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WiMax直接变频混频器设计及性能评测
© 2014 A.M. Almohaimeed和M.C.E.亚古布出版社:Elsevier B.V.由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectAASRI Procedia 9(2014)92 - 982014年AASRI电路与信号处理会议(CSP 2014)适用于WiMax应用的A.M. Almohaimeed*,M.C.E. Yagoub渥太华大学电气工程与计算机科学学院,渥太华,安大略省K1N 6N5加拿大摘要全球微波接入互操作性或WiMax是基于IEEE 802.11标准802.16标准。它在长距离上发送高数据速率的优势,同时使用单个基站覆盖大面积,使该技术成为公共无线网络的灵活可靠的解决方案。提出了一种适用于WiMax直接变频接收机的电流分流吉尔伯特单元下变频混频器。该混频器的转换增益为5.1 dB,IIP3为1.5 dBm,IIP2为36 dBm,单边带噪声系数为11.6 dB,双边带噪声系数为8.4dB,与已发表的设计结果进行了比较,结果表明该混频器基本上满足WiMax标准。© 2014作者。出版社:Elsevier B. V.这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/)。美国应用科学研究所科学委员会负责同行评议关键词:直接转换; HEMT;混频器; WiMax。1. 介绍对安全的高速高数据速率通信链路的需求不断增长,最好是通过无线连接通过笔记本电脑和智能手机访问,这使得全球微波接入互操作性或WiMax成为最有前途的技术之一。此外,与其它无线技术相比,WiMax系统可以用更少的基站覆盖长距离区域,因此涉及更低的维护、操作和管理成本(J.Malleket al.,* 通讯作者。联系电话:+1-613-562-5800;传真:+1-613-562-5175。电子邮件地址:aalmo034@uottawa.ca。2212-6716 © 2014作者出版社:Elsevier B.诉 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/)。美国应用科学研究所科学委员会负责的同行评审doi:10.1016/j.aasri.2014.09.016A. M. Almohaimeed和M. Yagoub / AASRI Procedia 9(2014)92932010年)。在WiMax技术中,最广泛使用的RF收发器是直接转换架构,这主要是因为其高集成度和较少的组件要求,从而导致降低的功耗(Huanget al.,2007年; Antonopouloset等人,2008; Atallahet等人,2007年)。在WiMax接收器中,下变频混频器是需要考虑的最重要器件之一。根据期望的性能,在设计混频器时应针对各种参数目标,例如高转换增益、1dB压缩点(P-1dB)、端口到端口隔离、输入二阶截点(IIP 2)和输入三阶截点(IIP 3)以及低噪声系数(NF)和电压源。实际上,这些参数不能同时实现。因此,基于设计约束和标准规范,可以考虑不同的混频器类型和拓扑结构。然而,吉尔伯特单元下变频混频器是最适合WiMax应用的混频器之一(Wei等人,2010;Hsiao等人,2010年; Wu等人,2010年)。事实上,Gilbert单元混频器由于其固有的端口隔离、相对较高的增益、适度的线性度以及有效消除偶次谐波失真,因此与单平衡和单平衡混频器相比具有主要优势。在过去的几年中,已经做了大量的工作来改善吉尔伯特单元混频器的性能,导致折叠混频器,电流重用混频器和电流泄漏混频器。提出了一种适用于WiMax直接变频接收机的电流分流Gilbert Cell下变频混频器。该设计采用Win Semiconductor Crop.0的0.15mm InGaAsp HEMT工艺实现。该混频器的转换增益为5.1 dB,IIP3为1.5 dBm,IIP2为36 dBm,单边带噪声系数为11.6 dB,双边带噪声系数为8.4dB,与已发表的混频器设计进行了比较,结果表明该混频器基本上符合WiMax标准。2. 建议的搅拌机设计吉尔伯特单元混频器由于其高端口隔离度、优异的增益和消除所有偶次谐波而被广泛使用。然而,它们需要堆叠更多的晶体管,导致更多的偏置电源和功率耗散以及更差的噪声系数和线性度(Krcmaret等人,2007;Su等人,2008年)。因此,已经提出了一些技术来增强常规吉尔伯特单元混频器性能,从而产生折叠混频器、电流重用混频器和电流泄放混频器(Krcmaret等人,2007;Su等人,2008; Karanicolas,1996; Lin等人,2006年)。在这项工作中,目前出血技术已被保留作为一个合适的工具,以提高混频器的响应。在所提出的设计中(图1),RF信号被施加到差分晶体管(M1和M2)的栅极。这种配置产生相对恒定的增益,消除偶次谐波,并将M1和M2 RF输入信号电压转换为输出电流。LO信号被施加到M3-M6。这些晶体管在夹断区附近工作,以实现RF放大信号与LO信号的相乘。电流镜级(M9和M10)为电路提供所需的电流。最后,增加了两个源极跟随器缓冲器(M7和M8),以使IF+/IF-输出与巴伦相匹配。为了获得高的转换增益,RF晶体管应该大于LO晶体管。另一方面,大尺寸晶体管增加了DC和LO功耗。因此,向M1和M2添加电流泄放块(R1和R2),以通过增加RF级中的电流来增强转换增益。该电流应足以使M1和M2工作在饱和区,同时降低LO级的电流;因此,负载电阻R6和R7中的电压下降。(Tsai等人,2007年;Khyet等人,2010; Wu等人,2010年)。基于最小噪声系数、功耗和最大频率来确定晶体管的尺寸,即,2×25 μm。此外,这种小的晶体管尺寸提供了施加电流泄放以降低电路电压的能力。94A. M. Almohaimeed和M. Yagoub / AASRI Procedia 9(2014)92图1. 建议使用当前出血技术的吉尔伯特细胞混合器(Tsai等人,(2007年)3. 结果该混频器的设计,在WinSemiconductor Crop. 0提供的Agilent-InGaAsHEMT工艺流程的商业电路仿真器上实现进行链路预算,以推导出要设计的下变频混频器的所需规格(表1)。该模拟器设置输入信号频率为3.493至3.507 GHz,LO信号频率为3.5 GHz,以获得7 MHz的IF输出频率。如图2(a)所示,-3 dBm的最佳LO功率允许达到最高转换增益值,即,7.3 DB.然而,如图2(b)所示,上述LO功率给出了约10 dB的相对较高的单边带噪声系数。因此,作为折衷,我们选择0 dBm的LO功率,对应于约6 dB的转换增益和单边带9.3 dB和双边带6 dB的噪声系数。图3显示IIP3为1 dBm,而IIP2为39 dBm。表1.搅拌机规格参数RFLO如果最小最大最小最小频率(GHz)频率(GHz)频率(MHz)增益(dB)噪声系数(dB)IIP3(dBm)IIP2(dBm)值3.493 - 3.5073.575110.3 dBm32.4 dBm对于联合仿真(图4和图5),获得的转换增益显示在图4(a)中,而单边带和双边带的噪声系数显示在图4(b)中。相应的IIP2和IIP3分别为36 dBm和1.5 dBm(图1)。5)。协同仿真布局如图所示,A. M. Almohaimeed和M. Yagoub / AASRI Procedia 9(2014)9295812710685644-6-4-2 0 2 4-6-4-2024LO Power,dB LO Power,dB65432-6-4-2024LO Power,dB图6.这种性能在很大程度上满足WiMax标准,通过与已发布设计的成功比较可以证明这一点(表2)。(a)(b)第(1)款图2. (a)转换增益LO功率电平,(b)SSB(-)和DSB( )噪声系数与LO功率电平的关系图3. IIP3模拟(a)(b)图4.联合仿真布局:(a)转换增益与LO功率电平的关系,(b)SSB(-)和DSB( )噪声系数200-20-40-60IMD3基金-80-30-25-20-15十点五分Input Power,dBmIIP30 51014121086-6-4-2024LO Power,dB转换增益,dB转换增益,dB输出功率,dBm噪声系数,dB噪声系数,dB96A. M. Almohaimeed和M. Yagoub / AASRI Procedia 9(2014)92电流源RF级LO级源极跟随器图5.协同仿真布局:IIP3和IIP2见图6。混合器协同仿真布局5-45基金IMD3IMD2-95电话:+86-25-15-5 15 25 35 45Input Power,dBm输出功率,dBmA. M. Almohaimeed和M. Yagoub / AASRI Procedia 9(2014)92974. 结论提出了一种适用于WiMax应用的下变频器Gilbert单元混频器的设计方法。采用0.15μ mGaAspHEMT工艺实现,其转换增益为5.1dB,IIP3为1.5dBm,IIP2为36dBm,单边带和双边带噪声系数分别为11.6dB和8.4dB,与已发表的设计相比,基本上满足WiMax标准。表2.混频器性能与已发表作品的比较((*)DSB-(**)RF功率-(*)低噪声系数混频器)Ref技术拓扑射频频率中频巴解组织P-1dBGCIIP3IIP2NFPdiss(千兆赫)(MHz)(dBm)(dBm)(dB)(dBm)(dBm)(SSB)(mW)Wu等人,20100.15微米InGaAsHEMTGilbert-Cell 2.6不适用0-6 6-0.1 41 11(*)30Wei等人,2010翁等人,20100.18μm CMOS Gilbert-Cell基于0.18μm RF CMOSGilbert(**)注销额确认作者要感谢以卡西姆大学为代表的沙特阿拉伯高等教育部和渥太华的沙特文化局的财政支持。引用[1] 作者:J. J. J. WiMAX零差接收机的模数转换规范。微电子国际会议; 2010; 20-23。[2] 黄丹,高世,彭耀.采用0.13 μm CMOS工艺的2.5 - 20 MHz可变带宽和93 dB动态增益范围的WiMAX接收机。2007; 369- 372.[3] [10]杨文,杨文,杨文. 5.3 GHz直接变频WiMAX接收机的系统级分析和相应的混频器设计。国际集成电路与系统混合设计会议; 2008年;291-296[4] 张文辉,张文辉,张文辉.采用CMOS技术的直接变频WiMAX RF接收机前端,信号电路与系统;2007; 1-4。[5] 魏宏,翁荣,王军,一种用于WiMAX应用的1.5V高线性度下变频混频器。国际机械与电子工程会议。2010; 334-337。[6] 萧聪,黄永.一种适用于WiMAX应用的低功耗高线性CMOS折叠混频器。IEEE Int.Conf.Semiconductor Electronics; 2010; 119-12。[7] 吴俊,叶荣,洪泰.直接变频WiMAX接收机的基于高IIP2吉尔伯特混频器的下变频器设计2010; 404-407.Lyu等人, 0.18μm RF CMOSGilbert-Cell2-11200N/A215N/A2212本工作采用0.15μ mGaAspHEMT Gilbert-Cell 3.570-85.11.53611.639.62.410-6-9.80.4410N/A11.453.520-20(*) -2110.96-11N/A6.51098A. M. Almohaimeed和M. Yagoub / AASRI Procedia 9(2014)92[8] 赢得半导体作物,design Kit 0.15um InGaAspHEMT Low Noise Device; 2008.[9] [10] Krcmar M,Spiegel S,Ellinger F,Boeck G.一种宽带折叠吉尔伯特单元CMOS混频器。IEEE国际电子、电路与系统会议; 2007; 820-824。[10] 苏Z,林Z。一种用于WiMAX系统的18.9dB转换增益折叠混频器。IEEE亚太电路与系统会议; 2008; 292-295。[11]卡兰尼克拉斯河一种2.7 V 900 MHz CMOS LNA和混频器,IEEE J.固态电路; 1996; 31; 1939-1944。[12] 林春,吴平,张宏,王宏.采用0.13 μm CMOS工艺设计了一个9-50 GHz Gilbert单元下变频混频器。微波无线电元件2006; 16; 293-295.[13] 蔡俊,吴平,林,黄天,陈俊,黄伟。采用90 nm CMOS工艺的25-75 GHz宽带Gilbert单元混频器。微波无线电元件2007; 17; 247-249.[14] 胡亚特·凯亚采用0.13μm GaAs pHEMT技术的(35 - 45)GHz低功率直接转换吉尔伯特单元混频器2010; 1058-1061。[15] 吴俊,叶荣,洪泰.直接变频WiMAX接收机的基于高IIP2吉尔伯特混频器的下变频器设计2010; 404-407.[16] 刘S.用于3.5GHz WiMAX系统的1.5V低噪声混频器。电路与系统; 2010; 2211-2214。[17] 吕J,林Z. WiMAX应用的2 ~ 11 GHz直接变频混频器2007;1-4.
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