CN107612508B - 一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器 - Google Patents

一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器，包括倍频电路和与倍频电路连接的混频电路；倍频电路包括BJT1、BJT2和BJT3；BJT1的基极为倍频电路的输入端，BJT1的集电极与BJT2的基极电连接；BJT2的集电极与BJT3的基极电连接；混频电路包括BALUN、RF BALUN和Gilbert混频单元；Gilbert混频单元包括共发射极的BJT4和BJT5以及BJT6和BJT7；BJT4和BJT5的发射极与BJT8的集电极连接；BJT6和BJT7的发射极与BJT9的集电极连接；BALUN的一输出端分别与BJT4和BJT7的基极电连接，其另一输出端分别与BJT5和BJT6的基极电连接；RF BALUN的输出端分别与BJT8和BJT9的基极电连接。

Description

一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器
技术领域
本发明属于混频器的技术领域，具体涉及一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器。
背景技术
混频器是通信与雷达系统中的核心器件，其功能是实现频谱的向上或向下搬移，经常被用在频率合成器和混频链模块中，也常用在超外差接收机中。目前，多数混频器为基波混频或者偶次(多为二次)谐波混频，想要实现W波段频率信号的下变频，需要直接从压控振荡器(VCO)得到W波段或者45GHz左右频率信号来提供本振频率信号，而这一过程难度很大，因为VCO在毫米波频段设计困难，尤其是设计宽带和低相位噪声的VCO就更加困难。如果使用三次谐波混频器，可以进一步降低本振频率，从而降低对VCO的设计要求，而四次或更高次谐波混频虽然可以更进一步降低本振频率，但由于谐波阶数过高，高阶谐波的功率会变得很小，使得变频损耗变大，增加了设计谐波混频器的设计难度，在性能上不能得到很好地保证，复杂度和难度都会增加。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器，以解决现有混频器在W波段频率信号的下变频技术困难的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
提供一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器，其包括倍频电路和与倍频电路连接的混频电路；
倍频电路包括BJT1、BJT2和BJT3；BJT1的基极为倍频电路的输入端，BJT1的集电极与BJT2的基极电连接；BJT2的集电极与BJT3的基极电连接；
混频电路包括BALUN、RF BALUN和Gilbert混频单元；Gilbert混频单元包括共发射极的BJT4和BJT5以及BJT6和BJT7；BJT4和BJT5的发射极与BJT8的集电极连接；BJT6和BJT7的发射极与BJT9的集电极连接；BALUN的一输出端分别与BJT4和BJT7的基极电连接，其另一输出端分别与BJT5和BJT6的基极电连接；RF BALUN的输出端分别与BJT8和BJT9的基极电连接。
优选地，BJT1、BJT2和BJT3的发射极均接地；BJT1、BJT2和BJT3的集电极均与直流偏置电路连接。
优选地，直流偏置电路包括电源Vdd和与电源Vdd电连接的匹配电路。
优选地，倍频电路中BJT3的集电极与混频电路中的BALUN连接。
优选地，RF BALUN的两个输出端分别与电源Vdd连接。
优选地，BALUN和RF BALUN均为可实现上下层金属耦合的宽带耦合巴伦。
本发明提供的基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器，具有以下
有益效果：
本发明包括倍频电路和混频电路，倍频电路中的BJT1、BJT2和BJT3完成三次倍频，提供三陪的本振频率，同时直流偏置电路实现倍频电路输入输出的匹配。混频电路中balun实现本振与射频频率由平衡到不平衡的转换，实现宽带变频；上下层宽带耦合实现balun的小型化设计，六个BJT管组成Gilbert混频单元完成射频频率向下的频谱搬移，实现射频频率与本振频率的频谱混频，得到所需中频频率。
本发明采用集成电路设计，配合0.13um SiGeBiCMOS工艺，使功耗低至50mW，利用BALUN进行输入输出端的匹配，实现低变频损耗和宽带混频，提高设计冗余度。混频器是三次(奇数)谐波混频，本振频率在Ka波段，射频频率在W波段，输出频率92GHz～95GHz，可适用于W波段成像雷达、制导炸弹、探测雷达、导弹导引头等多种系统,具有很强的实用性。
附图说明
图1为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器的结构拓补图。
图2为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器BALUN和RF BALUN仿真图。
图3为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器的中频频率DC-3GHz输出功率仿真图。
图4为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器的中频频率为1GHz时输出功率仿真图。
图5为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器的中频频率为2GHz时输出功率仿真图。
图6为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器的本振与中频隔离度仿真图。
图7为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器的3倍本振与射频隔离度仿真图。
图8为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器的噪声系数仿真图。
图9为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器的中频为DC-3GHz的变频损耗测试结果图。
图10为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器的中频固定为1GHz的变频损耗测试结果图。
图11为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器的本振到中频的隔离度。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，如图1-11所示，本方案的基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器，包括倍频电路和与倍频电路连接的混频电路。
倍频电路包括BJT1、BJT2和BJT3，其中BJT1的基极为倍频电路的输入端，BJT1的集电极与BJT2的基极电连接，BJT2的集电极与BJT3的基极电连接。BJT1、BJT2和BJT3的发射极均接地；BJT1、BJT2和BJT3的集电极均与直流偏置电路连接。直流偏置电路包括电源Vdd和与电源Vdd电连接的匹配电路。
其中，BJT1、BJT2、BJT3、BJT4、BJT5、BJT6、BJT7、BJT8和BJT9均为BJT晶体管，其后面的数字1-9代表BJT晶体管在电路中的不同位置。
混频电路包括BALUN、RF BALUN和Gilbert混频单元；Gilbert混频单元包括BJT4、BJT5、BJT6、BJT7、BJT8和BJT9。其中，BJT4和BJT5以及BJT6和BJT7共发射极。BJT4和BJT5的发射极与BJT8的集电极连接；BJT6和BJT7的发射极与BJT9的集电极连接；BALUN的一输出端分别与BJT4和BJT7的基极电连接，其另一输出端分别与BJT5和BJT6的基极电连接；RFBALUN的输出端分别与BJT8和BJT9的基极电连接。
倍频电路中BJT3的集电极与混频电路中的BALUN连接，RF BALUN的两个输出端分别与电源Vdd连接。BALUN(巴伦)和RF BALUN(RF巴伦)均为可实现上下层金属耦合的宽带耦合巴伦。
0.13um SiGeBiCMOS工艺为IBM公司的0.13um SiGeBiCMOS的7层金属工艺，本方案的三次谐波混频器可使用其中的任意一层金属，即可具有低变频损耗、高谐波抑制、高隔离度的特点。
下面对本方案的基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器的工作流程做如下说明：
参考图1，信号进入倍频电路中，通过BJT1、BJT2和BJT3，实现本振频率的三倍频与本振功率的放大，直流偏置电路实现BJT1、BJT2和BJT3的输入输出匹配，倍频电路使得本振频率有足够的功率驱动后级Gilbert混频单元的开关管。
信号进入混频电路，经过处于W波段的BALUN，变为两路差分信号并进入BJT4、BJT5、BJT6和BJT7中。同时，射频信号从处于W波段的RF BALUN进入，分成两路差分信号，进入BJT8和BJT9中。上边位置的BJT4、BJT5、BJT6和BJT7，与下边位置的BJT8和BJT9形成双平衡混频，使得射频频率向下的频谱搬移，实现射频频率与本振频率的频谱混频，得到所需的中频频率，且在较大程度上抑制了偶次谐波，并能得到本振与射频端口的高隔离度，最终实现低变频损耗、高谐波抑制和高隔离度的三次谐波混频器。
参考图2，在W波段下BALUN和RF BALUN的S参数仿真结果，由图可知，BALUN和RFBALUN在W波段可实现30GHz左右的带宽，在该频段内差损在5dB以下，回波12dB以下，在该频段内，幅度不平衡度小于0.5dB，相位不平衡度小于3.5度，其性能结果满足混频器设计中所需要的平衡到不平衡的转换，得到两路W波段差分信号，具有小型化与宽带的特点。
参考图3，在本振功率为5.5dBm，射频频率为94GHz，功率为-30dBm时，对中频频率DC-3GHz的输出功率进行仿真，由图可知，在DC-3GHZ范围内最大变频损耗为1dB，最大增益为3dB。
参考图4，在本振功率为5dBm，射频频率为92-95GHz，功率为-30dBm时，对中频频率固定为1GHz的输出功率进行仿真，由图可知，在92-95GHz范围内最大变频损耗为2dB，最大变频增益为4dB。
参考图5，在本振功率为5dBm，射频频率为92-95GHz，功率为-30dBm时，对中频频率固定为2GHz的输出功率进行仿真，由图可知，在92-95GHz范围内最大变频损耗为1dB，最大变频增益为2dB。
参考图6，本振与中频的隔离度，由图可得，LO/IF隔离度大于30dB。
参考图7，3倍本振与中频的隔离度，由图可得，3LO/IF隔离度大于42dB。
参考图8，对噪声系数的仿真，由图可知，噪声系数小于17.5dB。
参考图9，在本振功率为6dBm，射频频率为94.6GHz，功率为-17.11dBm时，对中频频率DC-3GHz的输出功率的仿真，由图可知，在DC-3GHz范围内最大变频损耗为2.3dB，满足项目要求。
参考图10，在本振功率为6dBm，射频频率为91.9-95.2GHz，中频频率固定为1GHz的输出功率的仿真，由图可知，在91.9-95.2GHz范围内最大变频损耗为0.6dB，满足项目要求。
参考图11，本振到中频的隔离度，由图可知，LO/IF隔离度大于30dB。
从以上仿真可知，本发明在满足项目的要求下，还具有低变频损耗、高谐波抑制和高隔离度的特点。
本发明采用集成电路设计，配合0.13um SiGeBiCMOS工艺，使功耗低至50mW，利用BALUN进行输入输出端的匹配，实现低变频损耗和宽带混频，提高设计冗余度。混频器是三次(奇数)谐波混频，本振频率在Ka波段，射频频率在W波段，输出频率92GHz～95GHz，可适用于W波段成像雷达、制导炸弹、探测雷达、导弹导引头等多种系统,具有很强的实用性。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的三次谐波混频器，其特征在于：包括倍频电路和与倍频电路连接的混频电路；
所述倍频电路包括BJT1、BJT2和BJT3；所述BJT1的基极为倍频电路的输入端，BJT1的集电极与BJT2的基极电连接；所述BJT2的集电极与BJT3的基极电连接；
所述混频电路包括BALUN、RF BALUN和Gilbert混频单元；所述Gilbert混频单元包括共发射极的BJT4和BJT5以及BJT6和BJT7；所述BJT4和BJT5的发射极与BJT8的集电极连接；所述BJT6和BJT7的发射极与BJT9的集电极连接；所述BALUN的一输出端分别与BJT4和BJT7的基极电连接，其另一输出端分别与BJT5和BJT6的基极电连接；所述RF BALUN的输出端分别与BJT8和BJT9的基极电连接；
所述BJT1、BJT2和BJT3的发射极均接地；所述BJT1、BJT2和BJT3的集电极均与直流偏置电路连接；
所述直流偏置电路包括电源Vdd和与电源Vdd电连接的匹配电路；
所述倍频电路中BJT3的集电极与混频电路中的BALUN连接；
所述RF BALUN的两个输出端分别与电源Vdd连接；
所述BALUN和RF BALUN均为可实现上下层金属耦合的宽带耦合巴伦；
信号进入倍频电路中，通过BJT1、BJT2和BJT3，实现本振频率的三倍频与本振功率的放大，直流偏置电路实现BJT1、BJT2和BJT3的输入输出匹配，本振频率的功率驱动后级Gilbert混频单元的开关管；
信号进入混频电路，经过处于W波段的BALUN，变为两路差分信号并进入BJT4、BJT5、BJT6和BJT7中；射频信号从处于W波段的RF BALUN进入，分成两路差分信号，进入BJT8和BJT9中；BJT4、BJT5、BJT6和BJT7，与BJT8和BJT9形成双平衡混频，使得射频频率向下的频谱搬移，实现射频频率与本振频率的频谱混频，得到中频频率。
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