一种高频高性能宽带混频器芯片的设计

王 朋，郝志娟

（中国电子科技集团公司 第十三研究所，河北 石家庄 050051）

0 引 言

混频器利用肖特基二极管的非线性特性实现对信号的频率变换，在微波收发系统中实现频谱搬移，是无线通信系统中最关键的元器件之一。在接收机中，混频器将接收到的射频信号变频为较低频率的中频信号，便于采样处理。在发射机中，利用混频器将中频信号上变频为射频信号，由天线发射出去[1-4]。

对于混频器的技术指标，尤其是本振和射频端口间隔离度的高低水平、M×N次组合杂散的抑制度的高低水平，直接影响整个系统的抗干扰能力和信号的频谱纯度等整体性能。近年来，为满足通信系统及雷达系统小型化、高性能的需求，混频器正朝着单片集成的方向发展，芯片的面积越来越小，对混频器的隔离度和杂散抑制度指标也提出了更高的要求。

本文中的混频器微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）主要采用双平衡混频的方式实现，基于GaAs pHEMT 工艺平台开展毫米波双平衡混频器MMIC 的研究和设计，提出了一种新型的巴伦结构，扩展了巴伦的工作带宽，降低了幅度/相位平衡性，最终实现了射频频率和本振频率覆盖15 ～40 GHz、中频频率覆盖DC-18 GHz、本振端口和射频端口之间的隔离度高达50 dB 以上，同时提高了M×N次组合杂散的抑制度。将其应用在整机系统中，大大提高了整机的抗干扰能力和信号的频谱纯度。

1 双平衡混频器的设计

1.1 双平衡混频器的原理

本文设计的宽带双平衡混频器主要由2 个宽带螺旋式巴伦和环形二极管堆组成，其中环形二极管由4 个首尾相接的肖特基二极管构成[5,6]。该双平衡混频器主要包括环形结构的4 个肖特基二极管、射频端口和本振端口的巴伦转换器以及中频端口的抽头输出，电路结构如图1 所示。

图1 双平衡混频器的电路结构

由于ULO>>URF，ULO控制着二极管开启与关断。在ULO正半周时，二极管D1、D2导通，D3、D4截止。此时，可以推算得到二极管D1、D2两端的电压分别为

根据式（1）可推导出

式中：iD1、iD2分别为二极管D1、D2中流过的电流；RL为负载电阻；RD为二极管的导通电阻。

在ULO负半周时，二极管D3、D4导通，D1、D2截止。此时，可以推算得到二极管D3、D4两端的电压分别为

根据式（3）可推导出

式中：iD3、iD4分别为二极管D3、D4中流过的电流。

负载RL中流过的总电流为

因为S2(ωLOt)无偶次分量，所以双平衡混频器的中频输出中不包含URF、ULO的基波分量与偶次分量及偶次谐波的组合分量，这表明双平衡混频器的输出杂散更少、频谱更干净。

基于结构的对称性，任意时刻流过本振与射频线圈2 个部分的电流均相同，因此环形混频具有良好的端口隔离特性。环形混频器靠4 只工作在线性时变状态的二极管完成混频，当器件的对称性良好时，不但能抑制载漏与交调，还能获得良好的端口间隔离度。

1.2 新型螺旋式Marchand 巴伦

巴伦是实现宽带混频器的关键，常用的无源巴伦结构有变压器巴伦、平行线巴伦以及Marchand 巴伦[7,8]。为了减小耦合线所占的面积，本文采用螺旋式Marchand 巴伦，该巴伦不但拥有较宽的工作带宽，其插入损耗也较小[9,10]。

为进一步优化宽带巴伦的幅度/相位平衡性，并得到更宽的带宽，本文提出了一种新型的巴伦结构。在Marchand 巴伦的基础上，通过在合适的位置增加补偿耦合线，增强信号间的耦合强度，有效补偿巴伦的幅度平衡度和相位平衡度。新型螺旋式Marchand巴伦的基本结构如图2 所示。

图2 新型Marchand 巴伦结构

采用新型巴伦结构，在保证工作带宽的基础上进一步改善巴伦的共模抑制比，实现超宽带超低幅相平衡性。改善后的幅度平衡度小于±0.4 dB，相位平衡度小于±5°，大大提高了混频器的隔离度和M×N次组合杂散的抑制度。

1.3 肖特基二极管

混频的核心是利用非线性元器件对信号进行非线性变换，典型的非线性器件为肖特基势垒二极管，本文采用GaAs pHEMT 工艺的肖特基二极管作为混频单元。肖特基二极管的特性主要由栅指和栅宽来决定，栅指越多、栅宽越大，二极管的内阻越小，功率密度越大，混频器的插损越小，但会产生较大的寄生电容。在毫米波频段，为了减少寄生效应，混频器中二极管常常选择较小的栅指和栅宽。对于本文设计的毫米波双平衡混频器，采用2×15 μm 的肖特基二极管结构。在版图设计中，需要注意4 个二极管的完全一致性和对称性。

2 混频器的整体仿真及测试结果

基于上述设计思路及方法，采用0.15 μm GaAs pHEMT 成熟工艺，设计并流片一款工作于15 ～40 GHz 频率的宽带混频器芯片。使用电磁仿真软件中谐波平衡仿真控件、优化控件等，对宽带巴伦和混频器整体电路进行原理图和版图优化仿真设计。整版仿真的原理如图3 所示。最终版图仿真曲线如图4 所示。在15 ～40 GHz 频率范围内，变频损耗小于10 dB，中频带宽覆盖DC-18 GHz，本振-射频隔离度大于45 dB，设计指标满足要求。

图3 整版仿真原理

图4 仿真曲线

混频器电路经过工艺加工流片、划片、载体装配及矢网测试，15 ～40 GHz 宽带混频器芯片的实测曲线如图5 所示。

图5 测试曲线

在15 ～40 GHz 的频率范围内，变频损耗小于10 dB，带内波动小于2 dB，中频带宽覆盖DC-18 GHz，本振到射频的隔离度在50 dB 以上，均满足指标要求，并且实际测试曲线与仿真曲线的趋势一致。

3 结 论

基于GaAs pHEMT 工艺平台，采用pHEMT 工艺的肖特基二极管和新型巴伦结构，设计研发了一款毫米波宽带双平衡混频器芯片。从测试结果可以看出，该芯片在15 ～40 GHz 频段范围变频损耗小于10 dB，本振到射频的隔离度在50 dB 以上，同时提高了M×N次组合杂散抑制度。该芯片能满足毫米波段收发系统的使用要求，已在整机系统中得到验证，各项指标均满足要求，整机的抗干扰能力得到了提高。