GaAs单片二极管双平衡混频器

第１　０卷，第９期　Ｖｏ１１０．电子与封装　．ＮＯ９　．ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩＣＳ＆ＰＡＣＫＡＧ１ＮＧ　总第８９期　２０１０年９月　电．路　设　计　ＧａＡｓ单片二极管双平衡混频器　陈坤　，彭龙新　，李建平　（１．单片集成电路与模块国家重点实验室，南京２１００１６；２．南京电子器件研究所，南京２１００１６）　摘要：采用０．２５“ｍ的ＧａＡｓ工艺制作了一款单片二极管双平衡混频器。基于环形二极管双平衡　混频器的基本工作原理，提出了Ｌ０巴伦与ＲＦ巴伦的区别所在，并以Ｍａｒｃｈａｎｄ巴伦为ＬＯ巴伦，以　ｔｒｉｆｏｒｍｅｒ巴伦作为ＲＦ巴伦。在优化了局部电路后，再与环形二极管组成整体电路，并对整体电路　进行了优化。最后对版图进行ＥＭ仿真，并稍作调整以改善ＥＭ仿真结果。当本振功率在１３ｄＢｍ时，　实测得转换损耗在低本振和高本振下约为１　１．５ｄＢ和１０．５ｄＢ，ＬＯ端口到ＩＦ端１：７和ＲＦ端口隔离度分　别为３０ｄＢ和３５ｄＢ，ＬＯ端口和ＲＦ端口驻波分别小于２和３．５，实测结果与仿真结果基本一致。　关键词：双平衡混频器；环形二极管；巴伦；微波单片集成电路；转换损耗　中图分类号：ＴＮ７７３．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６８１—１０７０（２０１０）０９—００３１—０３　Ａ　ＧａＡｓ　Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ　Ｄｉｏｄｅ　Ｄｏｕｂｌｅ．ｂａｌａｎｃｅｄ　Ｍｉｘｅｒ　ＣＨＥＮ　Ｋｕｎ　，ＰＥＮＧ　Ｌｏｎｇ－ｘｉｎ　，ＬＩ　Ｊｉａｎ—ｐｉｎｇ　（１．ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔａｎｄＭｏｄｕｌｅｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００１６，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２　１　００　１　６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｒｉｎｇ　ｆｏｒｍ　ｄｏｕｂｌｅ—ｂａｌａｎｃｅｄ　ｍｉｘｅｒ（ＤＢＭ）ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　０．２５　ｍ　ＧａＡｓ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｒｉｎｇ－ｄｉｏｄｅ　ＤＢＭ，ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ＲＦ　ｂａｌｕｎ　ａｎｄ　ＬＯ　ｂａｌｕｎ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｂａｌｕｎｓ　ａｒｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　Ｍａｒｃｈａｎｄ　ｂａｌｕｎ　ａｎｄ　ｔｒｉｆｏｒｍｅｒ　ｂａｌｕｎ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｆｏｒｍｅｄ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｂａｌｕｎｓ　ｏｖｅｒ　ｔｈｅ　ｂａｎｄｗｉｔｈ．Ｆｉｎａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｌａｙｏｕｔ　ｉＳ　ｍａｄｅ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ＥＭ　ｔｏｏｌｓ．Ｓｏｍｅ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ｉｓ　ｅｘｅｃｕｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｌａｙｏｕｔ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｌｏｓｓｅｓ　ａｒｅ　ａｂｏｕｔ　１　１．５ｄＢ　ａｎｄ　１　０．５ｄＢ　ｕｎｄｅｒ　ｌｏｗ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ＬＯ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＬＯ　ｐｏｗｅｒ＝１３ｄｂｍ．Ｔｈｅ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｏｆＬＯ　ｐｏｒｔ　ｔｏ　ＩＦ　ｐｏｒｔ　ａｎｄ　ＬＯ　ｐｏｒｔ　ｔｏ　ＲＦ　ｐｏｒｔ　ａｒｅ　ｂｅＲｅｒ　ｔｈａｎ　３０ｄＢ　ａｎｄ　３５ｄＢ．Ｔｈｅ　ＶＳＷＲ　ａｔ　ＬＯ　ｐｏｒｔ　ａｎｄ　ＲＦ　ｐｏｒｔ　ａｒｅ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　２　ａｎｄ　３．５．Ｉｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｇｒｅｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ　ｐｒｅｔｔｙ　ｗｅｌ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｅ－ｂａｌａｎｃｅｄ　ｍｉｘｅｒ（ＤＢＭ）；ｒｉｎｇ—ｄｉｏｄｅ；ｂａｌｕｎ；ＭＭＩＣ；ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｌｏｓｓ　好性能的巴伦。在混频器设计中，一般认为本振　１　引言　双平衡混频器理论上能够有效地抑制寄生混频　产物，各端口之间也有很好的隔离，是混频器设计　（ＬＯ）信号幅度远大于射频（ＲＦ）信号幅度，二极　管的导通与截止完全取决于ＬＯ信号。所以，从时域　角度考虑，ＬＯ巴伦处于支配地位，可以使用一般形　式的Ｍａｒｃｈａｎｄ巴伦【１．　实现；ＲＦ巴伦则处于被支配　地位，ＲＦ巴伦可由ｔｒｉｆｏｒｍｅｒ巴伦【４］实现。由于二极　的优选结构『３＿　，　。其中，二极管环形双平衡混频器　的结构相对简单，易于实现，关键在于设计具有良　管阻抗的非线性，不一定匹配于参考阻抗Ｚ０，故仍　收稿日期：２０１０—０６—１３　．３１。　第１０卷第９期　电子与封装　图２　ｔｒｉｆｏｒｍｅｒ巴伦（ａ）结构，（ｂ）输出特性　需要对整体电路加以优化和调整。以优化后的参数绘　制版图，并对版图进行ＥＭ仿真，最后采用０．２５　ｍ　的ＧａＡｓＴ＿艺制作了电路。当ＲＦ与ＬＯ频率为２．５　ＧＨｚ～　将ＬＯ巴伦、ＲＦ巴伦以及环形二极管组成完整　电路，设置优化参数以及合适的优化目标进行优化，　５．０ＧＨｚ、中频为０．５　ＧＨｚ～１．５ＧＨｚ时，实测变频损耗约　为１　１．５ｄ１３，ＬＯ到ｔＦ￣ＲＦ的隔离度分别为３０ｄＢ￣Ｎ３５ｄＢ，　得到双平衡混频器的仿真结果如图３所示。　ＬＯ和ＲＦ端口驻波分别小于２和３．５。　２　电路设计　环形二极管双平衡混频器原理图如图１所示。　当ＬＯ信号幅度远大于ＲＦ信号幅度时，在ＬＯ半周期　内Ｄ２、Ｄ３与ＤＩ、Ｉ３４交替导通，而ＲＦ巴伦的两个输　出端则交替处于开路和导通状态，同时从ＲＦ巴伦的　输出公共端引出Ｉ　Ｆ。据此工作特性，Ｌ　Ｏ巴伦由　Ｍａｒｃｈａｎｄ巴伦【　或螺旋变压器式巴伦［７］实现，本文采　用Ｍａｒｃｈａｎｄ巴伦结构；ＲＦ巴伦由ｔｒｉｆｏｒｍｅｒ巴伦［　实现。　Ｄ２　Ｄｌ　ＲＦＢａｌｕｎ　ＬＯＢａｌｕｎ　＿图１理想环形二极管双平衡混频器原理图　ＲＦ巴伦的结构图如图２（ａ）所示，线宽、间距　及线总长分别取８　ｍ、４　ｍ及３０００　ｍ。ＲＦ巴伦　的输出特性如图２（ｂ）所示，显示了在工作频带２．５ＧＨｚ－　５．０ＧＨｚ内，输出幅度平衡性小于ｌｄＢ，相位平衡性小　于５。，说明ＲＦ巴伦具有良好的平衡特性。　盖　、　．３２．　兽　＼　褪　窿　（ａ）端口驻波及隔离　＋口Ｆ０．５（嗣＿７ＪＩＤ　ｎ６（壬　１０　ＩＦｎ７（丑　ＩＯ　ｎ８（　１０　ｎ９（　１０　∞　１．Ｏｑ　Ｊ　０　勺　１ｌＱ　１０　・　＼　ｔ　ｌ　２（　１０　．　１．４３（婢　】．５ｑ　Ｉ　１　ｏ０　　／。　手。　｝／　ＬＯＷ　ＬＯ　Ｐｏｗｅｒ＝ｌ３ｄＢｍ　ＲＦ频率／ＧＨｚ　（ｂ）低本振下的转换损耗　∞　＼　皤　癣　ＲＦ频率／ＧＨｚ　（ｃ）高本振下的转换损耗　图３双平衡混频器仿真结果　可以看出各端口之间的隔离性极好，其中ＬＯ到　ＲＦ隔离大于２５ｄＢ，ＬＯ到ＩＦ隔离大于２０ｄＢ；ＬＯ端口　驻波约小于２，ＲＦ端口驻波小于３；当本振功率为　１　３ｄＢｍ时，转换损耗低于１　０．５ｄＢ，低本振下的转换损　耗优于高本振下的情况。　最后将电路模型转化为版图，合理地折弯微带　线以减小尺寸，并对版图中部分参数作适当调整，以　第１　０卷第９期　陈　坤，彭龙新，李建平：ＧａＡｓ单片二极管双平衡混频器　使ＥＭ仿真也满足性能要求，芯片的版图如图４所示。　图４双平衡混频器芯片版图（２ｍｍ　Ｘ　２ｍｍ）　３　实测结果　芯片实测结果如图５、６、７所示，ＬＯ到ＩＦ和ＲＦ　的隔离度分别为３０ｄＢ和３５ｄＢ，ＬＯ和ＲＦ端口驻波分　．ＮＩｂ于２和３．５。在低本振和高本振下，转换损耗分　别为１１．５ｄＢ和１０．５ｄＢ。　∞　＼　镀　频率／ＧＨｚ　图５端口驻波及隔离　一１Ｆ０．　ＩＦ０．ＩｌＦ　ｒ０　Ｉ　．　矧　Ｌ０　—　蹦　｝９（　Ｊ０　ｌＦＩＦ　ｌ（　ｆ７Ｊ１０　　ＯＧＨｄＩＯ　广’　＼　，一　∞　ｌＦ　＿＼　１ＩＦＦ　．　３２Ｇ｝　［４ＧＨ７【ｊ｝ｔｄ１ＩＯ　蜒　ＪＩＯ　０　．厂　＿　／　娶　１Ｆ　５（ｊ｝ｊ７＿ＪＩｏ　■　Ｉ、－　Ｌｏｗ　ＬＯ　Ｐｏｗｅｒ￣１３ｄＢｉｎ　２　５　３．０　３　５　４０　４．５　５．０　ＲＦ频率／ＧＨｚ　图６低本振下的转换损耗　４　结果分析　实测结果与仿真比较吻合，同时转换损耗的偏　差也随频率上升而增大，这可能是由于折弯间距不　如　∞　巧加　ｍ　５　Ｏ　ＲＦ频率／ＧＨｚ　图７高本振下的转换损耗　如　如　Ｍ　嗡　萄　够而使得微带线的内部耦合随频率加强，因此应加　大此间距以改良整体性能。　参考文献：　【１　１　Ｎ．Ｍａｒｃｈａｎｄ．Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ—ｌｉｎｅ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ　【Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９４，１７（１２）：１４２—１４５．　【２】Ｋ．Ｓ．Ａｎｇ，Ｉ．Ｄ．Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｉｍｐｅｄ—　ａｎｃｅ—Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ　Ｐｌｎａａｒ　Ｍａｒｃｈａｎｄ　Ｂａｌｕｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒｎａｓ—　ａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，２００　１，４９　（２）：４０２—４０６．　【３】Ａ．Ｍ．Ｐａｖｉｏ，Ｒ．Ｍ．Ｈａｌｌａｄａｙ．Ａ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｄｏｕｂｌｅ—ｂａｌ—　ｎａｃｅｄ　ｄｕａｌ－ｇａｔｅ　ＦＥＴ　ｍｉｘｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　ＧａＡｓ　ＩＣ　Ｓｙｍｐ．１９８８．　１７７．　【４】Ｒ．Ｍｏｎｇｉａ，Ｉ．Ｂａｈｌ，Ｐ．Ｂｈａｒｔｉａ．ＲＦ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ—Ｌｉｎｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ［Ｍ】．Ａｒｔｅｃｈ　Ｈｏｕｓｅ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｌｉｂｒａｒｙ，１　９９９．４３９．　【５】Ｉ．Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ，Ｓ．Ｌｕｃｙｓｚｙｎ．ＲＦＩＣ　ａｎｄ　ＭＭＩＣ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｍ］．ＴＨＥ　ＩＥＥ，２００１．２２０—２３０．　［６　Ｊ　Ｈ．Ｋ．Ｃｈｉｏｕ，Ｙ．Ｒ．Ｊｕａｎｇ，Ｈ．Ｈ．Ｌｉｎ．Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ　ＭＭＩＣ　ｓｔａｒ　ｄｏｕｂｌｅ　ｂａｌａｎｃｅｄ　ｍｉｘｅｒ　ｕｓｉｎｇ　ｌｕｍｐｅｄ　ｄｕａｌ　ｂａｌｕｎ［Ｊ］．ＥＬＥＣ—　ＴＲＯＮＩＣＳ　ＬＥＴＴＥＲＳ，１　９９７，３３（６）：５０３—５０５．　【７１　Ｋ．Ｓ．Ａｎｇ，Ｓ．Ｂ．Ｅｃｏｎｏｍｉｄｅｓ，Ｓ．Ｎａｍ，ｅｔ　ａ１．．Ａ　ｃｏｍｐａｃｔ　ＭＭＩＣ　ｂａｌｕｎ　ｕｓｉｎｇ　ｓｐｉｒａｌ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ［Ｍ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆＡｓｉａ　Ｐａｃｉｆｉｃ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ，１　９９９．　６５５—６５８．　作者简介：　陈坤（１９８０一），男，安徽安庆人，　毕业于华中科技大学电子科学与技术　系，现为南京电子器件研究所硕士研　究生，研究方向为微波单片集成电路　设计。　．３３．