雙平衡混頻器設(shè)計(jì)與研究

池 凱，劉 飛

（91919部隊(duì)，湖北 黃岡 438000）

雙平衡混頻器設(shè)計(jì)與研究

池 凱，劉 飛

（91919部隊(duì)，湖北 黃岡 438000）

在射頻電路的前端，混頻器是實(shí)現(xiàn)頻譜搬移的重要器件，是十分重要的模塊。采用Win公司砷化鎵工藝，設(shè)計(jì)了一款二極管雙平衡混頻器，其中巴倫采用平面螺旋式結(jié)構(gòu)，用ADS軟件進(jìn)行各部分電路設(shè)計(jì)、仿真，從功能仿真圖中看到輸出信號(hào)的頻譜中有需要的中頻頻率成分，驗(yàn)證了混頻器頻譜搬移的功能，在所設(shè)計(jì)的頻段耦合度和隔離度能夠滿足要求。其中射頻端口和本振端口的頻率為0.8~1.2 GHz，中頻頻率DC~300 MHz，變頻損耗8~10 dB，噪聲系數(shù)9 dB左右，芯片面積0.9 mm×1 mm。

混頻器；雙平衡；二極管；巴倫

1 引言

微波混頻器是通信收發(fā)系統(tǒng)中比較關(guān)鍵的元器件之一，它是基于器件的非線性特性對(duì)輸入信號(hào)的頻段進(jìn)行頻譜搬移，方便數(shù)字信號(hào)的處理。隨著系統(tǒng)的小型化集成需求，使得微波器件也向著集成的方向發(fā)展，并且芯片面積越來(lái)越小。

本文的設(shè)計(jì)由平面螺旋巴倫和環(huán)形的二極管堆構(gòu)成。這種混頻器是通過(guò)微波巴倫進(jìn)行單端轉(zhuǎn)差分的實(shí)現(xiàn)，每?jī)蓚€(gè)二極管之間的相位相差180°，巴倫的好壞決定了混頻器性能的好壞，所以巴倫是整個(gè)混頻器的重點(diǎn)。另外本設(shè)計(jì)的二極管由場(chǎng)效應(yīng)管源漏連接而成，其柵寬也會(huì)影響混頻器的性能，對(duì)此也做了相關(guān)設(shè)計(jì)。

2 雙混頻器原理

混頻器是具有混頻作用的非線性器件，器件的非線性特性能夠?qū)⑤斎肫涠丝诘谋菊窈蜕漕l信號(hào)相乘，其中會(huì)有其差頻與和頻的信號(hào)，通過(guò)低通濾波器能夠獲得這些頻率成分。

令RF信號(hào)vr=VRsin（ωRt），LO信號(hào)為vl=VLsin（ωLt），二者相乘將有無(wú)數(shù)的混頻分量產(chǎn)生：

混頻產(chǎn)生的主要分量ωL+ωR、ωL-ωR來(lái)自第二項(xiàng)a2{1/2VR2[1-cos（2ωRt）]+VRVL[cos（ωR-ωL）t+cos（ωL+ωR）t+1/2VL2[1-cos（2ωLt）]}。

3 無(wú)源雙平衡混頻器的結(jié)構(gòu)

圖1 雙平衡混頻器

圖1表示的是一個(gè)基本的雙平衡混頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它包括一個(gè)二極管電橋和兩個(gè)巴倫來(lái)代替定向耦合器和高低頻旁路短截線。由于信號(hào)端和本振端分別接在二極管電橋的兩個(gè)相對(duì)的對(duì)角線上，如果這4個(gè)二極管的性能完全一樣，接線也一樣那么能夠保證電橋的平衡，則信號(hào)端和本振端就可以完全隔離。另一方面由于二極管電橋?yàn)槎O管提供了高低頻直流通路，不需要另外加高頻短路線與中頻的接地線，所以可以達(dá)到多個(gè)倍程的帶寬。

4 巴倫的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

環(huán)形混頻器中比較重要的部分是巴倫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)射頻信號(hào)、本振信號(hào)從非平衡到平衡的轉(zhuǎn)換。一般用的巴倫結(jié)構(gòu)有平行線巴倫、變壓器巴倫和marchand巴倫，除了變壓器巴倫以外其他的巴倫均需要使用90°波長(zhǎng)線，如果使用的頻段很低，那么需要的微帶線會(huì)很長(zhǎng)，意味著占用很大的芯片面積，文中采用的是變壓器結(jié)構(gòu)的平面螺旋巴倫，這種結(jié)構(gòu)利用微帶線的側(cè)邊耦合和渦流耦合來(lái)增加耦合度減少損耗，不僅帶寬較寬，而且面積較小，是很實(shí)用的一種結(jié)構(gòu)。

螺旋式巴倫有三種基本的結(jié)構(gòu)，平行線互繞結(jié)構(gòu)、對(duì)稱互繞結(jié)構(gòu)和交叉互繞結(jié)構(gòu)，這里采用的是對(duì)稱互繞的形式，如圖2所示。圖3是巴倫長(zhǎng)度與其應(yīng)用頻率的關(guān)系，可以看出選擇長(zhǎng)度在16 mm的巴倫滿足我們0.8~1.2 GHz的要求。

圖2 平面螺旋巴倫版圖

由圖2可以看出該巴倫是對(duì)稱互繞的形式，實(shí)際最小間距4 μm，金層走線寬10 μm，巴倫兩端引出，用于后面接入二極管橋。中心抽頭是用于接入到地。

圖3 巴倫長(zhǎng)度與其應(yīng)用頻率的關(guān)系

由圖3可以確定對(duì)于巴倫來(lái)說(shuō)，其繞線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其中心頻率越低，其實(shí)對(duì)應(yīng)于巴倫上面的損耗，由于線圈的電阻增加也會(huì)有所增加。我們選用的Win公司的ED2 PD5001工藝，其金屬厚度為3 μm，線間最小間距能夠做到4 μm，雖然比ED3工藝的3.5 μm要大，但是耦合度依然滿足所需要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 混頻器仿真結(jié)果

混頻器仿真原理如圖4所示，其輸出頻譜如圖5所示。其中m9為中頻的信號(hào)功率，m7為射頻信號(hào)泄漏功率，m8為本振的泄漏功率值。其中RF功率為-14 dBm，本振為15 dBm?；祛l器的變頻損耗為其最重要的性能指標(biāo)，仿真的結(jié)果趨勢(shì)會(huì)與實(shí)際相差不大，但是用ADS場(chǎng)仿真結(jié)果不會(huì)太準(zhǔn)。以實(shí)際做出來(lái)的芯片值為主，這里初步仿真損耗即可，其他指標(biāo)仿真沒(méi)有實(shí)際的參考性。

圖6表示的是射頻到中頻的隔離度。表1和表2為該混頻器典型的仿真性能。

圖4 仿真原理圖

圖5 輸出頻譜

圖6 射頻到中頻隔離度

表1 噪聲系數(shù)

表2 變頻損耗

6 混頻器測(cè)試結(jié)果

圖7 測(cè)試變頻損耗結(jié)果

由圖7測(cè)試的變頻損耗結(jié)果來(lái)看，實(shí)測(cè)的結(jié)果會(huì)比仿真的損耗小。經(jīng)過(guò)分析得出是由于該工藝做出來(lái)的二次布線金屬會(huì)向外擴(kuò)，導(dǎo)致間距小于4 μm，耦合度提高，損耗會(huì)比仿真的好一點(diǎn)。在帶內(nèi)0.8~1.2 GHz小于10 dB。從圖8可以看出射頻到中頻的隔離度不夠，是因?yàn)闆](méi)有在IF端增加濾波電容的原因，實(shí)際應(yīng)用可以根據(jù)需要增加，不將濾波電容集成的好處是實(shí)際應(yīng)用的中頻帶寬會(huì)比較寬，選擇性比較大。

Double Balanced Mixer Design and Research

CHI Kai, LIU Fei
（Unit91919,Huanggang438000,China）

Mixer circuit is an important part in the spectrum shift, it is also important in front of the RF module. The author designs a diode double balanced mixer the balun using planar spiral structure in Win GaAs technology company. The author accomplish various parts of the circuit of the design and simulation using ADS software. The output signals from the functional simulation graph emerge the frequency spectrum of the frequency components need, which verif i es the frequency shifting function of the mixer. The coupling and isolation meet the requirements in designed frequency. The RF port and LO port frequency is 0.8~1.2 GHz, IF frequency is DC~300 MHz, conversion loss is about 8~10 dB, 9 dB noise fi gure around. Chip size 0.9 mm×1 mm.

mixers; double balanced; diode; balun

TN402

A

1681-1070（2014）09-0025-03

2013-11-26