寬帶3GHz至20GHz高性能集成混頻器實現(xiàn)寬RF帶寬的關(guān)鍵創(chuàng)新

作者：Xudong Wang, Bill Beckwith, Thomas Schiltz, Weston Sapia, and Michael Bagwell

該介紹一種寬帶3 GHz至20 GHz SiGe無源混頻器，僅需0 dBm LO驅(qū)動。新的巴倫結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)寬RF帶寬的關(guān)鍵創(chuàng)新。中頻使用相同的巴倫拓撲，可實現(xiàn) 300 MHz 至 9 GHz 的寬中頻。這種高性能雙平衡混頻器可用于上變頻或下變頻。該混頻器采用微型 2 mm × 3 mm 12 引腳 QFN 封裝，可提供 23 dBm IIP3 和 14 dBm P1dB。采用3.3 V電源供電時，混頻器功耗為132 mA。

介紹

寬帶混頻器在多功能無線收發(fā)器、微波收發(fā)器、微波回程、雷達和測試設(shè)備中有許多應(yīng)用。具有寬帶寬的混頻器允許在無線電架構(gòu)中使用單個混頻器，并具有各種無線電參數(shù)的動態(tài)可編程性。

先進的硅基技術(shù)，如CMOS和BiCMOS，已經(jīng)證明了高性能混頻器在相對窄帶應(yīng)用中的能力。非常希望寬帶混頻器可以用集總元件或其他與IC制造技術(shù)和幾何形狀兼容的結(jié)構(gòu)制成。平衡混頻器是首選拓撲，因為與非平衡混頻器相比，平衡混頻器在線性度、噪聲系數(shù)和端口間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(zhuǎn)換RF、LO和IF信號的關(guān)鍵元件。實現(xiàn)巴倫可以集成到標準IC代工工藝中至關(guān)重要，這樣才能生產(chǎn)寬帶集成混頻器。

本文介紹了一種創(chuàng)新的巴倫結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以在硅、砷化鎵或任何其他集成工藝中輕松實現(xiàn)。這種巴倫拓撲的帶寬比傳統(tǒng)的巴倫結(jié)構(gòu)要寬得多。3 GHz至20 GHz高性能混頻器采用寬帶巴倫設(shè)計，采用0.18 μm SiGe BiCMOS工藝。

寬帶巴倫

混頻器最重要的性能參數(shù)包括轉(zhuǎn)換增益、線性度、噪聲系數(shù)和工作帶寬。集成混音器中使用的巴倫對所有這些混音器的性能都有重大影響。集成巴倫的關(guān)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(yīng)用中兩種流行的巴倫結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)的平面變壓器巴倫1,2和馬爾尚巴倫。3,4這兩種巴倫在窄帶應(yīng)用中都具有良好的性能。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兩個主要的帶寬限制因素。自感限制了低頻端的帶寬，不平衡和平衡端的寄生電容和不對稱端接限制了高頻端。Marchand balun由四四分之一波傳輸線組成，通常需要芯片上的大量空間。微型Marchand巴倫已經(jīng)在集成電路中使用交錯變壓器布局進行了演示。Marchand baluns的帶寬受到每個線段的電氣長度要求的限制。當電長度遠離所需的四分之一波長時，幅度和相位平衡會降低。一般來說，設(shè)計良好的變壓器巴倫或Marchand巴倫可以覆蓋3×至4×最大與最小頻率比的頻率范圍，性能合理。

眾所周知，魯斯羅夫巴倫表現(xiàn)出非常寬的帶寬，5,6,7并且許多分立元件產(chǎn)品都是基于Ruthroff結(jié)構(gòu)開發(fā)的。然而，沒有發(fā)現(xiàn)類似結(jié)構(gòu)在微波集成電路中的應(yīng)用。

圖1a顯示了一個Ruthroff式寬帶巴倫原理圖，可以使用三個電感器在平面半導體工藝中輕松構(gòu)建。圖 1b 顯示了一個布局示例。在這種布局中，只需要兩個金屬層，一個厚金屬層用于三個低損耗電感器，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，這導致更小的尺寸，并且它們之間的磁耦合可能更好。

（a）. 原理圖

（b）. 布局

圖1.魯斯羅夫式寬帶巴倫。

寬帶特性得益于結(jié)構(gòu)的簡單性，從而降低了寄生電容。單端信號的電壓除以L1和L2。因此，巴倫的正端口直接是同相單端信號電壓的一半。由于L1和L3之間的負耦合，巴倫的負端口是單端信號電壓的一半，具有180°相移。

可以在非常寬的帶寬上實現(xiàn)出色的幅度和相位平衡。圖2顯示了寬帶巴倫配置的仿真性能。幅度不平衡是S21和S31之間的差值，相位誤差是S21和S31遠離所需180°的相位差。所提出的巴倫在3 GHz和20 GHz之間具有非常好的幅度平衡和接近180°的相位差。 共模抑制對于平衡混頻器和推挽放大器等許多應(yīng)用中使用巴倫非常重要。圖5b所示的仿真結(jié)果表明，3電感巴倫在3 GHz至20 GHz范圍內(nèi)具有優(yōu)于20 dB CMRR。

幅度不平衡和相位誤差

插入損耗和CMRR

圖2.寬帶巴倫的模擬性能。

與變壓器巴倫拓撲一樣，3電感巴倫的帶寬受低頻端電感和高頻端寄生電容的限制。當電感較低時，負載阻抗將對端口3的L1和L2之間的分壓以及端口2的轉(zhuǎn)換電壓產(chǎn)生更大的影響。雖然幅度平衡和相位差在低頻范圍內(nèi)仍然可以接受，但插入損耗會增加。因此，較低的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，并導致較大的相位誤差。仔細布局并考慮較小的寄生電容可以擴展巴倫的高頻工作范圍。

集成巴倫的物理尺寸限制了帶寬的低端。為了探索所提出的巴倫結(jié)構(gòu)在低頻應(yīng)用中的可行性，設(shè)計了一個0.5 GHz至6 GHz的巴倫，并與傳統(tǒng)的基于變壓器的巴倫進行了比較，其性能如圖3所示。

（a）. 相位性能

（b）. 振幅平衡

圖3.傳統(tǒng)巴倫與新巴倫的模擬性能比較。

集成寬帶射頻/微波混頻器

寬帶雙平衡無源混頻器采用 Jazz 的 SiGe 0.18 μm 工藝設(shè)計，采用 3 電感巴倫配置?；祛l器的RF、IF和LO端口為50 Ω單端，RF和IF端口集成了巴倫。集成射頻巴倫經(jīng)過優(yōu)化，可覆蓋 3 GHz 至 20 GHz 射頻頻率范圍。集成的中頻巴倫經(jīng)過優(yōu)化，可覆蓋非常寬的 500 MHz 至 9 GHz 頻率范圍。單端LO信號通過有源放大器電路在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為差分信號，以減小芯片尺寸。使用高速NPN的兩級寬帶放大器為無源混頻器的MOSFET柵極提供足夠的信號電壓擺幅，在1 GHz至20 GHz頻率范圍內(nèi)輸入功率僅為0 dBm。

圖4.寬帶雙平衡無源混頻器。

混頻器封裝在微型 2 mm ×3 mm QFN 中，帶有倒裝芯片，使用銅柱進行互連。銅柱連接具有非常低的附加寄生效應(yīng)，以保持硅的寬帶性能。混頻器采用3.3 V電源偏置，室溫下電流消耗為132 mA。測得的轉(zhuǎn)換損耗和IIP3性能如圖5所示。8混頻器的RF、LO和IF端口在其寬工作頻率范圍內(nèi)完美匹配。圖6顯示了這些端口的回波損耗。應(yīng)該注意的是，RF回波損耗取決于IF端口阻抗，圖6a中的結(jié)果是在0.9 GHz的IF頻率下測量的。

（a）. 轉(zhuǎn)換損耗和IIP3與RF的關(guān)系

（b）. 轉(zhuǎn)換損耗和IIP3與中頻

圖5.寬帶雙平衡無源混頻器的實測性能。

射頻和LO端口回波損耗

（b）. 中頻端口回波損耗

圖6.測量的寬帶雙平衡無源混頻器的回波損耗。

與市場上的寬帶混頻器（如表1所示）相比，采用3電感巴倫設(shè)計的混頻器在RF和IF范圍內(nèi)實現(xiàn)了最寬的帶寬。它需要最低的LO功率和最高的集成度。整體性能優(yōu)于任何報告的產(chǎn)品或已發(fā)布的寬帶混頻器產(chǎn)品。

結(jié)論

本文介紹了一種適合現(xiàn)代半導體工藝平面實現(xiàn)的Ruthroff式寬帶巴倫結(jié)構(gòu)。設(shè)計和測量了使用寬帶巴倫的高性能雙平衡混頻器。

審核編輯：郭婷