一种基于130 nm CMOS工艺的K波段上/下双向混频器
2022年电子技术应用第1期
赵玉楠，潘俊仁，彭 尧，何 进，王 豪，常 胜，黄启俊
武汉大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉430072
摘要： 基于130 nm RF CMOS工艺，提出了一种可实现上/下双向变频功能的K波段有源混频器。当收发机工作于接收模式时，双向混频器执行下变频功能，将低噪放大器放大后的射频信号转换为中频信号；当收发机工作于发射模式时，双向混频器则实现上变频功能，将输入的基带信号转换为射频信号并输出至功率放大器。后仿真结果表明，在0 dBm的本振驱动下，混频器工作于上变频模式时的转换增益、噪声系数、输出1 dB压缩点在23~25 GHz范围内分别为-1.1~-0.4 dB、12.9~3.3 dB、-8.2 dBm@24 GHz；工作于下变频工作模式时的转换增益、噪声系数、输入1 dB压缩点在23~25 GHz范围内分别为2.4~3.4 dB、15.2~15.6 dB、-3.6 dBm@24 GHz。混频器芯片面积为0.6 mm2；在1.5 V供电电压下，消耗功率12 mW。
中图分类号： TN432；TN773
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211716
中文引用格式： 赵玉楠，潘俊仁，彭尧，等. 一种基于130 nm CMOS工艺的K波段上/下双向混频器[J].电子技术应用，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.
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211716
中文引用格式： 赵玉楠，潘俊仁，彭尧，等. 一种基于130 nm CMOS工艺的K波段上/下双向混频器[J].电子技术应用，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
随着汽车工业快速地发展，驾驶员迫切需要先进的驾驶辅助系统(Advanced Driver-Assistance System，ADAS)来提高道路交通的安全性[1-2]。毫米波雷达传感器作为先进驾驶辅助系统的重要模块，具有高空间分辨率、低大气衰减等特点，近年来受到了广泛的关注[3-7]。目前，汽车雷达传感器主要采用两个毫米波段，一个是K波段的24 GHz，用于盲点检测和防撞等短程应用；另一个是E波段的77 GHz，用于自适应巡航控制等远程雷达通信。由于CMOS工艺具有开关速度快、成本低、集成度高等优点，为了满足日益增长的市场需求，基于CMOS工艺的K波段收发机得到了广泛的研究和开发[8-13]。传统无线收发机的收发支路一般采用分开设计的方式。作为收发支路中的关键组成部分，下变频混频器在接收支路中，将低噪放大器放大后的射频信号下变频为中频信号；而上变频混频器则在发射支路中，将基带信号上变频为射频信号。相对来说，这种收发支路分开设计的方式将占用更大的芯片面积，消耗更多的功耗，增加系统的复杂度，对小型化、低功耗、低成本的芯片设计较为不利。虽然单个无源混频器可以实现上/下双向变频功能，但是它们有转换损耗，并且需要较高的本振驱动[14]，从而导致系统功耗显著增加。
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作者信息：
赵玉楠，潘俊仁，彭 尧，何 进，王 豪，常 胜，黄启俊
(武汉大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉430072)
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