本发明属于亚太赫兹集成电路，尤其是涉及一种自耦合蜿蜒线匹配网络的混频器电路。
背景技术：
1、太赫兹(thz)波是指频率在0.1～10thz范围内的电磁波(信号波长在3000～30μm之间)，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，处于毫米波和远红外光谱带之间，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区。太赫兹波由于在电磁波谱中的位置极其特殊，所以具有稳定性、宽带性、瞬态性、相干性、低能性、穿透性等优良特性。
2、由于太赫兹波段的特殊性，如何收发太赫兹信号成为了重中之重。现有技术中下变频混频器是通信系统接收链路的重要组成部分，信号频率变换的好坏与否对整个系统性能有着很大的影响，因此深入研究cmos(互补金属氧化物半导体)工艺下亚太赫兹频段的下变频混频器有着重要意义。现有的混频器，由于它位于低噪声放大器的后一级，若与低噪声放大器匹配效果差，则不具备转换增益和低噪声性能；其次在集成化需求越来越大的今天，现有的混频器芯片面积偏大。
技术实现思路
1、发明目的：本发明旨在提供一种转换增益高、芯片面积小的自耦合蜿蜒线匹配网络的混频器电路。
2、技术方案：本发明所述的自耦合蜿蜒线匹配网络的混频器电路，包括单平衡无源混频器电路、带有电阻和交叉耦合pmos负载的共源级放大器电路、带有电阻负载的三级共源级放大器电路、自耦合蜿蜒线射频匹配网络、本振匹配电路以及输出缓冲级；其中，单平衡无源混频器电路的射频输入端与自耦合蜿蜒线射频匹配网络连接，输出端与带有电阻和交叉耦合pmos负载的共源级放大器电路的正负输入端相连接，自耦合蜿蜒线射频匹配网络输入端接收射频信号；带有电阻和交叉耦合pmos负载的共源级放大器电路的输出端与带电阻负载的三级共源级放大器电路差分输入端对应连接，带电阻负载的三级共源级放大器电路的输出端与输出缓冲级的差分输入端对应连接，输出缓冲级发射中频信号；本振信号通过变压器巴伦进行转换，本振匹配电路正输出端、负输出端与混频电路本振输入对应连接。
3、其中，所述单平衡无源混频器电路包括第一晶体管m1、第二晶体管m2、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第一电阻r1、第二电阻r2以及集成自耦合蜿蜒线射频匹配网络；第一电容c1一端与本振信号正极lo+相连，另一端与第一晶体管m1的栅极和提供本振偏置电压vlo的第一电阻r1相连，第一晶体管m1的源极连接集成自耦合蜿蜒线射频匹配网络的输出端，第一晶体管m1的漏极与第三电容c3以及第五电容c5相连，第二电容c2一端与本振信号负极lo-相连，另一端分别连接第二晶体管m2的栅极和提供本振偏置电压vlo的第二电阻r2，第二晶体管m1的源极接集成自耦合蜿蜒线射频匹配网络的输出端，第二晶体管m2的漏极与第四电容c4及第六电容c6相连，射频匹配网络的输入端与rf信号相连，输出端与第一晶体管m1和第二晶体管m2的源极相连。
4、其中，所述带有电阻和交叉耦合pmos负载的共源级放大器电路包括第三晶体管m3、第四晶体管m4、第五晶体管m5、第六晶体管m6、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电容c7以及第八电容c8；其中，第三晶体管m3的栅极与提供第一偏置电压vg1的第三电阻r3及第五电容c5相连，第三晶体管m3的源极接地，第五电阻r5的一端与第五晶体管m5的漏极相接并与第三晶体管m3的漏极以及第八电容c8相连，第五电阻r5的另一端与第五晶体管m5的源极相接并与电源vdd相连，第四晶体管m4的栅极与提供第一偏置电压vg1的第四电阻r4及第六电容c6相连，第四晶体管m4的源极接地，第六电阻r6的一端与第六晶体管m6的漏极相接并与第四晶体管m4的漏极以及第七电容c7相连，第六电阻r6的另一端与第六晶体管m6的源极相接并与电源vdd相连。
5、其中，所述带电阻负载的三级共源级放大器电路包括三级差分共源放大器，三级差分共源放大器包括第七晶体管m7、第八晶体管m8、第九晶体管m9、第十晶体管m10、第十一晶体管m11、第十二晶体管m12、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十四电阻r14、第十五电阻r15、第十六电阻r16、第七四电阻r17、第十八电阻r18、第七电容c7、第八电容c8、第九电容c9、第十电容c10、第十一电容c11、第十二电容c12以及第十三电容c13；其中，中频差分信号分别从第七晶体管m7和第八晶体管m8的栅极输入，第七晶体管m7的栅极与提供第二偏置电压vg2的第七电阻r7及第七电容c7相连，第七晶体管m7的源极接地，第七晶体管m7的漏极与第九电阻r9的一端以及第九电容c9相连，第八体管m8的栅极与提供第二偏置电压vg2的第八电阻r8及第八电容c8相连，第八晶体管m8的源极接地，第八晶体管m8的漏极第十电阻r10的一端以及第十电容c10相连，第九电阻r9的另一端与第十电阻r10的另一端相接并与电源vdd相连，同理，第九晶体管m9的栅极与提供第三偏置电压vg3的第十一电阻r11及第九电容c9相连，第九晶体管m9的源极接地，第九晶体管m9的漏极与第十三电阻r13的一端以及第十一电容c11相连，第十体管m10的栅极与提供第三偏置电压vg3的第十二电阻r12及第十电容c10相连，第十晶体管m8的源极接地，第十晶体管m10的漏极第十四电阻r14的一端以及第十二电容c12相连，第十三电阻r13的另一端与第十四电阻r14的另一端相接并与电源vdd相连，第十一晶体管m11的栅极与提供第四偏置电压vg3的第十五电阻r15及第十一电容c11相连，第十一晶体管m11的源极接地，第十一晶体管m11的漏极与第十七电阻r17的一端以及第十三电容c13相连，第十二晶体管m12的栅极与提供第四偏置电压vg3的第十三电阻r13及第十二电容c12相连，第十二晶体管m12的源极接地，第十二晶体管m12的漏极第十八电阻r18的一端以及第十六电容c16相连，第十八电阻r18的另一端与第十七电阻r17的另一端相接并与电源vdd相连。
6、其中，所述本振匹配电路包括变压器xfmr、第十九电容c19，第十九电容c19并联在变压器xfmr的初级线圈两端，变压器xfmr的初级线圈一端与本振信号lo相连接，一端与地gnd相连接，变压器xfmr的初级线圈的中心抽头接地，变压器xfmr的次级线圈一端与混频电路的本振信号正输出端lo+相连接，一端与混频电路的本振信号负输出端lo-相连接。
7、其中，所述输出缓冲级包括两路差分反向器，第一路差分反向器包括第十三晶体管m13、第十四晶体管m14、第十五晶体管m15、第十六晶体管m16、第十三电容c13、第十四电容c14、第十五电容c15、第十九电阻r19以及第二十电阻r20；其中，第十三晶体管m13的栅极和第十四晶体管m14的栅极相接并与第十九电阻r19的一端相连，差分信号的一路经过第十三电容c13从该处输入，第十三晶体管m13的漏极和第十四晶体管m14的漏极、第十九电阻r19的另一端、第十四电容c14相接，第十四电容c14的另一端与第十五晶体管m15的栅极和第十六晶体管m16的栅极、第二十电阻r20的一端相接，第十五晶体管m15的漏极和第十六晶体管m16的漏极、第二十电阻r20的另一端与第十五电容c15相接，第十五电容c15的另一端为中频信号的正极输出端if+。
8、其中，还包括第二路差分反向器，第二路差分反向器包括第十七晶体管m17、第十八晶体管m18、第十九晶体管m19、第二十晶体管m20、第十六电容c16、第十七电容c17、第十八电容c18、第二十一电阻r21以及第二十二电阻r22；其中，第十七晶体管m17的栅极和第十八晶体管m18的栅极相接并与第二十一电阻r21的一端相连，差分信号的另一路经过第十六电容c16从该处输入，第十七晶体管m17的漏极和第十八晶体管m18的漏极、第二十一电阻r21的另一端、第十七电容c17相接，第十七电容c17的另一端与第十九晶体管m19的栅极和第二十晶体管m20的栅极、第二十二电阻r22的一端相接，第十九晶体管m19的漏极和第二十晶体管m20的漏极、第二十二电阻r22的另一端相接，第十八电容c18的另一端为中频信号的负极输出端if-，第十三晶体管m13的源极、第十四晶体管m14的源极、第十七三晶体管m17的源极、第十九晶体管m19的源极均接电源vdd，第十四晶体管m14的源极、第十六晶体管m16的源极、第十八晶体管m18的源极、第二十晶体管m20的源极均接地。
9、其中，所述自耦合蜿蜒线匹配网络通过集成电路工艺的金属线耦合进行匹配，采用集成电路工艺实现单片集成。
10、其中，所述中频输入端口的反射系数在3.9～18.2ghz频率范围内均小于-10db；射频输入端口的反射系数，在192～260ghz频率范围内均小于-10db。
11、其中，所述混频器电路的输入1db压缩点，为-20dbm，中频为10ghz时，混频器转换增益为14db。
12、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明在单平衡混频器结构的基础上，增加自耦合蜿蜒线射频匹配网络电路，该电路由自耦合蜿蜒线及电容构成，此电路相比传统变压器较为紧凑，大幅缩减芯片面积，降低制造成本，并且具有自耦合效应，增加射频输入电路的谐振频点，从而拓展带宽；同时在混频器和增益级之间引入带有电阻和交叉耦合pmos负载的共源级放大器作为过渡级以减少阻抗不匹配带来的功率损耗，提高混频器的转换增益。
1.一种自耦合蜿蜒线匹配网络的混频器电路，其特征在于，包括单平衡无源混频器电路、共源级放大器电路、三级共源级放大器电路、自耦合蜿蜒线射频匹配网络、本振匹配电路以及输出缓冲级；其中，单平衡无源混频器电路的射频输入端与自耦合蜿蜒线射频匹配网络连接，输出端与共源级放大器电路的正负输入端相连接，自耦合蜿蜒线射频匹配网络输入端接收射频信号；共源级放大器电路的输出端与三级共源级放大器电路差分输入端对应连接，三级共源级放大器电路的输出端与输出缓冲级的差分输入端对应连接，输出缓冲级发射中频信号；本振信号通过变压器巴伦进行转换，本振匹配电路正输出端、负输出端与混频电路本振输入对应连接。
2.根据权利要求1所述的一种自耦合蜿蜒线匹配网络的混频器电路，其特征在于，所述单平衡无源混频器电路包括第一晶体管m1、第二晶体管m2、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第一电阻r1、第二电阻r2以及集成自耦合蜿蜒线射频匹配网络；第一电容c1一端与本振信号正极lo+相连，另一端与第一晶体管m1的栅极和提供本振偏置电压vlo的第一电阻r1相连，第一晶体管m1的源极连接集成自耦合蜿蜒线射频匹配网络的输出端，第一晶体管m1的漏极与第三电容c3以及第五电容c5相连，第二电容c2一端与本振信号负极lo-相连，另一端分别连接第二晶体管m2的栅极和提供本振偏置电压vlo的第二电阻r2，第二晶体管m1的源极接集成自耦合蜿蜒线射频匹配网络的输出端，第二晶体管m2的漏极与第四电容c4及第六电容c6相连，射频匹配网络的输入端与rf信号相连，输出端与第一晶体管m1和第二晶体管m2的源极相连。
3.根据权利要求1所述的一种自耦合蜿蜒线匹配网络的混频器电路，其特征在于，所述共源级放大器电路包括第三晶体管m3、第四晶体管m4、第五晶体管m5、第六晶体管m6、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电容c7以及第八电容c8；其中，第三晶体管m3的栅极与提供第一偏置电压vg1的第三电阻r3及第五电容c5相连，第三晶体管m3的源极接地，第五电阻r5的一端与第五晶体管m5的漏极相接并与第三晶体管m3的漏极以及第八电容c8相连，第五电阻r5的另一端与第五晶体管m5的源极相接并与电源vdd相连，第四晶体管m4的栅极与提供第一偏置电压vg1的第四电阻r4及第六电容c6相连，第四晶体管m4的源极接地，第六电阻r6的一端与第六晶体管m6的漏极相接并与第四晶体管m4的漏极以及第七电容c7相连，第六电阻r6的另一端与第六晶体管m6的源极相接并与电源vdd相连。
4.根据权利要求1所述的一种自耦合蜿蜒线匹配网络的混频器电路，其特征在于，所述三级共源级放大器电路包括三级差分共源放大器，三级差分共源放大器包括第七晶体管m7、第八晶体管m8、第九晶体管m9、第十晶体管m10、第十一晶体管m11、第十二晶体管m12、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十四电阻r14、第十五电阻r15、第十六电阻r16、第七四电阻r17、第十八电阻r18、第七电容c7、第八电容c8、第九电容c9、第十电容c10、第十一电容c11、第十二电容c12以及第十三电容c13；其中，中频差分信号分别从第七晶体管m7和第八晶体管m8的栅极输入，第七晶体管m7的栅极与提供第二偏置电压vg2的第七电阻r7及第七电容c7相连，第七晶体管m7的源极接地，第七晶体管m7的漏极与第九电阻r9的一端以及第九电容c9相连，第八体管m8的栅极与提供第二偏置电压vg2的第八电阻r8及第八电容c8相连，第八晶体管m8的源极接地，第八晶体管m8的漏极第十电阻r10的一端以及第十电容c10相连，第九电阻r9的另一端与第十电阻r10的另一端相接并与电源vdd相连，同理，第九晶体管m9的栅极与提供第三偏置电压vg3的第十一电阻r11及第九电容c9相连，第九晶体管m9的源极接地，第九晶体管m9的漏极与第十三电阻r13的一端以及第十一电容c11相连，第十体管m10的栅极与提供第三偏置电压vg3的第十二电阻r12及第十电容c10相连，第十晶体管m8的源极接地，第十晶体管m10的漏极第十四电阻r14的一端以及第十二电容c12相连，第十三电阻r13的另一端与第十四电阻r14的另一端相接并与电源vdd相连，第十一晶体管m11的栅极与提供第四偏置电压vg3的第十五电阻r15及第十一电容c11相连，第十一晶体管m11的源极接地，第十一晶体管m11的漏极与第十七电阻r17的一端以及第十三电容c13相连，第十二晶体管m12的栅极与提供第四偏置电压vg3的第十三电阻r13及第十二电容c12相连，第十二晶体管m12的源极接地，第十二晶体管m12的漏极第十八电阻r18的一端以及第十六电容c16相连，第十八电阻r18的另一端与第十七电阻r17的另一端相接并与电源vdd相连。
5.根据权利要求1所述的一种自耦合蜿蜒线匹配网络的混频器电路，其特征在于，所述本振匹配电路包括变压器xfmr、第十九电容c19，第十九电容c19并联在变压器xfmr的初级线圈两端，变压器xfmr的初级线圈一端与本振信号lo相连接，一端与地gnd相连接，变压器xfmr的初级线圈的中心抽头接地，变压器xfmr的次级线圈一端与混频电路的本振信号正输出端lo+相连接，一端与混频电路的本振信号负输出端lo-相连接。
6.根据权利要求1所述的一种自耦合蜿蜒线匹配网络的混频器电路，其特征在于，所述输出缓冲级包括两路差分反向器，第一路差分反向器包括第十三晶体管m13、第十四晶体管m14、第十五晶体管m15、第十六晶体管m16、第十三电容c13、第十四电容c14、第十五电容c15、第十九电阻r19以及第二十电阻r20；其中，第十三晶体管m13的栅极和第十四晶体管m14的栅极相接并与第十九电阻r19的一端相连，差分信号的一路经过第十三电容c13从该处输入，第十三晶体管m13的漏极和第十四晶体管m14的漏极、第十九电阻r19的另一端、第十四电容c14相接，第十四电容c14的另一端与第十五晶体管m15的栅极和第十六晶体管m16的栅极、第二十电阻r20的一端相接，第十五晶体管m15的漏极和第十六晶体管m16的漏极、第二十电阻r20的另一端与第十五电容c15相接，第十五电容c15的另一端为中频信号的正极输出端if+。
7.根据权利要求6所述的一种自耦合蜿蜒线匹配网络的混频器电路，其特征在于，还包括第二路差分反向器，第二路差分反向器包括第十七晶体管m17、第十八晶体管m18、第十九晶体管m19、第二十晶体管m20、第十六电容c16、第十七电容c17、第十八电容c18、第二十一电阻r21以及第二十二电阻r22；其中，第十七晶体管m17的栅极和第十八晶体管m18的栅极相接并与第二十一电阻r21的一端相连，差分信号的另一路经过第十六电容c16从该处输入，第十七晶体管m17的漏极和第十八晶体管m18的漏极、第二十一电阻r21的另一端、第十七电容c17相接，第十七电容c17的另一端与第十九晶体管m19的栅极和第二十晶体管m20的栅极、第二十二电阻r22的一端相接，第十九晶体管m19的漏极和第二十晶体管m20的漏极、第二十二电阻r22的另一端相接，第十八电容c18的另一端为中频信号的负极输出端if-，第十三晶体管m13的源极、第十四晶体管m14的源极、第十七三晶体管m17的源极、第十九晶体管m19的源极均接电源vdd，第十四晶体管m14的源极、第十六晶体管m16的源极、第十八晶体管m18的源极、第二十晶体管m20的源极均接地。
8.根据权利要求1所述的一种自耦合蜿蜒线匹配网络的混频器电路，其特征在于，所述自耦合蜿蜒线匹配网络通过集成电路工艺的金属线耦合进行匹配，采用集成电路工艺实现单片集成。
9.根据权利要求1所述的一种自耦合蜿蜒线匹配网络的混频器电路，其特征在于，所述输出缓冲级输出端中频信号的反射系数在3.9～18.2ghz频率范围内均小于-10db；射频信号的反射系数，在192～260ghz频率范围内均小于-10db。
10.根据权利要求1所述的一种自耦合蜿蜒线匹配网络的混频器电路，其特征在于，所述混频器电路的输入1db压缩点，为-20dbm，中频为10ghz时，混频器转换增益为14db。
