一、选题背景和意义：
随着通信行业的不断发展，对通信带宽，通信场景等提出更高要求。通信网中光纤作为核心网的固定接入；地面无线网作为移动接入，经历了几代更迭，如今5G开始商用；在人口密集的城市中铺设地面无线网以及光纤是十分便利的，但是在偏远地区广泛铺设光纤以及无线网络会导致成本过高，在高山、高原、海洋、森林等地区，卫星通信可作为补充来保证网络的覆盖。世界第一个区域性卫星移动通信系统是北美卫星移动通信系统（MSAT），它使用L频段和Ku频段。海事卫星移动通信系统（Inmarsat）是全球覆盖的移动卫星通信系统，使用L频段。还有铱系统、全球星、天通一号等系统，大多采用L频段及S频段。这些早先发展的卫星通信系统受制于频率、天线尺寸、价格的诸多限制，使用群体不广。而Ka波段的卫星通信则是有较高频率的优势，带宽大大增加，并且可以使用频率复用，对应的天线尺寸不大。
毫米波接收机发射机是卫星通信系统中重要的组成部分，其中混频器的作用是运用频谱搬移将信号从中频搬移到射频，然后经过功放发射出去。混频器的性能好坏直接可以影响到整个系统的性能，如混频器的本振信号泄露可能导致滤波器无法滤除本振信号，从而导致本振信号干扰发射信号。同时混频器的转换增益也会影响到后级电路的设计，转换增益过高或过低，后级电路会产生信号压缩或者信噪比过低。
二、课题关键问题及难点：
本课题设计的关键问题有：混频器核心电路的结构设计，混频器中频输入端口的单端转差分电路以及宽带匹配。
混频器核心电路中最常见的是吉尔伯特单元，吉尔伯特单元的基本电路是由开关级、跨导级以及负载级构成。其中跨导级的关键问题在于其差分结构：全差分结构或者伪差分结构，以及跨导级晶体管尺寸的选择，其偏置电压的选择。开关级的关键问题在于如何使得开关级的本振信号输出接近于理想方波开关。负载级的关键问题在于负载对电路会不会带来或者带来多少电压裕度、带宽、功耗的影响。
混频器单端转差分电路的关键点是电路结构的选择：无源电路或者有源电路。无源电路的结构较为简单，常用的是变压器作为巴伦使用，并且电路对称，有利于电路的平衡性。无源电路又有多种结构，且适用于低频端，其结构不如与无源电路的对称性好，而单端转差分的不平衡性又会给混频器核心电路带来不平衡。因此，如何调节混频器电路的不平衡性也是一难点。
宽带匹配问题是建立在单转差分电路的基础上。无源单转差分电路利用变压器巴伦进行宽带匹配，其宽带匹配问题也是一关键点。有源单转差分电路运用电路的输出阻抗来达到宽带匹配的目的，其中调节电路的输入阻抗也是一个难点。
三、文献综述（或调研报告）：
Barrie Gilbert在1968年提出吉尔伯特混频器,它是现在广泛使用的混频器结构，其基本结构单元由尾电流源，跨导级，开关级组成。单平衡混频器存在本振泄露，而吉尔伯特单元双平衡混频器有更高的变频增益，较高的本振和射频隔离度，且其输出能够有效抑制直流、本振和射频分量。在1997年Barrie Gilbert提出了一种采用双对称ab类输入级的高线性度吉尔伯特混频器，文中讲述了使用AB型拓扑结构的混频器，并且可以提供准确的输入阻抗，非常高的互调截距以及高输入容量，并且保持较好的噪声性能，这种结构可以用在微波频段，用电感替代电阻可以获得更好的噪声信号。2004年，Ming-Da Tsai 等采用0.18um CMOS工艺设计了超宽带混频器，其转换增益为11plusmn;1.5dB,带宽为0.3到2.5GHz。其中吉尔伯特单元偏置采用电流注入法。通过这种偏置电路，可以减小电阻的电压裕度并且减小电流偏置，从而减少功耗。2007年，Jeng-Han Tsai等采用90nm CMOS工艺设计了全积分双平衡混频器，采用了一种用于吉尔伯特跨导级设计的宽带匹配网络LC梯形，实现了再宽带下转环增益的平坦性和良好的射频端口阻抗匹配。其输出1dB压缩点分别在40GHz和60GHz是1dBm和-4dBm。2010年，Mostafa Jouri等采用0.18um CMOS工艺设计了基于UWB应用的下混频器。该设计使用电流渗透方法来提高线性度，降低直接噪声并改善转换增益。RF和LO输入使用宽带匹配，在整个频率范围内提供良好的匹配，在LO开关的公共源节点之间连接了一个串联电容器和电感器，以使寄生电容产生谐振，从而显着改善了转换增益，噪声和线性度。2007年，席占国等采用0.35um CMOS工艺实现了单边带高线性度上混频器。其采用了multi-tanh的线性化技术，以及多混频器技术、折叠基本尔伯特单元结构技术。Multi-tanh技术是在较小的输入范围中，跨导管可以呈现出合理的线性跨导，假若其输入端采用多混频器技术，当偏置电压合适的情况下，多跨导管的跨导几乎可以在较大的输入范围中表现出高线性度。2009年，Hyo-Rim Bae等采用0.18umCMOS 工艺设计了双栅极混频器。此设计提出了一种使用次谐波的双栅极混频器，以消除DC偏移并实现高LO-RF隔离，其主要思想是使用LO次谐波结构实现足够的转换增益和隔离，还使用具有适当偏置点的双栅极混频器降低所需的电源电压，降低功耗。2011年，Michael Wickert等采用了0.25um CMOS工艺完成了低功耗CMOS混频器以及DC校正。在高度集成的直接转换接收器中，可能会发生未知水平的自混频，从而引入了一种调节差分输出的直流偏移和共模的方法。2015年，You-Sun Won等采用130nm CMOS工艺设计了24GHz上混频器，转换增益为-1.9dB，输出1dB压缩点为0.3dBm，其混频器部分功耗为22.8mW。在所提出的混频器中，双平衡吉尔伯特单元与低失真跨导级结合使用，该级将电压反馈和自适应偏置方案结合在一起。提出的自适应偏置电路通过在IF输入信号超过电流限制的线性输入范围时提供额外的偏置电流来改善跨导级的线性度。2015年，Yo-sheng Lin等采用了90nm CMOS工艺设计了增强型双平衡吉尔伯特单元，特点是PMOS负阻补偿，转换增益增强，电流注入，功耗减少，线性度提升。该设计中包括一个增强的双平衡吉尔伯特单元，具有用于转换增益增强的PMOS负电阻补偿和用于功耗降低和线性度改善的电流注入，用于将单个LO输入信号转换为差分信号的马尔尚巴伦，另一个马尔尚巴伦用于将差分RF输出信号转换为单信号，以及用于缓冲负载效应，降低功耗和增强CG的输出缓冲放大器。2017年，Joong-Geun Lee等采用65nm CMOS工艺设计了中频转换宽带，高线性度的上混频器，该混频器的转换增益为6.2dB，输出1dB压缩点为-7.3dBm，功耗为17.8mW，中频转换带宽为7.5GHz。该设计提出的双平衡吉尔伯特单元型混频器采用电阻反馈网络和级间电感器来改善混频器的性能。通过降低跨导级MOS的阈值电压，从而提高OP1dB。2017年，Hyo-Sung Lee等采用65nm CMOS工艺设计了Ka波段上混频器，特点为源极电感退化，退化电感被用来与寄生电容谐振，从而实现输入匹配与降噪，其转换增益为3.1dB,LO-RF隔离度为-31.2dBc,功耗为9.6mW。
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