基于Ruthroff型寬帶巴倫結構的高性能雙平衡混頻器

寬帶混頻器廣泛應用于多功能無線收發(fā)器、微波收發(fā)器、微波回程、雷達和測試設備。寬帶混頻器使得在具有各種無線電參數(shù)的動態(tài)可編程性的無線電架構中使用單個混頻器成為可能。

已經(jīng)證明，CMOS和BiCMOS等先進硅技術能夠在相對窄帶應用中實現(xiàn)高性能混頻器。因此寬帶混頻器最期待的實現(xiàn)方式是使用集總元件或其他兼容IC制造技術和幾何形狀的結構制成。平衡混頻器是首選拓撲結構，因為與非平衡混頻器相比，它們在線性、噪聲系數(shù)和端口到端口隔離方面具有更好的整體性能。巴倫是單平衡混頻器和雙平衡混頻器中用于在平衡和非平衡配置之間轉換RF、LO和IF信號的關鍵組件。能夠在標準IC鑄造工藝中集成巴倫至關重要，這樣才能生產(chǎn)出寬帶集成混頻器。

本文介紹一種可以在硅、GaAs或任何其他集成過程中輕松實現(xiàn)的創(chuàng)新巴倫結構。這種巴倫拓撲的帶寬比傳統(tǒng)巴倫結構更寬。在0.18μm SiGe BiCMOS工藝中，使用寬帶巴倫設計一款3GHz至20GHz高性能混頻器。

寬帶巴倫

混頻器最重要的性能參數(shù)包括轉換增益、線性度、噪聲系數(shù)和工作帶寬。集成混頻器中使用的巴倫對所有這些混頻器的性能都有重大影響。集成巴倫的關鍵性能包括工作頻率范圍、插入損耗、幅度/相位平衡、共模抑制比(CMRR)和物理尺寸。

集成電路應用中的兩種常見巴倫結構是傳統(tǒng)平面變壓器巴倫和 Marchand巴倫。這兩種巴倫在窄帶應用中都有良好的性能。平面變壓器巴倫由兩個緊密耦合的變壓器組成。電感的自感和諧振頻率是帶寬的兩個主要限制因素。自感限制低頻端的帶寬，非平衡和平衡終端的寄生電容和不對稱終端限制高頻端的帶寬。Marchand巴倫由四條四分之一波長傳輸線組成，通常需要在芯片上占用大量空間。在集成電路中利用交錯變壓器布局，演示了微型Marchand巴倫。每條線段的電氣長度要求限制了Marchand巴倫的帶寬。當電氣長度偏離所需的四分之一波長時，振幅和相位平衡就會降低。通常，設計良好的變壓器巴倫或Marchand巴倫可以覆蓋3×至4×最大-最小頻率比的頻率范圍，且性能合理。

眾所周知，Ruthroff巴倫具有非常寬的帶寬，許多分立元件產(chǎn)品都是基于Ruthroff結構開發(fā)。但是，還沒有發(fā)現(xiàn)對微波集成電路應用類似結構。

圖1a顯示了一個Ruthroff型寬帶巴倫原理圖，可使用三個電感在平面半導體工藝中輕松構建。一個布局示例如圖1b所示。在該布局中，只需要兩個金屬層，一個厚金屬層用于三個低損耗電感，一個地下通道金屬層用于連接。當有額外的厚金屬層可用時，L1和L3可以垂直耦合，這樣尺寸就會更小，它們之間的磁性耦合也可能會更好。

(a). Schematic

(b). Layout

圖1. Ruthroff型寬帶巴倫。

圖1a顯示了一個Ruthroff型寬帶巴倫原理圖，可使用三個電感在平面半導體工藝中輕松構建。一個布局示例如圖1b所示。在該布局中，只需要兩個金屬層，一個厚金屬層用于三個低損耗電 感，一個地下通道金屬層用于連接。當有額外的厚金屬層可用時，L1和L3可以垂直耦合，這樣尺寸就會更小，它們之間的磁性耦合也可能會更好。

寬帶特性得益于結構簡單，這會導致寄生電容更少。單端信號由L1和L2分壓得到。因此，巴倫的正端口正好是同相位單端信號電壓的一半。由于L1和L3之間的負耦合，巴倫的負端口是具有180°相移的單端信號電壓的一半。

在非常寬的帶寬上可以實現(xiàn)出色的振幅和相位平衡。圖2顯示了寬帶巴倫配置的仿真性能。振幅不平衡是S21和S31之間的差，相位誤差是S21和S31與期望的180°之間的相位差。建議的巴倫具有非常好的振幅平衡，以及3GHz到20Ghz之間接近180°的相位差。在平衡混頻器和推挽放大器等許多應用中使用巴倫時，共模抑制非常重要。圖5b所示的仿真結果表明，3電感巴倫在3GHz到20GHz范圍內(nèi)的CMRR優(yōu)于20dB。

(a). Amplitude Imbalance and Phase Error

(b). Insertion Loss and CMRR

圖2. 寬帶巴倫的仿真性能。

與變壓器巴倫拓撲結構一樣，3電感巴倫的帶寬也受低頻端電感和高頻端寄生電容的限制。當電感較低時，負載阻抗對端口3的L1和L2之間的分壓和端口2的轉換電壓影響較大。雖然在低頻范圍內(nèi)振幅平衡和相位差仍然可以接受，但插入損耗增大。因此，較低的終端阻抗或較高的電感將有利于低頻性能。在高頻端，L1和L2之間的寄生電容會降低變壓器的性能，導致較大的相位誤差。精心布局并考慮降低寄生電容可以擴大巴倫的高頻工作范圍。

集成巴倫的物理尺寸限制了低端帶寬。為了探索建議的巴倫結構在低頻應用中的可行性，設計了一款0.5GHz到6GHz的巴倫，并與基于變壓器的傳統(tǒng)巴倫進行了對比，性能如圖3所示。

(a). Phase Performance

(b). Amplitude Balance

圖3. 傳統(tǒng)巴倫和新巴倫的仿真性能比較。

集成寬帶RF/微波混頻器

寬帶雙平衡無源混頻器設計采用Jazz的SiGe 0.18μm工藝和3電感巴倫配置。混頻器的RF、IF和LO端口為50Ω單端端口，并在RF和IF端口集成巴倫。集成的RF巴倫經(jīng)過優(yōu)化，可覆蓋3GHz至20GHzRF頻率范圍。集成的IF巴倫經(jīng)過優(yōu)化，可覆蓋500MHz至9GHz的極寬頻率范圍。單端LO信號通過有源放大器電路在內(nèi)部轉換為差分信號以減小芯片尺寸。使用高速NPN的兩級寬帶放大器向無源混頻器的MOSFET柵極提供足夠的信號電壓擺幅，且在1GHz至20GHz頻率范圍內(nèi)只有0dBm輸入功率。

圖4. 寬帶雙平衡無源混頻器。

該混頻器采用2mm×3mmQFN小型封裝，并使用銅柱倒裝芯片進行互連。銅柱連接的附加寄生電容很低，可保持硅的寬帶性能。該混頻器采用3.3V偏置電源，室溫下的功耗為132mA。測得的轉換損耗和IIP3性能如圖5所示?；祛l器的RF、LO和IF端口在其寬工作頻率范圍內(nèi)匹配良好。圖6顯示這些端口的回波損耗。應該注意的是，RF回波損耗取決于IF端口阻抗，圖6a中的結果是使用0.9GHz的IF頻率測得。

(a). Conversion Loss and IIP3 vs. RF

(b). Conversion Loss and IIP3 vs. IF

圖5. 寬帶雙平衡無源混頻器測得的性能。

(a). RF and LO Port Return Loss

(b). IF Port Return Loss

圖6. 寬帶雙平衡無源混頻器測得的回波損耗。

與市場上的寬帶混頻器（如表1中所示）相比，使用3電感巴倫設計的混頻器可同時實現(xiàn)RF和IF范圍的最寬帶寬。它具有最低的LO功耗和最高的集成級別。整體性能優(yōu)于任何已報道的產(chǎn)品或發(fā)布的寬帶混頻器產(chǎn)品。

表1. 我們的寬帶混頻器與市場同類產(chǎn)品比較

結論

本文介紹了一種適合現(xiàn)代半導體工藝平面實施方案的Ruthroff型寬帶巴倫結構。設計了一款使用寬帶巴倫的高性能雙平衡混頻器并對其進行了性能測量。

審核編輯：郭婷