一种正交本振信号发生器、本振链路和射频收发机

摘要

本文公开一种正交本振信号发生器、本振链路和射频收发机，本发明实施例正交本振信号发生器包括：包含两级级联单元的多相滤波器和具备正交耦合功能的倍频器；其中，多相滤波器的第一级级联单元将差分信号转换为第一正交信号，第二级级联单元对获得的第一正交信号进行带宽扩展，获得第二正交信号；倍频器对获得的第二正交信号进行倍频放大和预设角度的相移，获得预设频率的正交本振信号。本发明实施例通过级联结构的多相滤波器对差分信号分别进行信号转换和带宽扩展，提升了生成的正交信号的正交性能，通过具备正交耦合功能的倍频器对获得的正交信号进行倍频放大和预设角度的相移，提升了获得的本振信号的相位噪声性能。

说明书

技术领域

本文涉及但不限于毫米波通信技术，尤指一种正交本振信号发生器、本振链路和射频收发机。

背景技术

随着通信技术的发展，人们对无线传输数据率的需求越来越高，带宽成为了主要瓶颈。目前，主要的商用通信系统大多工作在6GHz以下，提升工作频率是攻克这一瓶颈的有效方法。近年来，毫米波通信技术飞速发展，其中 60吉赫兹(GHz)频段被认为是最适合毫米波通信的频段。本振链路是毫米波射频收发机中最难设计的部分，尤其是本振链路中的正交本振信号发生器。

相关技术中，实现60GHz频段的毫米波通信的正交本振发生器主要有以下三种：第一种：直接用正交压控振荡器(QVCO)产生60GHz四相正交信号；这种方案电路简单，同相(I)和正交(Q)两路信号的正交性较好，但相位噪声性能差。第二种：用压控振荡器(VCO)产生60GHz差分信号，再用无源电路产生正交信号。这种方案存在以下问题：1、60GHz下容抗管的品质因子(Q值)比较低，VCO的相位噪声性能差；2、无源器件的输入输出阻抗都在50欧姆(ohm)左右，会在本振链路上引入8-10分贝(dB)的损耗，再考虑无源网络本振6dB左右的损耗，一共会有15dB以上的损耗。第三种：先用VCO产生低频的本振，再利用正交注入锁定倍频器(QILO)产生60GHz 正交本振信号；一般的是采用VCO产生20GHz的差分信号，再经过QILO产生60GHz正交本振信号。这种方案的相位噪声性能较好，但因为注入到QILO 中的信号是差分的，因此输出的正交本振信号的正交性比较差，尤其是幅度失配。

综上，设计实现一种相位噪声性能和正交性均满足应用的毫米波的正交本振信号发生器，成为本振链路设计中需要解决的一个问题。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本发明实施例提供一种正交本振信号发生器、本振链路和射频收发机，能够获得相位噪声性能和正交性均满足毫米波判断的正交本振信号。

本发明实施例提供了一种正交本振信号发生器，包括：包含两级级联单元的多相滤波器和具备正交耦合功能的倍频器；其中，

多相滤波器设置为：通过第一级级联单元将差分信号转换为第一正交信号；通过第二级级联单元对转换获得的第一正交信号进行带宽扩展，获得第二正交信号；

倍频器设置为：对获得的第二正交信号进行倍频放大和预设角度的相移，获得预设频率的正交本振信号。

在一种示例性实施例中，所述第一级级联单元和所述第二级级联单元的工作频率存在预设偏差。

在一种示例性实施例中，所述第一级联单元包括：四个环形连接的第一滤波模块；其中，

所述第一滤波模块包括串联的第一电阻和第一电容，各所述第一滤波模块分别设置为对所述差分信号进行预设相位差的移相，以获得相应相位的所述第一正交信号。

在一种示例性实施例中，所述第二级联单元包括：四个环形连接的第二滤波模块；其中，

所述第二滤波模块包括串联的第二电阻和第二电容，各所述第二滤波模块分别设置为对其中一个相位的所述第一正交信号进行带宽扩展，获得与各相位第一正交信号对应所述第二正交信号。

在一种示例性实施例中，所述第一电阻包括：

开关电阻阵列。

在一种示例性实施例中，所述第二电阻包括：

开关电阻阵列。

在一种示例性实施例中，所述倍频器包括：正交注入锁定的三倍频器。

在一种示例性实施例中，所述正交注入锁定的三倍频器包括：

电路结构相同的同相I路的振荡器和正交Q路的振荡器、及所述I路的振荡器和所述Q路的振荡器之间的交叉耦合单元。

在一种示例性实施例中，所述振荡器包括：注入管、耦合变压器、两个可调电容和两个交叉耦合管；其中，

所述注入管的栅极与所述多相滤波器的输出端相连，设置为产生三阶谐波；

所述耦合变压器包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈与所述注入管的漏端相连，设置为：将产生的所述三阶谐波耦合到振荡器中；

所述可调电容包括第一连接端口和第二连接端口，两个所述可调电容之间通过所述第一连接端口连接，两个可调电容的其中一个所述第二连接端口连接所述耦合变压器的次级线圈，两个可调电容的另外一个所述第二连接端口连接所述交叉耦合管的漏端，两个所述可调电容设置为：对所述振荡器进行频率调谐，以实现预设宽度的调谐范围；

两个所述交叉耦合管之间，第一个交叉耦合管的栅端与第二个交叉耦合管的漏端连接，第一个交叉耦合管的漏端与第二个交叉耦合管的栅端连接，设置为产生确保振荡器的起振的负阻。

在一种示例性实施例中，所述交叉耦合管包括：

由4个晶体管，以首尾连接形成环路的方式构成的耦合管。

另一方面，本发明实施例还提供一种本振链路，所述本振链路包括上述正交本振信号发生器。

再一方面，本发明实施例还提供一种射频收发机，所述射频收发机包括上述本振链路。

本发明实施例正交本振信号发生器包括：包含两级级联单元的多相滤波器和具备正交耦合功能的倍频器；其中，多相滤波器的第一级级联单元将差分信号转换为第一正交信号，第二级级联单元对获得的第一正交信号进行带宽扩展，获得第二正交信号；倍频器对获得的第二正交信号进行倍频放大和预设角度的相移，获得预设频率的正交本振信号。本发明实施例通过级联结构的多相滤波器对差分信号分别进行信号转换和带宽扩展，提升了生成的正交信号的正交性能，通过具备正交耦合功能的倍频器对获得的正交信号进行倍频放大和预设角度的相移，提升了获得的本振信号的相位噪声性能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例正交本振信号发生器的结构框图；

图2为本发明应用示例正交本振信号发生器的示意图；

图3为本发明应用示例多相滤波器的示意图；

图4为本发明应用示例开关电阻阵列的示意图；

图5为本发明应用示例振荡器的示意图；

图6为本发明应用示例可调电容的示意图；

图7为本发明应用示例交叉耦合管的电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1为本发明实施例正交本振信号发生器的结构框图，如图1所示，包括：包含两级级联单元的多相滤波器和具备正交耦合功能的倍频器；其中，

多相滤波器设置为：通过第一级级联单元将差分信号转换为第一正交信号；通过第二级级联单元对转换获得的第一正交信号进行带宽扩展，获得第二正交信号；

倍频器设置为：对获得的第二正交信号进行倍频放大和预设角度的相移，获得预设频率的正交本振信号。

需要说明的是，倍频器实现的相移的预设角度可以由本领域技术人员根据相关原理设计实现，预设角度可以包括90度，还可以包括45在内的其他角度。

在一种示例性实施例中，本发明实施例第一级级联单元和第二级级联单元的工作频率存在预设偏差。

在一种示例性实施例中，本发明实施例第一级联单元包括：四个环形连接的第一滤波模块；其中，

第一滤波模块包括串联的第一电阻和第一电容，各第一滤波模块分别设置为对差分信号进行预设相位差的移相，以获得相应相位的第一正交信号。

在一种示例性实施例中，本发明实施例第二级联单元包括：四个环形连接的第二滤波模块；其中，

第二滤波模块包括串联的第二电阻和第二电容，各第二滤波模块分别设置为对其中一个相位的第一正交信号进行带宽扩展，获得与各相位第一正交信号对应第二正交信号。

在一种示例性实施例中，本发明实施例第一电阻包括：开关电阻阵列。

在一种示例性实施例中，本发明实施例第二电阻包括：开关电阻阵列。

在一种示例性实例中，本发明实施例倍频器包括：整数倍数的倍频器。

需要说明的是，本发明实施例倍频器的正交耦合功能，可以由本领域技术人员根据相关原理在已有的倍频器中增加设置。

在一种示例性实施例中，倍频器包括：正交注入锁定的三倍频器。

在一种示例性实施例中，正交注入锁定的三倍频器包括：

电路结构相同的同相I路的振荡器和正交Q路的振荡器、及I路的振荡器和Q路的振荡器之间的交叉耦合单元。

在一种示例性实施例中，振荡器包括：注入管、耦合变压器、两个可调电容和两个交叉耦合管；其中，

注入管的栅极与多相滤波器的输出端相连，设置为产生三阶谐波；

耦合变压器包括初级线圈和次级线圈，初级线圈与注入管的漏端相连，设置为：将产生的三阶谐波耦合到振荡器中；

可调电容包括第一连接端口和第二连接端口，两个可调电容之间通过第一连接端口连接，两个可调电容的其中一个第二连接端口连接耦合变压器的次级线圈，两个可调电容的另外一个第二连接端口连接交叉耦合管的漏端，两个可调电容设置为：对振荡器进行频率调谐，以实现预设宽度的调谐范围；

两个交叉耦合管之间，第一个交叉耦合管的栅端与第二个交叉耦合管的漏端连接，第一个交叉耦合管的漏端与第二个交叉耦合管的栅端连接，设置为产生确保振荡器的起振的负阻。

在一种示例性实施例中，交叉耦合管包括：

由4个晶体管，以首尾连接形成环路的方式构成的耦合管。

本发明实施例正交本振信号发生器包括：包含两级级联单元的多相滤波器和具备正交耦合功能的倍频器；其中，多相滤波器的第一级级联单元将差分信号转换为第一正交信号，第二级级联单元对获得的第一正交信号进行带宽扩展，获得第二正交信号；倍频器对获得的第二正交信号进行倍频放大和预设角度的相移，获得预设频率的正交本振信号。本发明实施例通过级联结构的多相滤波器对差分信号分别进行信号转换和带宽扩展，提升了生成的正交信号的正交性能，具备正交耦合功能的倍频器对获得的正交信号进行倍频放大时，通过正交耦合功能实现预设角度的相移，提升了获得的本振信号的相位噪声性能。

本发明实施例还提供一种本振链路，本振链路包括上述正交本振信号发生器。

本发明实施例还提供一种射频收发机，射频收发机包括上述本振链路。以下通过应用示例对本发明实施例方法进行简要说明，应用示例仅用于陈述本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

应用示例

本应用示例正交本振信号发生器应用于毫米波频段，图2为本发明应用示例正交本振信号发生器的示意图，如图2所示，正交本振信号发生器包括多相滤波器和具备正交耦合功能的倍频器，输入正交本振信号发生器的差分信号(20GHz)，正交本振信号发生器输出的本振信号为60GHz；多相滤波器将输入的差分信号转换为正交信号，正交信号注入到倍频器中，产生正交 60GHz的本振信号。在一种示例性实例中，本应用示例倍频器包括：三倍频、四倍频或六倍频的倍频器；倍频器可以用于实现预设相位差的相位；例如、相位差为90度的相位；以实现8个相位(每个相位间隔45度)为例，可以通过倍频器中的移相器产生8个相位，用来耦合4个振荡器(每个振荡器产生0和180度)，从而获得8个相位。由于倍频器的输入信号为正交信号，因此输出信号的正交性能提升。

在一种示例性实例中，本应用示例多相滤波器由两级级联单元构成，通过第一级级联单元将差分信号转换为第一正交信号；通过第二级级联单元对转换获得的第一正交信号进行带宽扩展，获得第二正交信号。

本应用示例第二级联单元由四个第二滤波模块按照环形方式连接；其中，每一个第二滤波模块由串联的第二电阻和第二电容组成；各第二滤波模块分别设置为对差分信号进行预设相位差的移相，以获得第一正交信号。图3为本发明应用示例多相滤波器的示意图，如图3所示，第一级联单元由四个第一滤波模块组成相同，第一滤波模块由第一电阻R1和第一电容C1串联而成，两路差分信号分别通过第一级联单元的正输入端和负输入端接入，环形连接的四个第一滤波模块分别进行预设相位差的移相；各第一滤波模块分别输出一个相位的第一正交信号。第二级联单元包括：环形连接的四个第二滤波模块；其中，第二滤波模块由第二电阻R2和第二电容C2串联组成，各第二滤波模块分别设置为对其中一个相位的第一正交信号进行带宽扩展，获得与各相位第一正交信息对应第二正交信号。单级的系统只能在很窄的带宽范围内实现比较好的正交产生效果；本应用示例采用两级的级联单元的工作频率存在预设偏差，偏差可以根据需要形成的正交信号的带宽确定，例如相对带宽 60％，两级级联形成宽带正交效果。因为输入信号为差分，本应用示例采用的级联结构产生的正交信号会存在相位差，克服了单级系统正交性不足的问题。

需要说明的是，上述第一级联单元和第二级联单元仅是本应用示例的可选示例，只要可以实现第一级联单元和第二级联单元的电路均可以应用于本应用示例。

本应用示例第一级级联单元为多相滤波器的单级系统，工作频率由第一由电阻R1和第一电容C1共同决定；例如、通过工作频率＝1/(2*PI*R*C)的计算公式确定。在一种示例性实例中，第一电阻和第二电阻可以通过开关电阻阵列实现；图4为本发明应用示例开关电阻阵列的示意图，如图4所示，开关电阻阵列通过开关SW0、SW1和SW2实现电阻调整，通过开关电阻阵列设计实现第一级联单元和第二级联单元，可以进一步扩展本发明应用示例正交信号的带宽。

本应用示例每一级级联单元都是由一个低通网络和一个高通网络构成，网络的输出在相位上始终保持正交，仅在频率ω＝1/(RC)处输出幅度相同的信号；通过多相滤波器的级联结构获得宽带信号后，在ω＝1/(RC)处输出幅度相同的正交信号。随着温度以及工艺的变化，RC的乘积会变化。本应用示例引入两级级联单元，两级级联单元中可以设置电容相同、电阻不同，通过级联单元的上述设置可以确保在比较宽的频率范围内输出的正交信号相位的正交性。在一种示例性实例中，可以通过调整两级级联单元中的电阻，确保工作频点的正交性。

本应用示例上述多相滤波器一般会存在6分贝(dB)的固定增益损耗，工作在20GHz附近时，版图中的走线也会引入1-2dB的增益损耗，最终整个多相滤波器会引入8dB左右的增益损耗。

在一种示例性实例中，本应用示例倍频器包括：正交注入锁定的三倍频器。在一种示例性实例中，正交注入锁定的三倍频器包括：电路结构相同的I 路振荡器和Q路振荡器，以及两路振荡器之间的交叉耦合单元。

在一种示例性实例中，本应用示例振荡器包括：注入管、耦合变压器、可调电容和交叉耦合管；其中，

注入管与多相滤波器相连，用于产生三阶谐波；耦合变压器把三阶谐波耦合到振荡器中；可调电容用于实现对振荡器进行频率调谐，以实现预设宽度的调谐范围；交叉耦合管用于产生确保振荡器的起振的负阻。本应用示例可以在预先规定的有限的调谐范围内，对振荡器进行预设百分比乘调谐范围的频率调谐，预设百分比可以是30％左右；

以I路振荡器为例，图5为本发明应用示例振荡器的示意图，如图5所示， Mi1a、Mi1b为注入管，多相滤波器的输出级与注入管的栅极相连；TI为耦合变压器，耦合变压器包括初级线圈(Lipre)和次级线圈(Lisec)，初级线圈和次级线圈之间的耦合系数为ki，初级线圈与注入管的漏端相连；可调电容 Ci1和可调电容Ci2的一端相连，可调电容Ci1和可调电容Ci2未连接的两个连接端口中，一端和变压器的次级线圈连接，一段与交叉耦合管的漏端相连； Mi2a和Mi2b为交叉耦合管，Mi2a的栅端和Mi2b的漏端相连，Mi2b的栅端和Mi2a的漏端相连。图6为本发明应用示例可调电容的示意图，可调电容可以通过图示中的开关(SW)进行调整。图7为本发明应用示例交叉耦合管的电路示意图，如图7所示，交叉耦合管采用4个晶体管，以首尾连接形成环路。

本应用示例正交注入锁定的三倍频器中的交叉耦合单元可以产生90度的相移，可以确保实现比较好的相位噪声性能。

本应用示例正交本振信号发生器可以基于互补金属氧化物半导体(CMOS) 工艺实现，相比其他工艺具有功耗低、集成度高和芯片面积小等优点。

本应用示例正交本振信号发生器基于上述多相滤波器实现，主要由电阻和电容构成，工作在20GHz时，电阻和电容的面积都比较小；正交输入锁定的三倍频器工作在60GHz，正交注入锁定的三倍频器中的耦合变压器初级线圈和次级线圈的感值都比较小，因此耦合变压器的版图面积也比较小；此外，本应用示例采用的正交注入锁定的三倍频器引入了交叉耦合管，交叉耦合管采用4个晶体管，以首尾连接形成环路设计，实现了相邻节点为90度的相移，相比于其他的无源网络，大大节省了制版面积。

本应用示例正交注入锁定的三倍频器采用的是顶部注入，将注入倍频部分和耦合变压器的直流分开，使得注入管可以独立优化，并且耦合变压器的电流可以灵活控制，相比于相关技术中的倍频器，提升了倍频器的锁定范围。此外利用耦合变压器做顶部注入，产生了相位平台(在一段频率范围内，相位在0度左右)的效果，进一步提高了锁定范围。

本应用示例正交注入锁定的三倍频器采用了正交注入，提高了增益的匹配性的同时，增加了输出信号的相位正交性。本应用示例正交注入锁定的倍频器会自由振荡，产生一个自由振荡频率。自由振荡频率由耦合变压器和可调电容共同决定，本应用示例可以将I路和Q路的可调电容做成6-bit阵列形式，通过调节可调电容来调节自由振荡频率。正交注入锁定的三倍频器实际工作时，注入的正交信号的频率应在自由振荡频率附近，当注入的正交信号的频率和自由振荡频率完全相同时，输出的本振信号的正交性较好。

本应用示例输出本振信号的相位噪声性能主要取决于注入到多相滤波器中的20GHz差分信号的相位噪声性能及正交注入锁定的倍频器本振信号的噪声性能。输入的20GHz差分信号的相位噪声性能主要取决于前级振荡器(VCO) 设计，与本应用示例设计无关，在此不做赘述。从注入锁定的角度来看，相关技术中的正交振荡器的相位噪声性能一般不好，I路的信号耦合到Q路，I 路和Q路的电流正交，他们合成为注入锁定后的振荡器电流I

本应用示例提供了一个产生60G的正交本振信号发生器，其输出的本振信号可以覆盖55-65GHz。在实际工作时，首先调节多相滤波器中的可变电阻R1和R2，确保多相滤波器输出信号的正交性；再调节正交注入锁定的三倍频器的电容阵列，可以确保其自由振荡频率和注入频率相当。通过上述调整，可以输出相位噪声、正交性都较好的本振信号。

“本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。