一種毫米波單片正交下變頻器的製作方法

2023-06-04 20:54:56

專利名稱：一種毫米波單片正交下變頻器的製作方法
技術領域：
本發明屬於電子技術領域，涉及毫米波單片正交下變頻器，可直接應用於雷達、通訊等
系統。
背景技術：
隨著微波通訊技術的迅速發展，人們對通訊設備的要求也越來越高。體積小，重量輕， 可靠性高，穩定性好等優點使得微波單片集成電路(MMIC)在微波通訊領域逐漸取代了波 導系統和混合集成電路。微波單片集成電路是用半導體工藝把有源器件、無源器件和微波傳 輸線、互連線等全部製作在一片砷化鎵或矽片上而構成的集成電路。
下變頻器是超外差式微波集成電路接收系統中必不可少的部件。無論是微波通信、雷達 、遙控、遙感、還是偵察與電子對抗，以及許多微波測量系統，都必須將微波信號用混頻器 降到中低頻來進行處理。至今各種微波系統中幾乎都採用了集成電路下變頻器，主要是因為 集成式混頻器體積小，性能穩定可靠，設計技術成熟，而且結構靈活多樣，可以適合各種特 殊應用。
由於毫米波的工作頻率高，在傳統的基波混頻方式中高穩定本振源實現較為困難。而二 次諧波混頻器(Sub-harmonic Mixer)使用的本振頻率降低為基波頻率的二分之一，降低了本振 源的實現難度，減少了系統成本，因此在毫米波頻段二次諧波混頻器結構被廣泛採用。
現有的一種正交二次諧波下變頻器晶片結構如圖1所示(見K.S.Ang， M. Chongcheawchamnan, D. Kpogla, P.R. Young, I.D. Robertson, D. Kim， M. Ju, and H. Seo, "Monolithic Ka-band even-harmonic quadrature resistive mixer for direct conversion receivers," in 及Wo Fre^rwewcy/她grafec/C7rcwto Dfg. ， Phoenix, AZ, May 2001, pp. 169-172.)，包 括採用威爾金森電橋作為等幅同相功分電路1、由馬卡德巴倫和兩個pHEMT三級管組成的偶 次諧波混頻單元2、採用由串聯高阻抗微帶線和並聯電容組成的低通濾波器作為中頻濾波電 路3和採用蘭格電橋作為等幅0°/90°功分電路4。 LO信號通過威爾金森電橋等幅同相分配到 兩個偶次諧波混頻單元；RF信號通過蘭格電橋分為等幅0。/90。兩路信號，分別加到兩個偶次 諧波混頻單元；在中頻口，採用由串聯高阻抗微帶線和並聯電容組成的低通濾波器為中頻濾 波電路濾出中頻信號，實現了正交解調。混頻單元採用阻性FET混頻，LO信號經過馬卡德 巴倫變為等幅反向信號，分別加到兩個PHEMT三級管柵極，RF信號等幅同相加到兩個 TOEMT三級管漏極，這就實現了偶次諧波混頻。在30-40GHz工作頻帶內變頻損耗大於15dB，具有較高的變頻損耗。

發明內容
本發明所提供一種基於PHMET工藝的毫米波單片正交下變器，以克服傳統正交下變器 中變頻損耗大的缺點，同時不增加晶片面積。
本發明的詳細技術方案為-
一種毫米波單片正交下變頻器，如圖2所示，包括等幅同相功分電路1、兩個偶次諧波 混頻單元2、兩個中頻濾波電路3、作為等幅0°和90°功分電路的蘭格電橋4和低噪聲放大電 路5五個單元；低頻信號LO通過等幅同相功分電路1等幅同相地分配到兩個偶次諧波混頻 單元2;射頻信號RF首先通過低噪聲放大單元5放大，再通過作為等幅0°和90°功分電路的 蘭格電橋4分為等幅的0°和90°兩路信號，分別加到兩個偶次諧波混頻單元2;在中頻口， 採用中頻濾波電路3濾出所需的中頻正交信號。
本發明通過在射頻信號RF輸入口引入低噪聲放大單元，大大減小了整個單片正交下變 頻器的變頻損耗，同時不增加晶片面積。
所述低噪聲放大電路5採用兩級放大結構，其結構如圖3所示，其增益可達10dB,可大 大減小單片正交下變頻器的變頻損耗。
本發明基於PHMET工藝，通過在現有的毫米波單片正交下變器中的射頻信號RF輸入口 引入低噪聲放大單元，大大減小了整個單片正交下變頻器的變頻損耗，同時不增加晶片面積。 同時採用Lange Coupler和Marchand Balun等寬帶電路實現信號的功分，從而實現了整個正 交下變頻器的寬帶特性。


圖1是現有的一種正交二次諧波下變頻器晶片結構圖。 圖2是本發明提供的毫米波單片正交下變頻器的結構圖。 圖3是中低噪聲放大單元5的結構示意圖。
圖4是本發明提供的亳米波單片正交下變頻器的變頻損耗測試結果。 圖5是本發明提供的毫米波單片正交下變頻器的幅度和相位不平衡度測試結果。
具體實施例方式
一種單片正交下變頻器，如圖2所示，包括採用輸入、輸出埠阻抗相匹配的T接頭網 絡的等幅同相功分電路l、由電容加載技術的馬卡德巴倫(見發明專利申請公開說明書"一種鏡頻抑制混頻器"，申請號200510022225.8，公開號CN 1808893A)和兩個混頻管組成 的偶次諧波混頻單元2、採用一段A/2開路線實現的中頻濾波電路3、採用蘭格電橋的等幅
0790。功分電路4、低噪聲放大單元5; RF信號通過蘭格電橋分成0790。兩路信號分別加到兩 個偶次諧波混頻單元，而LO信號通過T接頭網絡等幅同相分配到兩個偶次諧波混頻單元； 混頻單元採用阻性FET混頻，LO信號經過馬卡德巴倫變為等幅反向信號，分別加到兩個 PHEMT三級管柵極，RF信號等幅同相加到兩個PHEMT三級管漏極，這就實現了偶次諧波 混頻。
兩級低噪聲放大器晶片的電路拓撲結構如圖3所示，有源器件選擇耗盡型PHEMT器件， 該器件的夾斷電壓VT為-0.9V，為實現較小的功耗，採用1.5V漏電壓供電，柵源電壓為-0.4V。 第一級和第二級放大器的PHEMT三級管柵寬分別取26x4nm和22x4)iim。由於所設計的低噪 聲放大器晶片帶寬較寬，匹配電路設計以中心頻率為基礎，以保證中心頻率附近有最好的電 路性能。採用微波電路仿真軟體Agilent-ADS對該放大器電路進行仿真和優化，
所述T接頭網絡的輸入端採用50歐姆微帶線，兩個輸出端採用IOO歐姆微帶線，以實現 輸入、輸出埠的阻抗匹配。
對於蘭格電橋，首先採用已有的公式計算出蘭格電橋的初始尺寸，再用電磁仿真軟體 HFSS對電路進行仿真和優化，最後得到蘭格電橋在3040GHz的頻率範圍內幅度不平衡度小 於0.5dB,相位不平衡度小於1度。
對於偶次諧波混頻單元，由於採用了二次諧波混頻，LO頻率相對較低，常用的馬卡德巴 倫的A/4耦合線長度相對於晶片來說很長，不利於在晶片上實現，因此採用集總參數元件加
載的辦法來縮小馬卡德巴倫尺寸，其偶合線長度縮小為未加載馬卡德巴倫耦合線長度的八分 之一，大大縮小了馬卡德巴倫面積。為保證設計的準確性，運用三維電磁場仿真軟體對該電 容加載MarchandBalun進行仿真優化，仿真模型如圖4所示，仿真結果為幅度不平衡度小 於ldB，相位不平衡度小於1度。
阻性FET混頻一般需要在三極體柵極加一負電壓，以使三極體處於夾斷狀態，實現開關 混頻，提高混頻效率。在本設計中，採用增強型pHEMT (或HEMT)管作為混頻管，在不 加柵偏壓的情況下，該管已處於截止狀態，因此可以去掉柵偏置電路，簡化電路設計，縮小 晶片面積。
對於中頻濾波電路，在IF 口採用一段;i/2開路線實現對RF信號的抑制，防止RF信號
5從中頻口洩漏，iF信號從距開路點;i/4處取出。
在RF為32 —38GHz，IF固定在60MHz，對該下變頻器進行測試:RF輸入功率為一20dBm， LO輸入功率為12dBm;變頻損耗測試結果如圖6所示，在36.5GHz處獲得了最佳的變頻損 耗，約為10dB;兩路中頻正交信號的幅度和相位不平衡度如圖7所示，其幅度不平衡度小於 2.1dB,相位不平衡度小於15度。
權利要求
1、一種毫米波單片正交下變頻器，包括等幅同相功分電路(1)、兩個偶次諧波混頻單元(2)、兩個中頻濾波電路(3)、作為等幅0°和90°功分電路的蘭格電橋(4)，其特徵在於，韓包括一個低噪聲放大電路(5)；低頻信號LO通過等幅同相功分電路(1)等幅同相地分配到兩個偶次諧波混頻單元(2)；射頻信號RF首先通過低噪聲放大單元(5)放大，再通過作為等幅0°和90°功分電路的蘭格電橋(4)分為等幅的0°和90°兩路信號，分別加到兩個偶次諧波混頻單元(2)；在中頻口，採用中頻濾波電路(3)濾出所需的中頻正交信號。
2、 根據權利要求1所述的毫米波單片正交下變頻器，其特徵在於，所述低噪聲放大電 路(5)採用兩級放大結構。
全文摘要
一種毫米波單片正交下變頻器，屬於電子技術領域，涉及毫米波單片正交下變頻器。本發明基於PHMET工藝，通過在現有的毫米波單片正交下變器中的射頻信號RF輸入口引入低噪聲放大單元，大大減小了整個單片正交下變頻器的變頻損耗，同時不增加晶片面積。同時採用蘭格電橋(Lange Coupler)和馬卡德巴倫(Marchand Balun)等寬帶電路實現信號的功分，從而實現了整個正交下變頻器的寬帶特性。本發明可應用於雷達、通訊等系統中。
文檔編號H03D7/16GK101510757SQ200910058520
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月6日 優先權日2009年3月6日
發明者濤 楊, 楊自強 申請人:電子科技大學