一種寬帶無(wú)源雙平衡倍頻器MMIC的設(shè)計(jì)

郝志娟，白銀超，顏廷臣，王春燕

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第十三研究所，河北 石家莊 050051；2.河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050051）

0 引 言

隨著微波技術(shù)的發(fā)展，微波倍頻器廣泛用于通信、雷達(dá)等微波系統(tǒng)，是微波與毫米波通信領(lǐng)域中非常重要的電路之一。

高頻信號(hào)源可以通過(guò)2 種方式產(chǎn)生，一是直接使用高頻振蕩器產(chǎn)生，二是對(duì)低頻振蕩器的輸出頻率進(jìn)行倍頻獲得。高頻振蕩器一般很難達(dá)到理想的相位噪聲，因此在實(shí)際應(yīng)用中為了得到高性能且穩(wěn)定的高頻微波信號(hào)，通常采用低頻振蕩器和倍頻器的組合實(shí)現(xiàn)[1-4］。無(wú)源倍頻器通常利用肖特基二極管的非線(xiàn)性特性實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻率變換。

文章設(shè)計(jì)的11 ～21 GHz 無(wú)源倍頻器單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuits，MMIC)，主要采用雙平衡方式，基于0.15 μm GaAs贗調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor，PHEMT）工藝平臺(tái)，設(shè)計(jì)加工并流片。利用超寬帶巴倫實(shí)現(xiàn)倍頻器的寬帶寬，通過(guò)相位相消技術(shù)，使信號(hào)的偶次諧波輸出，奇次諧波抑制，再經(jīng)過(guò)輸出端巴倫合成所需的二次諧波信號(hào)，抑制更高次的偶次諧波，提高信號(hào)的頻譜純度。芯片中集成了放大器，當(dāng)輸入功率為0 dBm，在整個(gè)工作頻段內(nèi)，輸出功率均大于3 dBm，基波抑制度優(yōu)于37 dB，三次諧波抑制度優(yōu)于26 dB。該結(jié)構(gòu)的倍頻電路可應(yīng)用于多功能電路的一體化設(shè)計(jì)，改善系統(tǒng)性能，提升系統(tǒng)集成度。

1 雙平衡倍頻器的設(shè)計(jì)

1.1 雙平衡倍頻器的原理

雙平衡倍頻器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括4個(gè)肖特基二極管、輸入端巴倫以及輸出端巴倫[5,6]。

圖1 雙平衡倍頻器原理

正弦信號(hào)通過(guò)4 個(gè)肖特基二極管構(gòu)成了全波整流。電流在前半周時(shí)，使二極管D3、D2 正向偏置，使D1、D4 反向偏置，在后半周時(shí)則完全相反。單個(gè)二極管上的電流為

式中：is為反向飽和電流；v為二極管結(jié)兩端電壓；α=q/ηkT，q為電子電荷，η為理想因子，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。

輸入端的總電流為

輸出總電流為

式（3）和式（4）中，In(αv)是n階第二類(lèi)修正貝塞爾函數(shù)，可以看出：輸出端則只有直流和偶次諧波分量，可以有效分離出偶次諧波，在不需額外加濾波器的情況下得到需要的偶次諧波[7,8]。

1.2 文章的倍頻器結(jié)構(gòu)

文章采用的雙平衡倍頻器結(jié)構(gòu)在圖1 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加入了一個(gè)放大器，如圖2 所示。

國(guó)外，人們?cè)谏蟼€(gè)世紀(jì)就開(kāi)始認(rèn)識(shí)到汽車(chē)車(chē)內(nèi)空氣污染問(wèn)題的嚴(yán)重性，各國(guó)紛紛制定相關(guān)政策法規(guī)加以約束。德國(guó)是最早關(guān)注車(chē)內(nèi)污染并頒布相關(guān)法規(guī)政策的國(guó)家。美國(guó)在上世紀(jì)八九十年代曾連續(xù)出現(xiàn)多起因車(chē)內(nèi)空氣污染致人死傷事件，因此美國(guó)把室內(nèi)和車(chē)內(nèi)空氣污染作為人類(lèi)健康的五大危害之一。中國(guó)室內(nèi)裝飾協(xié)會(huì)空氣監(jiān)測(cè)中心曾經(jīng)對(duì)200多輛汽車(chē)進(jìn)行了車(chē)內(nèi)空氣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，其中90%的汽車(chē)都存在甲醛或者苯含量超標(biāo)，多數(shù)超標(biāo)都在五六倍，實(shí)驗(yàn)顯示越是新車(chē)車(chē)內(nèi)空氣污染超標(biāo)越多。

圖2 加入放大器的雙平衡倍頻器原理

圖中：A1 為內(nèi)部集成的放大器，工作頻率覆蓋11 ～21 GHz，增益大于15 dB，輸出功率大于13 dBm，電流為45 mA。

由于放大器的非線(xiàn)性，輸入信號(hào)經(jīng)放大器A1 后產(chǎn)生f0的各次諧波，在②處的信號(hào)中含有頻率為f0，2f0，3f0，…等諧波信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)Balun1 后產(chǎn)生2 路等幅反相的信號(hào)，即在③和④處的信號(hào)，頻率為f0，3f0，5f0，…，（2n+1）f0的奇次諧波信號(hào)幅度相同，相位相差180°；而頻率為2f0，4f0，…，2nf0的偶次諧波信號(hào)幅度相同，相位相同。

經(jīng)過(guò)二極管堆的非線(xiàn)性變換后，在⑤和⑥處的信號(hào)，頻率為f0，3f0，5f0，…，（2n+1）f0的奇次諧波信號(hào)幅度相同，相位相同；而頻率為2f0，4f0，…，2nf0的偶次諧波信號(hào)幅度相同，相位差180°。

經(jīng)過(guò)輸出端的Balun2 后，幅度相同、相位相差180°的信號(hào)將被合成；幅度相同、相位相同的信號(hào)將被抵消。因此在輸出端，偶次諧波信號(hào)被合成；奇次諧波信號(hào)被抵消。最終優(yōu)化了Balun2 的帶寬，有效抑制更高次諧波，得到所需的二次諧波信號(hào)。

文章所采用的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于利用相位相消，合成所需的諧波信號(hào)，而將不用的諧波信號(hào)進(jìn)行抵消。

1.3 螺旋形Marchand 巴倫

文章難點(diǎn)主要是寬帶寬巴倫的設(shè)計(jì)。由于輸入/輸出頻率帶寬較寬，幅相平衡性良好的寬帶寬巴倫對(duì)倍頻器的性能提升至關(guān)重要。

常用的無(wú)源巴倫有變壓器巴倫、平行線(xiàn)巴倫以及Marchand 巴倫[9,10］。文章采用Marchand 巴倫，該巴倫可實(shí)現(xiàn)較寬的工作帶寬，電路尺寸和插入損耗較小。螺旋形Marchand 巴倫的基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 螺旋形Marchand 巴倫

1.4 肖特基二極管

肖特基二極管的特性主要由柵指和柵寬決定，柵指越多，柵寬越大，二極管的內(nèi)阻越小，功率密度越大，倍頻器的插損越小，但會(huì)產(chǎn)生較大的寄生電容。因此，在毫米波頻段，為減少寄生效應(yīng)，通常會(huì)選擇柵指和柵寬較小的二極管。本文倍頻器采用2 μm×15 μm 的肖特基二極管結(jié)構(gòu)。

2 倍頻器的仿真設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果

2.1 倍頻器的仿真設(shè)計(jì)

基于設(shè)計(jì)思路和方法，文章采用0.15 μm 的GaAs pHEMT 成熟工藝，設(shè)計(jì)并流片一款工作于11 ～21 GHz 寬帶的無(wú)源倍頻器芯片。使用電磁仿真軟件的諧波平衡仿真控件，對(duì)倍頻電路的原理圖和版圖進(jìn)行優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，仿真原理如圖4 所示。

圖4 倍頻電路仿真原理

最終的版圖仿真曲線(xiàn)如圖5 所示，在11 ～21 GHz 頻率，輸入功率為0 dBm 時(shí)，二次諧波輸出功率大于5 dBm，基波抑制度大于35 dB，三次諧波抑制度大于25 dB，電路的靜態(tài)電流為45 mA，設(shè)計(jì)指標(biāo)滿(mǎn)足要求。

圖5 倍頻器芯片的仿真曲線(xiàn)

2.2 倍頻器的實(shí)物展示及測(cè)試結(jié)果

文章的寬帶倍頻器輸入信號(hào)頻率為11 ～21 GHz，芯片的顯微照片如圖6 所示。

圖6 雙平衡倍頻器芯片顯微照片

電路經(jīng)過(guò)工藝加工流片后，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在探針臺(tái)對(duì)倍頻器芯片進(jìn)行了在片測(cè)試。倍頻器芯片的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)如圖7 所示。在整個(gè)工作頻段內(nèi)，當(dāng)輸入功率為0 dBm 時(shí)，二次諧波輸出功率大于5 dBm，輸出功率平坦度小于2.5 dB，基波抑制度可達(dá)37 dB以上，三次諧波抑制度可達(dá)26 dB 以上。

圖7 倍頻器芯片的測(cè)試曲線(xiàn)

將仿真曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)的二次諧波輸出功率在高端比仿真值高2 dB，主要是由于倍頻前放大器的管子模型，實(shí)測(cè)比仿真增益曲線(xiàn)向高端偏移?；ㄒ种贫鹊姆抡婧蛯?shí)測(cè)曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本一致；三次諧波抑制度實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與仿真曲線(xiàn)的最差值一致，均為25 dB 以上，但曲線(xiàn)的趨勢(shì)不一致，后續(xù)考慮對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行擬合，并對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化改版設(shè)計(jì)。

3 結(jié) 論

基于GaAs pHEMT 工藝平臺(tái)，采用pHEMT 工藝的肖特基二極管，設(shè)計(jì)了一款11 ～21 GHz 寬帶雙平衡倍頻器芯片。測(cè)試結(jié)果表明，該芯片在整個(gè)工作頻段范圍內(nèi)，二次諧波輸出功率大于3 dBm，基波抑制度可達(dá)37 dB 以上，三次諧波抑制度可達(dá)26 dB 以上，可以滿(mǎn)足寬帶組件的使用要求。