CN102522953B - 一种基于dhbt工艺的有源毫米波亚谐波单片集成混频器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于DHBT工艺的有源毫米波亚谐波单片集成混频器电路，包括本振二倍频电路、射频输入缓冲级电路、混频电路和中频输出缓冲级电路，通过本振二倍频电路将一个低频的大功率输入信号二倍频，生成的二次谐波信号与经射频输入缓冲级缓冲的射频输入信号一起进入混频电路混频，再通过中频输出缓冲放大器输出，实现在本振二次谐波频段上的下混频功能，该电路结构通过集成电路技术，实现倍频链和混频器电路集成，减小电路规模，在U波段和W波段的应用上具有优势。

Description

一种基于DHBT工艺的有源毫米波亚谐波单片集成混频器电路
技术领域
本发明属于毫米波系统和半导体集成电路领域，具体涉及一种基于DHBT工艺的有源毫米波亚谐波单片集成混频器的设计。
背景技术
随着技术发展，通讯设备和雷达系统工作频率也逐步提高，高端产品目前已达数十GHz的毫米波段，这些系统都需要与其频率相应的混频器模块。特别的，在U波段和W波段，市场对稳定而且低成本的混频器电路的需求更加迫切。这是由于，一方面，传统的基于阻性二极管的无源混频器集成度低，变频损耗大，限制了基于该混频器的系统的发展；另一方面，因为在60GHz至110GHz之间，缺少可用的，高输出功率，杂散少，体积小，可靠性高的频率源进行配套，在低频段比较常用的基波混频器电路很难在这个频率范围得到广泛应用。
因此，在毫米波高端应用的混频器电路，呈现出两个重要特点，一是依托高频三端电子器件的发展，如DHBT和HEMT，将混频器采用全集成的单片集成电路(MMIC)方式实现，二是大力发展谐波混频电路，减少对毫米波高频段高性能本振信号源的依赖。目前这两个重要特点有多种结合方式：第一，使用基于阻性二极管的倍频链对低频本振信号源倍频输出所需要的高频信号，利用集成电路技术设计高频段的基波混频器，再将两者结合起来实现混频；第二，使用如上的电路，但是通过集成电路技术，对阻性二极管倍频链进行单片集成，可适当减小电路规模，提高部分性能；然而，最彻底的方式便是把倍频链集成进混频器电路内，或者直接设计单片集成的亚谐波混频器。
发明内容
本发明提出了一种应用在U波段和W波段的基于DHBT工艺的有源毫米波亚谐波单片集成混频器电路。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于DHBT工艺的有源毫米波亚谐波单片集成混频器电路，包括本振二倍频电路、射频输入缓冲级电路、混频电路和中频输出缓冲级电路，通过本振二倍频电路将一个低频的大功率输入信号二倍频，生成的二次谐波信号与经射频输入缓冲级缓冲的射频输入信号一起进入混频电路混频，再通过中频输出缓冲放大器输出，实现在本振二次谐波频段上的下混频功能。
所述本振二倍频电路采用星型匹配网路拓展端口带宽，其输出端通过一支本振基波旁路线抑制本振信号向射频和中频端口的泄露。
所述射频输入缓冲级电路中的射频输入信号，通过一支级联放大器进行缓冲，增强射频端口对本振的基波和各次谐波信号的抑制能力。
所述混频电路中，射频输入缓冲级电路输出的射频信号和本振二倍频电路产生的本振二次谐波混频分别连接十字线片上电容中上层金属的两个端口，同时，混频电路中的混频管和混频管偏置线分别连接十字线片上电容中下层金属的两个端口，电容上下层实现直流隔离，混频电路使用一个小尺寸的三端口匹配网路，配合四端口的十字线形态片上电容，形成紧凑的管间互联。
所述中频输出缓冲级电路使用射级跟随器进行缓冲和驱动，改善三阶交调性能并且实现中频频段的匹配。
所述本振使用U波段低端和Ka波段的输入功率源，电路结构实现在W波段和U波段高端的下混频。
所述亚谐波单片集成混频器使用DHBT器件设计，其中，本振二倍频电路使用DHBT器件设计，可以获得较高的倍频增益；射频输入缓冲级电路使用DHBT器件设计，可以获得较好的线性度；混频电路使用DHBT器件设计，在合适的偏置下可获得较好的非线性分量输出，其中即包括所需要的下混频分量输出；中频输出缓冲级电路使用DHBT器件设计，可以增强驱动能力。
所述亚谐波单片集成混频器具体的适用范围是：本振输入信号在30GHz至55GHz，经过内置二倍频产生60GHz至110GHz的二次谐波，和与其偏差在5GHz以内的射频信号混频，生成处于直流到5GHz之间的中频信号，总的射频带宽为10GHz。
综合上述，本发明得到的有益效果是：此设计通过内部的倍频电路来提升本振输入信号频率，不需要使用U波段或者W波段的频率源，而所使用频段较低的Ka波段频率源，其相位噪声和频率稳定度相对要好。同时此设计有较好的LO/2LO-RF的隔离性能，中频输出端口的驱动能力也有专门的输出级来保障，具有一定的变频增益和较低的噪声系数，增强了使用本发明的U波段和W波段微波系统在设计上的灵活性，避免了使用传统基波无源混频器后对系统中其它电路模块性能有较高要求的矛盾局面出现。
附图说明
图1为本发明基于DHBT的毫米波亚谐波混频器电路原理图；
图2为本发明混频管部分电路中有四个独立端口的十字线电容三维示意图。
图中，1-本振二倍频电路、2-射频输入缓冲级电路、3-混频电路、4-中频输出缓冲级电路、5-端口1、6-端口2、7-端口3、8-端口4、9-上层金属、10-下层金属、11-电容。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行说明。
首先对本发明应用的频率范围进行说明。本发明最适宜的应用频段为毫米波的高频段，U波段和W波段，从60GHz延伸到110GHz。在U波段以下，可以直接使用高品质的频率源，因此对谐波混频器的需求相对较少，而在U波段和W波段，本发明通过对低频段的本振信号进行二倍频，使用其二次谐波进行混频，正好解决了在U波段和W波段缺少高品质频率源给混频器的设计和应用带来的困难，而且与本发明配套使用的低频段频率源的输出相位噪声和频率稳定度也往往比与基波混频器配套使用的高频段频率源要好，会相应提高混频器输出信号的品质。
本发明所提出的混频器拓扑结构如图1所示，整个电路分成四个部分，分别是本振二倍频电路1、射频输入缓冲级电路2、混频电路3及4中频输出缓冲级电路。
下面针对四个部分分别进行说明。
图示1-1是本发明所述本振二倍频部分的电路示意图。输入信号经过匹配电路进入二倍频管。匹配电路的采用十字线，可以拓展本振输入端口的带宽。在本振二倍频管的输出端，除了一部分从输入端泄露而来的输入信号基波分量，同时还有其各次谐波分量，但是除了基波和二次谐波以外的各次谐波能量都很小，可以忽略，而其输出端附带有基波信号的旁路线，经过这样的信号整理，本振二倍频部分将产生带有增益的输入频率二次谐波信号，并且有较高的基波信号抑制能力。
图示1-2是本发明所述射频输入缓冲级部分的电路示意图。输入缓冲级采用了级联(Cascade)放大器的形式。输入缓冲级一方面可以提高射频输入信号的功率，适当地增加变频增益。另一方面，缓冲放大器可以起到隔离射频端口和混频器其它部分的作用，改善LO/2LO-RF隔离性能。具体的，当使用一只单管共射放大器时，输入端口和输出端口会通过基极和集电极之间的寄生电容发生耦合，本振及其各次谐波信号可通过这条耦合路径进入射频输入端口，恶化射频端口的隔离性能。而使用Cascade结构后，共基放大器的存在阻断了上面所说的电容耦合通路，从而增强混频器的LO/2LO-RF隔离。
图示1-3是本发明所述混频管部分的电路。射频和本振信号两路信号合为一路输入混频管内。因为在这部分电路中除了本振信号的二次谐波(即实际需要的本振信号)和射频信号外，本振输入信号的基波和其它各次谐波也都会进入这部分电路，所以其中的匹配电路电长度要尽量短，这样射频及本振输入信号的二次谐波可以顺利的汇集在混频管输入端。另外，从图1中可以看到，混频管的前置隔直电容同时要连通四个端子，分别是本振入，射频入，混频管和混频管偏置线，通过使用如图2的十字线电容，可实现紧凑的管间互联并减少版图面积。其中，5-端口1和6-端口2与射频和本振支路相连，而7-端口3和8-端口4与混频管基极和混频管的偏置电路相连，上下两层通过电容11实现了直流的隔离。
图示1-4是本发明所述基于射级跟随器设计的输出级电路。无论是DHBT器件还是如HEMT一类的器件，其输出阻抗与50欧姆的标准输出端口阻抗相差较多，在不加入缓冲级的情况下实现中频信号的无耗匹配是困难的，而通过中频射极跟随放大器缓冲，一方面解决匹配的问题，另一方面，缓冲放大器在本振基波与各次谐波信号和射频输入信号所在的频段上是有耗的，这些信号从混频管泄露至缓冲放大器后，在放大器内部被消耗掉，既不泄露至中频输出端口，也不会被反射回混频管输出端，不会额外恶化三阶交调性能。如此设计可省略无源LC低通滤波网络，减少版图面积，而且易于与后级AD采样芯片级联。
上面描述了本发明所使用的拓扑结构以及在电路细节上针对性的设计，并给出了理由和这些针对性设计对此发明所描述的毫米波亚谐波混频器芯片以及其应用环境的影响和改进。这些拓扑设计都在当前集成电路水平能够实现的范围内，而且为了使本发明能够在U波段直到W波段上都能有合适的应用，对DHBT管的直流偏置的选择，以及匹配电路和旁路电路的具体尺寸设计，本发明没有给出固定的设计参数，而是根据实际情况，在拓扑不变的情况下，有针对性的进行设计和优化，因此本发明能够在各种不同的系统要求下，灵活地调整和分配变频增益，噪声系数和三阶交调等性能的裕度。
实际上，此发明的拓扑结构，当应用于HEMT和CMOS器件时，都能够完成所描述的功能并且实现较好的性能，但做为优选，应用DHBT器件设计此电路，能够最大程度的发挥DHBT器件以及此发明所涉及的拓扑结构的性能。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于DHBT工艺的有源毫米波亚谐波单片集成混频器电路，包括本振二倍频电路、射频输入缓冲级电路、混频电路和中频输出缓冲级电路，其特征在于，通过本振二倍频电路将一个低频的大功率输入信号二倍频，生成的二次谐波信号与经射频输入缓冲级缓冲的射频输入信号一起进入混频电路混频，再通过中频输出缓冲放大器输出，实现在本振二次谐波频段上的下混频功能；所述混频电路中，射频输入缓冲级电路输出的射频信号和本振二倍频电路产生的本振二次谐波混频分别连接十字线片上电容中上层金属的两个端口，同时，混频电路中的混频管和混频管偏置线分别连接十字线片上电容中下层金属的两个端口，电容上下层实现直流隔离，混频电路使用一个三端口匹配网路，配合四端口的十字线形态片上电容，形成紧凑的管间互联；其中，此亚谐波单片集成混频器具体的适用范围是：本振输入信号在30GHz至55GHz，经过内置二倍频产生60GHz至110GHz的二次谐波，和与其偏差在5GHz以内的射频信号混频，生成处于直流到5GHz之间的中频信号，总的射频带宽为10GHz。
2.如权利要求1所述的一种基于DHBT工艺的有源毫米波亚谐波单片集成混频器电路，其特征在于，所述本振二倍频电路采用星型匹配网路拓展端口带宽，其输出端通过一支本振基波旁路线抑制本振信号向射频和中频端口的泄露。
3.如权利要求1所述的一种基于DHBT工艺的有源毫米波亚谐波单片集成混频器电路，其特征在于，所述射频输入缓冲级电路中的射频输入信号，通过一支级联放大器进行缓冲，增强射频端口对本振的基波和各次谐波信号的抑制能力。
4.如权利要求1所述的一种基于DHBT工艺的有源毫米波亚谐波单片集成混频器电路，其特征在于，所述中频输出缓冲级电路使用射级跟随器进行缓冲和驱动，改善三阶交调性能并且实现中频频段的匹配。
5.如权利要求1所述的一种基于DHBT工艺的有源毫米波亚谐波单片集成混频器电路，其特征在于，所述本振使用U波段低端和Ka波段的输入功率源，电路结构实现在W波段和U波段高端的下混频。
6.如权利要求1所述的一种基于DHBT工艺的有源毫米波亚谐波单片集成混频器电路，其特征在于，此亚谐波单片集成混频器使用DHBT器件进行设计。
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