一種基于130 nm CMOS工藝的K波段上/下雙向混頻器
2022年電子技術應用第1期
趙玉楠，潘俊仁，彭 堯，何 進，王 豪，常 勝，黃啟俊
武漢大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢430072
摘要： 基于130 nm RF CMOS工藝，提出了一種可實現上/下雙向變頻功能的K波段有源混頻器。當收發機工作于接收模式時，雙向混頻器執行下變頻功能，將低噪放大器放大后的射頻信號轉換為中頻信號；當收發機工作于發射模式時，雙向混頻器則實現上變頻功能，將輸入的基帶信號轉換為射頻信號并輸出至功率放大器。后仿真結果表明，在0 dBm的本振驅動下，混頻器工作于上變頻模式時的轉換增益、噪聲系數、輸出1 dB壓縮點在23~25 GHz范圍內分別為-1.1~-0.4 dB、12.9~3.3 dB、-8.2 dBm@24 GHz；工作于下變頻工作模式時的轉換增益、噪聲系數、輸入1 dB壓縮點在23~25 GHz范圍內分別為2.4~3.4 dB、15.2~15.6 dB、-3.6 dBm@24 GHz。混頻器芯片面積為0.6 mm2；在1.5 V供電電壓下，消耗功率12 mW。
中圖分類號： TN432；TN773
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211716
中文引用格式： 趙玉楠，潘俊仁，彭堯，等. 一種基于130 nm CMOS工藝的K波段上/下雙向混頻器[J].電子技術應用，2022，48(1)：94-99.
英文引用格式： Zhao Yunan，Pan Junren，Peng Yao，et al. A K-band up/down bidirectional mixer in 130 nm CMOS[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(1)：94-99.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211716
中文引用格式： 趙玉楠，潘俊仁，彭堯，等. 一種基于130 nm CMOS工藝的K波段上/下雙向混頻器[J].電子技術應用，2022，48(1)：94-99.
英文引用格式： Zhao Yunan，Pan Junren，Peng Yao，et al. A K-band up/down bidirectional mixer in 130 nm CMOS[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(1)：94-99.
A K-band up/down bidirectional mixer in 130 nm CMOS
Zhao Yunan，Pan Junren，Peng Yao，He Jin，Wang Hao，Chang Sheng，Huang Qijun
School of Physics and Technology，Wuhan University，Wuhan 430072，China
Abstract： An active bidirectional mixer performing the up/down conversion is proposed at K-band with a 130 nm CMOS in this paper. The mixer performs the down conversion in the Rx mode and converts the radio frequency(RF) signal amplified by low noise amplifier(LNA) into the intermediate frequency(IF) signal, whereas carries out the up conversion in the Tx mode and shifts the baseband(BB) signal up to the RF signal for the power amplifier(PA). Post-simulation results shows that with 0 dBm local oscillator(LO) drives, the mixer achieves the conversion gain(CG), noise figure(NF), and output 1 dB compression point(OP1dB) of -1.1~
-0.4 dB, 12.9~13.3 dB from 23 to 25 GHz, and -8.2 dBm@24 GHz in up-conversion mode, respectively. In down-conversion mode, the mixer exhibits the CG, NF, and iutput 1 dB compression point(IP1dB) of 2.4~3.4 dB, 15.2~15.6 dB from 23 to 25 GHz, and -3.6 dBm@24 GHz, respectively. The chip area is 0.6 mm2, which consumes 12 mW from a supply of 1.5 V.
Key words : up/down bidirectional mixer；K-band；CMOS；active balun
0 引言
隨著汽車工業快速地發展，駕駛員迫切需要先進的駕駛輔助系統(Advanced Driver-Assistance System，ADAS)來提高道路交通的安全性[1-2]。毫米波雷達傳感器作為先進駕駛輔助系統的重要模塊，具有高空間分辨率、低大氣衰減等特點，近年來受到了廣泛的關注[3-7]。目前，汽車雷達傳感器主要采用兩個毫米波段，一個是K波段的24 GHz，用于盲點檢測和防撞等短程應用；另一個是E波段的77 GHz，用于自適應巡航控制等遠程雷達通信。由于CMOS工藝具有開關速度快、成本低、集成度高等優點，為了滿足日益增長的市場需求，基于CMOS工藝的K波段收發機得到了廣泛的研究和開發[8-13]。傳統無線收發機的收發支路一般采用分開設計的方式。作為收發支路中的關鍵組成部分，下變頻混頻器在接收支路中，將低噪放大器放大后的射頻信號下變頻為中頻信號；而上變頻混頻器則在發射支路中，將基帶信號上變頻為射頻信號。相對來說，這種收發支路分開設計的方式將占用更大的芯片面積，消耗更多的功耗，增加系統的復雜度，對小型化、低功耗、低成本的芯片設計較為不利。雖然單個無源混頻器可以實現上/下雙向變頻功能，但是它們有轉換損耗，并且需要較高的本振驅動[14]，從而導致系統功耗顯著增加。
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作者信息：
趙玉楠，潘俊仁，彭 堯，何 進，王 豪，常 勝，黃啟俊
(武漢大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢430072)
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