振单元的输出端和第二谐振单元的输出端分别连接第一开关单元的输入端和第二开关单元的输入端；第一开关单元的两个输出端分别连接正输出端和负输出端，第二开关单元的两个输出端还分别连接正输出端和负输出端。本申请的倍频电路用移相单元代替微带线，带宽较宽且在电路中占用的面积小。

Description

一种倍频电路、倍频器及射频系统

技术领域

本申请涉及电子电路技术领域，具体而言，涉及一种倍频电路、倍频器及射频系统。

背景技术

近年来，随着毫米波无线通信的迅猛发展，毫米波在各个领域的应用也越来越广泛，对毫米波信号源的要求也越来越高。

倍频器作为毫米波信号源中的关键单元，直接影响毫米波信号源的性能，现有的倍频器，一种是如专利CN107896091A提出的push-push结构，该结构为单端输出结构，在纯差分电路里需要巴伦进行单端信号转差分信号，巴伦的输出平衡性差、损耗大；另一种是吉尔伯特结构，该结构解决了push-push结构存在的问题，但为了解决输出信号摆幅不平衡的问题，加入了微带线，微带线的长度比较长，在电路中占用的面积大，而且这种结构不适用于高带宽的电路。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种倍频电路、倍频器及射频系统，以便解决吉尔伯特结构的倍频器存在的问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种倍频电路，包括：差分放大单元、移相单元、第一开关单元以及第二开关单元；其中，所述差分放大单元的两个输入端分别连接正输入端和负输入端，用于接收正输入射频信号以及负输入射频信号；所述移相单元包括：第一谐振单元以及第二谐振单元，所述第一谐振单元的输入端和所述第二谐振单元的输入端分别连接所述差分放大单元的两个输出端；所述第一谐振单元的输出端和所述第二谐振单元的输出端分别连接所述第一开关单元的输入端和所述第二开关单元的输入端；

所述第一开关单元的两个控制端分别连接所述正输入端和所述负输入端，所述第二开关单元的两个控制端还分别连接所述正输入端和所述负输入端；所述第一开关单元的两个输出端分别连接正输出端和负输出端，所述第二开关单元的两个输出端还分别连接所述正输出端和所述负输出端，所述正输出端和所述负输出端分别用于输出正倍频信号和负倍频信号。

在一实施例中，所述第一谐振单元包括：第一电感以及第一电容；所述第二谐振单元包括：第二电感和第二电容，所述第一电感和所述第二电感分别为变压器的初级线圈和次级线圈；所述初级线圈和所述次级线圈的中心抽头分别通过所述第一电容和所述第二电容接地；

所述第一谐振单元的输入端和输出端分别为所述第一电感的两端，所述第二谐振单元的输入端和输出端分别为所述第二电感的两端。

在一实施例中，所述第一电感和所述第二电感交叉排布，且相互对称。

在一实施例中，所述差分放大单元包括：第一跨导晶体管以及第二跨导晶体管，其中，所述第一跨导晶体管的偏置端和所述第二跨导晶体管的偏置端分别为所述差分放大单元的正输入端和负输入端，所述第一跨导晶体管的接地端以及所述第二跨导晶体管的接地端均接地，所述第一跨导晶体管的输出端和所述第二跨导晶体管的输出端分别为所述差分放大单元的两个输出端。

在一实施例中，所述倍频电路包括：第三电容以及第四电容；

所述第一开关单元的两个控制端分别连接所述第三电容和所述第四电容的一端，所述第二开关单元的两个控制端分别连接所述第三电容和所述第四电容的一端；

所述第三电容以及所述第四电容的另一端分别连接所述正输入端和所述负输入端。

在一实施例中，所述第一开关单元包括：第一开关晶体管以及第二开关晶体管，所述第一开关晶体管的输入端和所述第二开关晶体管的输入端均为所述第一开关单元的输入端，所述第一开关晶体管的输出端和所述第二开关晶体管的输出端分别为所述第一开关单元的两个输出端；

所述第一开关晶体管的控制端和所述第二开关晶体管的控制端分别为所述第一开关单元的两个控制端。

在一实施例中，所述第二开关单元包括：第三开关晶体管以及第四开关晶体管，所述第三开关晶体管的输入端和所述第四开关晶体管的输入端均为所述第二开关单元的输入端，所述第三开关晶体管的输出端和所述第四开关晶体管的输出端分别为所述第二开关单元的两个输出端；

所述第三开关晶体管的控制端和所述第四开关晶体管的控制端分别为所述第二开关单元的两个控制端。

在一实施例中，所述倍频电路还包括：第三电感和第四电感；

所述第三电感的一端和所述第四电感的一端均连接预设电源，所述第三电感的另一端和所述第四电感的另一端分别连接所述正输出端和所述负输出端。

第二方面，本申请实施例提供了一种倍频器，包括：正输入端、负输入端、正输出端和负输出端、上述实施例所述的倍频电路；

所述正输入端和所述负输入端分别连接所述倍频电路中的差分放大单元的两个输入端；所述正输出端和所述负输出端分别连接所述倍频电路中的第一开关单元的两个输出端；所述正输出端和所述负输出端还分别连接所述倍频电路中的第二开关单元的两个输出端。

第三方面，本申请实施例提供了一种射频系统，包括：上述实施例所述的倍频器。

本申请的有益效果是：本申请提供了一种倍频电路、倍频器及射频系统，该倍频电路包括差分放大单元、移相单元、第一开关单元以及第二开关单元；其中，差分放大单元的两个输入端分别连接正输入端和负输入端，用于接收正输入射频信号以及负输入射频信号；移相单元包括：第一谐振单元以及第二谐振单元，第一谐振单元的输入端和第二谐振单元的输入端分别连接差分放大单元的两个输出端；第一谐振单元的输出端和第二谐振单元的输出端分别连接第一开关单元的输入端和第二开关单元的输入端；第一开关单元的两个控制端分别连接正输入端和负输入端，第二开关单元的两个控制端还分别连接正输入端和负输入端；第一开关单元的两个输出端分别连接正输出端和负输出端，第二开关单元的两个输出端还分别连接正输出端和负输出端，正输出端和负输出端分别用于输出正倍频信号和负倍频信号。本申请的倍频电路用移相单元代替了现有技术中的微带线，带宽较宽，且在电路中占用的面积小，解决了现有吉尔伯特结构的倍频器存在的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有的吉尔伯特结构的倍频器的示意图；

图2为本申请一实施例提供的倍频电路的示意图；

图3为本申请一实施例提供的移相单元的布局示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。

近年来，随着毫米波无线通信的迅猛发展，毫米波在各个领域的应用也越来越广泛，除了常见的移动通信领域，毫米波在天文学、雷达、电子对抗、安防成像、汽车雷达等领域也得到了广泛的应用。由于在压控振荡器和后级电路设置倍频器，可以避免频率牵引的现象，通常，毫米波信号源中包含倍频器，用毫米波信号源获取毫米波的方式为：先用压控振荡器(voltage-controlled oscillator，简称VCO)获取一个低频的信号源，再用倍频器将低频的信号源倍频得到毫米波信号源。

因此，倍频器作为毫米波信号源中的关键单元，直接影响毫米波信号源的性能。图1为现有的吉尔伯特结构的倍频器的示意图，如图1所示，现有技术中，为解决输出信号摆幅不平衡的问题，用两个电感L作为微带线，实现了利用1/4波长的微带线作为90°移相单元，这种结构的移相单元微带线长度会比较长，在电路中占用面积大，不利于电路的集成封装，而且这种结构不适用于高带宽的电路。

为了解决现有技术中存在的问题，本申请提供了一种倍频电路、倍频器及射频系统，本申请的倍频电路提出的结构，利用变压器做90°移相单元，带宽较宽，且在电路中占用的面积小，可以解决现有吉尔伯特结构的倍频器存在的问题。

以下结合附图，通过多个实施例对本申请提供的倍频电路、倍频器及射频系统进行具体的示例说明。

首先对本申请提供的倍频电路进行说明，本申请实施例提供了一种倍频电路，包括：差分放大单元、移相单元、第一开关单元以及第二开关单元。其中，差分放大单元用于接收前级电路(例如为压控振荡器)发送的信号，并对其接受到的信号进行放大，移相单元用于提供倍频电路所需的相位延迟，第一开关单元和第二开关单元用于将移相单元输出的信号输出至后级电路。

具体地，差分放大单元的两个输入端分别连接正输入端和负输入端，用于接收正输入射频信号以及负输入射频信号；移相单元包括：第一谐振单元以及第二谐振单元，第一谐振单元的输入端和第二谐振单元的输入端分别连接差分放大单元的两个输出端；第一谐振单元的输出端和第二谐振单元的输出端分别连接第一开关单元的输入端和第二开关单元的输入端；第一开关单元的两个控制端分别连接正输入端和负输入端，第二开关单元的两个控制端还分别连接正输入端和负输入端；第一开关单元的两个输出端分别连接正输出端和负输出端，第二开关单元的两个输出端还分别连接正输出端和负输出端，正输出端和负输出端分别用于输出正倍频信号和负倍频信号。

在本申请的倍频电路中，移相单元包括第一谐振单元以及第二谐振单元，用移相单元代替了现有技术中的微带线，带宽较宽且面积小，解决了现有吉尔伯特结构的倍频器存在的问题，具体说明如下。

图2为本申请一实施例提供的倍频电路的示意图，以下结合图2，对本申请提供的倍频电路进行具体的示例说明。

首先需要说明的是，如图2所示的倍频电路为二倍频电路，可以将正输入端和负输入端的信号进行二倍频后，由正输出端和负输出端输出。

本申请一实施例提供了一种移相单元的可能实施方式，如图2所示，该二倍频电路的第一谐振单元包括第一电感(Lp)以及第一电容(C1)；第二谐振单元包括第二电感(Ls)和第二电容(C2)，第一谐振单元的输入端和输出端分别为第一电感的两端(输入端为与M1连接的一端，输出端为与M3和M4连接的一端)，第二谐振单元的输入端和输出端分别为第二电感的两端(输入端为与M2连接的一端，输出端为与M5和M6连接的一端)。

第一电感和第二电感的取值计算公式如式(1)，第一电容和第二电容的取值公式如式(2)：

f为倍频电路的工作频率，Z₀为移相单元的特征阻抗，可以根据实际需求，通过对Z₀和电容C的阻抗值或电容值进行调整，实现对二倍频电路的转换增益的调整。其中，阻抗选择取决于整个倍频电路的转换增益，以公式(1)和(2)为例，对于不同的阻抗Z₀，都能得到一组满足公式的L和C，这些不同的L/C选择都能实现90°移相，如何选则Z₀取决于电路转换增益。

图3为本申请一实施例提供的移相单元的布局示意图，如图3所示，当移相单元包含上述实施例提供的第一谐振单元和第二谐振单元时，第一电感和第二电感构成了变压器的初级线圈和次级线圈，变压器的初级线圈(Lp)和次级线圈(Ls)的中心抽头分别通过第一电容(C1)和第二电容(C2)接地。

由图3可知，第一电感和第二电感交叉排布，且相互对称，第一电感和第二电感交叉耦合连接的方式可以保证变压器的对称性，使得倍频电路不会由于不对称而导致输出信号不平衡，并且，本实施例的变压器中，第一电感的电感值为其自身的自感加上与第二线圈的互感(第二电感的电感值同理)，当本实施例的倍频电路与现有技术使用的微带线需要获取相同电感值时，本实施例所需的线圈匝数更小，在电路中占用的面积更小，有利于电路的集成封装。

本申请一实施例提供了一种差分放大单元的可能实施方式，差分放大单元可以包括第一跨导晶体管(M1)以及第二跨导晶体管(M2)，其中，第一跨导晶体管的偏置端和第二跨导晶体管的偏置端分别为差分放大单元的正输入端和负输入端，用于接收前级电路(例如可以为压控振荡器)发送的信号，第一跨导晶体管的接地端以及第二跨导晶体管的接地端均接地，第一跨导晶体管的输出端和第二跨导晶体管的输出端分别为差分放大单元的两个输出端(差分放大单元的输出端为M1的输出端和M2的输出端)。其中，偏置端指跨导晶体管的栅极，接地端指跨导晶体管的源极，输出端指跨导晶体管的漏极。

本申请一实施例提供了一种第一开关单元的可能实施方式，第一开关单元可以包括第一开关晶体管(M3)以及第二开关晶体管(M4)，其中，第一开关晶体管的输入端和第二开关晶体管的输入端均为第一开关单元的输入端(即第一开关单元的输入端有两个)，第一开关晶体管的输出端和第二开关晶体管的输出端分别为第一开关单元的两个输出端；第一开关晶体管的控制端和第二开关晶体管的控制端分别为第一开关单元的两个控制端。其中，输入端指开关晶体管的源极，输出端指开关晶体管的漏极，控制端指开关晶体管的栅极。

本申请一实施例提供了一种第二开关单元的可能实施方式，第二开关单元可以包括第三开关晶体管(M5)以及第四开关晶体管(M6)，其中，第三开关晶体管的输入端和第四开关晶体管的输入端均为第二开关单元的输入端，第三开关晶体管的输出端和第四开关晶体管的输出端分别为第二开关单元的两个输出端；第三开关晶体管的控制端和第四开关晶体管的控制端分别为第二开关单元的两个控制端。其中，输入端指开关晶体管的源极，输出端指开关晶体管的漏极，控制端指开关晶体管的栅极。

在本申请中，通过将M3和M5的输出端与正输出端Vout+连接，将M4和M6的输出端与正输出端Vout-连接，M3和M5晶体管将栅极和源极的基波生成了偶次谐波的正端，同样M4和M6晶体管将栅极和源极的基波生成了偶次谐波的负端，实现了对输入差分信号的二倍频。

在一实施例中，倍频电路还可以包括第三电容(C3)以及第四电容(C4)，第一开关单元的两个控制端分别连接第三电容和第四电容的一端，第二开关单元的两个控制端分别连接第三电容和第四电容的一端，第三电容以及第四电容的另一端分别连接正输入端和负输入端。

如图2所示，第三电容C3的一端连接正输入端IN+，第三电容的另一端连接第一开关单元中的M3、以及第二开关单元中的M6的控制端，第四电容C4的一端连接负输入端IN-，第四电容的另一端连接第一开关单元中的M4、以及第二开关单元中的M5的控制端。由于倍频电路中M1/M2，M3/M4/M5/M6这两组晶体管的栅极偏置电压是不一样的，在倍频电路中设置第三电容和第四电容，可以将偏置电压隔离。

在一实施例中，倍频电路还包括第三电感(L1)和第四电感(L2)，第三电感的一端和第四电感的一端均连接预设电源(VIN)，第三电感的另一端和第四电感的另一端分别连接正输出端Vout+和负输出端Vout-。预设电源用于提供直流电，为倍频电路中的各个元件供电，第三电感和第四电感可以提高倍频电路的阻抗，可以根据实际需求对第三电感和第四电感的电感值做调整，便于根据阻抗值实现对倍频电路的性能调整。

另外，图2中的电容CP1和CP2为移相单元的寄生电容，本申请将移相单元设计为变压器形式，第一电感和第二电感之间耦合，可以与寄生电容相抵，减小寄生电容的大小，避免了寄生电容对倍频电路的性能影响。

在上述实施例提供的倍频电路的基础上，本申请一实施例还提供了一种倍频器，包括正输入端、负输入端、正输出端和负输出端、以及上述实施例提供的倍频电路。

其中，正输入端和负输入端的一端用于连接压控振荡器，正输入端和负输入端还分别连接倍频电路中的差分放大单元的两个输入端，使得压控振荡器输出的信号可以被差分放大单元的两个输入端接收；正输出端和负输出端分别连接倍频电路中的第一开关单元的两个输出端；正输出端和负输出端还分别连接倍频电路中的第二开关单元的两个输出端，可将倍频电路提供的倍频后的信号输出至后级电路。

本申请一实施例还提供了一种射频系统，包括上述实施例提供的倍频器，在射频系统中，倍频器的前级电路可以为压控振荡器，倍频器的后级电路可以为放大电路，在压控振荡器和放大电路之间设置倍频器，可以将压控振荡器提供的信号倍频后再输入至放大电路，且，通过倍频器将压控振荡器和放大电路进行隔离，避免了射频系统中的压控振荡器和放大电路之间的频率牵引现象。

以上仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种倍频电路，其特征在于，包括：差分放大单元、移相单元、第一开关单元以及第二开关单元；其中，所述差分放大单元的两个输入端分别连接正输入端和负输入端，用于接收正输入射频信号以及负输入射频信号；所述移相单元包括：第一谐振单元以及第二谐振单元，所述第一谐振单元的输入端和所述第二谐振单元的输入端分别连接所述差分放大单元的两个输出端；所述第一谐振单元的输出端和所述第二谐振单元的输出端分别连接所述第一开关单元的输入端和所述第二开关单元的输入端；

所述第一开关单元的两个控制端分别连接所述正输入端和所述负输入端，所述第二开关单元的两个控制端还分别连接所述正输入端和所述负输入端；所述第一开关单元的两个输出端分别连接正输出端和负输出端，所述第二开关单元的两个输出端还分别连接所述正输出端和所述负输出端，所述正输出端和所述负输出端分别用于输出正倍频信号和负倍频信号。

2.根据权利要求1所述的倍频电路，其特征在于，所述第一谐振单元包括：第一电感以及第一电容；所述第二谐振单元包括：第二电感和第二电容，所述第一电感和所述第二电感分别为变压器的初级线圈和次级线圈；所述初级线圈和所述次级线圈的中心抽头分别通过所述第一电容和所述第二电容接地；

所述第一谐振单元的输入端和输出端分别为所述第一电感的两端，所述第二谐振单元的输入端和输出端分别为所述第二电感的两端。

3.根据权利要求2所述的倍频电路，其特征在于，所述第一电感和所述第二电感交叉排布，且相互对称。

4.根据权利要求1所述的倍频电路，其特征在于，所述差分放大单元包括：第一跨导晶体管以及第二跨导晶体管，其中，所述第一跨导晶体管的偏置端和所述第二跨导晶体管的偏置端分别为所述差分放大单元的正输入端和负输入端，所述第一跨导晶体管的接地端以及所述第二跨导晶体管的接地端均接地，所述第一跨导晶体管的输出端和所述第二跨导晶体管的输出端分别为所述差分放大单元的两个输出端。

5.根据权利要求1所述的倍频电路，其特征在于，所述倍频电路包括：第三电容以及第四电容；

所述第一开关单元的两个控制端分别连接所述第三电容和所述第四电容的一端，所述第二开关单元的两个控制端分别连接所述第三电容和所述第四电容的一端；

所述第三电容以及所述第四电容的另一端分别连接所述正输入端和所述负输入端。

6.根据权利要求1所述的倍频电路，其特征在于，所述第一开关单元包括：第一开关晶体管以及第二开关晶体管，所述第一开关晶体管的输入端和所述第二开关晶体管的输入端均为所述第一开关单元的输入端，所述第一开关晶体管的输出端和所述第二开关晶体管的输出端分别为所述第一开关单元的两个输出端；

所述第一开关晶体管的控制端和所述第二开关晶体管的控制端分别为所述第一开关单元的两个控制端。

7.根据权利要求1所述的倍频电路，其特征在于，所述第二开关单元包括：第三开关晶体管以及第四开关晶体管，所述第三开关晶体管的输入端和所述第四开关晶体管的输入端均为所述第二开关单元的输入端，所述第三开关晶体管的输出端和所述第四开关晶体管的输出端分别为所述第二开关单元的两个输出端；

所述第三开关晶体管的控制端和所述第四开关晶体管的控制端分别为所述第二开关单元的两个控制端。

8.根据权利要求1所述的倍频电路，其特征在于，所述倍频电路还包括：第三电感和第四电感；

所述第三电感的一端和所述第四电感的一端均连接预设电源，所述第三电感的另一端和所述第四电感的另一端分别连接所述正输出端和所述负输出端。

9.一种倍频器，其特征在于，包括：正输入端、负输入端、正输出端和负输出端、上述权利要求1-8任一项所述的倍频电路；

所述正输入端和所述负输入端分别连接所述倍频电路中的差分放大单元的两个输入端；所述正输出端和所述负输出端分别连接所述倍频电路中的第一开关单元的两个输出端；所述正输出端和所述负输出端还分别连接所述倍频电路中的第二开关单元的两个输出端。

10.一种射频系统，其特征在于，包括：上述权利要求9所述的倍频器。