專利名稱：一種基于cs/cg有源巴倫的mmic平衡式超寬帶倍頻器的制作方法
技術領域：
一種基于CS/CG有源巴倫的MMIC平衡式超寬帶倍頻器，屬于電子通信技術領域，涉 及微波毫米波超寬帶倍頻器集成技術。
背景技術：
當今無線通信中，工作頻率不斷提高，微波毫米波頻段的信號源通常都采用倍頻器的方 式來實現(xiàn)從較低頻率的參考信號源倍頻獲取所需頻率的信號，這種方式獲取的信號的相位噪 聲性能比直接采用高頻振蕩器獲取的信號的相位噪聲性能好。此外，無線通信信號工作頻率 越來越高、頻帶越來越寬，涉及了微波和毫米波頻段，因此超寬帶或多波段頻率源是必不可 少的關鍵電路，而采用超寬帶的倍頻器不但可滿足此類頻率源的要求，還可以降低此類頻率 源的設計難度。同時，隨著微波毫米波通信技術的迅速發(fā)展，人們對通信設備的要求越來越 高，體積小，重量輕，可靠性高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點使得微波單片集成電路(MMIC)在微波 通信領域逐漸取代了波導系統(tǒng)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 制作在一片砷化鎵或硅片上而構成的集成電路。在單片集成電路加工工藝的進步下，目前倍 頻器的主要研究熱點是有源倍頻方式。大量基于pHEMT (贗匹配高電子遷移率管)工藝研制 的寬帶有源倍頻器的帶寬已接近兩個倍頻程。超過兩個倍頻程的超寬帶倍頻器的設計方法通 常有兩種 一種方式是采用分布式倍頻結構，但是此倍頻結構的電路直流功耗大、基波抑制 度不好，不適于通信設備；另一種方式是采用超寬帶平衡式倍頻結構，此結構具有基波抑制 度高的優(yōu)點，可減小基波信號對通信設備其他部分的干擾。
通常超寬帶MMIC平衡式倍頻器電路結構如圖1所示，由集成在同一芯片的等幅反相功
分電路、倍頻單元電路、功率合成單元電路和寬帶放大單元電路組成。其基本工作原理為
基波輸入信號經等幅反相功分電路分為等幅反相的兩路信號，然后分別經倍頻單元電路倍頻 后再經功率合成單元電路同相合成，最后經寬帶放大單元電路放大后輸出所需的寬帶倍頻信 號。輸入基波信號被分為等幅反相的信號，在輸出端合成時將反相抵消，而倍頻后的信號相 位相同，在輸出端合成時將同相相加，因此該結構對輸入基波信號抑制度高，可減小基波信 號對通信設備其他部分的干擾。此種倍頻器對電路結構的對稱性要求高，兩支路的幅度和相 位的不平衡都會造成倍頻器基波信號抑制度變差、變頻增益變小。
現(xiàn)有的一種2-40GHz超寬帶MMIC平衡式倍頻器結構如圖2所示(見F. Raay， G. Kompa,"A 2-40 GHZ PHEMT MMIC ACTIVE BALUN FREQUENCY DOUBLER," 2, Ewra/^朋M/cTOwm;e Om/, Munich, 1999, pp. 349-352.)。它的電路結構為超寬帶平衡式倍頻結 構，包括采用差分放大單元作為等幅反相功分電路、由兩個推挽共源pHEMT管組成的倍頻 單元。射頻(RF)信號通過差分放大單元后等幅反相分配到倍頻單元，在倍頻單元輸出口等 幅同相合成為一路信號輸出。
采用此結構可實現(xiàn)大于4個倍頻程的超寬帶二倍頻輸出，但由于采用了差分放大單元， 因此該電路的功耗大，而且差分放大單元中的電流源是超寬帶設計中的難點，使得整個倍頻 器集成難度很大。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種基于CS/CG有源巴倫的MMIC平衡式超寬帶倍頻器，利用CS/CG有源 巴倫作為平衡式倍頻器的等幅反相功分電路，采用偏置在器件夾斷電壓的pHEMT管作為倍 頻單元，最后通過增益補償實現(xiàn)平衡式超寬帶倍頻信號輸出。與同類超寬帶倍頻器相比，本 發(fā)明具有同等優(yōu)良的帶寬和變頻增益，且結構相對簡單、更有利于集成。
本發(fā)明的詳細技術方案為
一種基于CS/CG有源巴倫的MMIC平衡式超寬帶倍頻器，如圖1所示，包括等幅反相 功分電路、倍頻單兀電路、功率合成電路和寬帶放大單元電路，所有單元電路全部集成在一 個單芯片上?；ㄝ斎胄盘柦浀确聪喙Ψ蛛娐贩譃榈确聪嗟膬陕沸盘?，然后分別經倍頻 爭元電路倍頻后再經功率合成單元電路同相合成，最后經寬帶放大單元電路放大后輸,屮,所需
的寬帶倍頻信號。
所述等幅反相功分電路如圖3所示，為CS/CG有源巴倫；所述CS/CG有源巴倫包括一個 CSFET (共源三極管)、 一個CGFET (共柵三極管)和CS/CG FET的偏置電路基波輸入 信號經CS FET輸出與基波輸入信號等幅反相的信號，基波輸入信號經CG FET輸出與基波
輸入信號等幅同相的信號。
所述倍頻單元電路為阻性倍頻單元電路，如圖5如所示，由兩個直流偏置在夾斷電壓的 倍頻管構成。如圖5如所示，所述功率合成單元電路為一簡單的輸入、輸出端口阻抗相匹配 的T接頭網絡。柵偏電壓Vgs分別通過電阻Rl和電阻R2為第一倍頻管和第二倍頻管提供柵 極偏置電壓，漏偏電壓V&通過T接頭網絡為第一倍頻管和第二倍頻管提供漏極偏置電壓； 等幅反相功分電路輸出的等幅反相的信號fe第一倍頻管的柵極，等幅反相功分電路輸出的等
幅同相的信號接第二倍頻管的柵極；第一、第二倍頻管輸出的倍頻信號通過輸入、輸出端口 阻抗相匹配的T接頭網絡合成一路信號輸出。
所述寬帶放大爭元電路由前端的分布式放大部分和后端的CS放大部分組成。其中分布式 放大部分為功率合成后的倍頻信號提供超寬帶增益補償，CS放大部分補償分布式放大部分在 超寬帶范圍內的增益不平坦度。所述分布式放大部分和CS放大部分如圖6所示，其中分布 式放大部分由三個放大管和若干微帶傳輸線組成，放大管和微帶線共同構成分布式放大器的 虛擬傳輸線，實現(xiàn)超寬帶輸入、輸出匹配和放大性能；CS放大部分由兩個CS放大管組成， 通過調節(jié)CS放大管的輸入、輸出匹配電路改變CS放大單元的增益曲線，補償增益不平坦度。
需要說明的是，根據(jù)倍頻器變頻增益指標的不同要求，上述的分布式放大部分和CS放大 部分可單獨采用，也可以綜合采用；并且放大部分中的放大管的個數(shù)也可根據(jù)指標要求進行增減。
本發(fā)明所提供的基于CS/CG有源巴倫的MMIC平衡式超寬帶倍頻器，其實質在于利用 CS/CG有源巴倫作為等幅反相功分電路，并在CS/CG有源巴倫的基礎上結合增益補償技術， 提供了一種新型MMIC平衡式超寬帶倍頻器。與同類超寬帶倍頻器相比，本發(fā)明具有同等優(yōu) 良的帶寬和變頻增益，且結構相對簡單、更有利于集成。


圖1為通常超寬帶MMIC平衡式倍頻器電路結構示意圖。 圖2為現(xiàn)有的一種超寬帶MMIC平衡式倍頻器結構示意圖。 圖3為CS/CG有源巴倫結構示意圖。
圖4為本發(fā)明具體實施方式
中提供的一種具體的CS/CG有源巴倫結構示意圖。
圖5為本發(fā)明提供的MMIC平衡式超寬帶倍頻器中倍頻單元電路和功率合成電路的結構
示意圖。
圖6為本發(fā)明提,的MMIC平衡式超寬帶倍頻器中寬帶放大單元電路的結構示意圖。 圖7為本發(fā)明所述的3-50GHz超寬帶MMIC平衡式倍頻器的變頻增益和基波抑制測試結果。
具體實施例方式
一種基于CS/CG有源巴倫的MMIC平衡式超寬帶倍頻器，包括等幅反相功分電路、倍
頻單元電路、功率合成電路和寬帶放大單元電路，所有單元電路全部集成在一個單芯片上； 基波輸入信號經等幅反相功分電路分為等幅反相的兩路信號，然后分別經倍頻單元電路倍頻 后冉經功率合成單元電路同相合成，最后經寬帶放大單元電路放大后輸出所需的寬帶倍頻信
所述等幅反相功分電路為CS/CG有源巴倫，由一個CSFET、 一個CGFET、四個電阻、 五個電容和一個電感構成基波輸入信號通過電容C1接CGFET的源極，基波輸入信號通過 電容C1、電容C2接CSFET的柵極；CSFET的漏極通過電容C5輸出與基波輸入信號等幅 反相的信號，CG FE;r的漏極通過電容C4輸出與基波輸入信號等幅同相的信號；CSFET的 源極接地，CG FET的源極通過電感Ll接地；CS FET的柵極通過電阻Rl接偏置電壓Vgsl ， CGFET的柵極通過電阻R2接偏置電壓Vgs2，并通過電容C3接地；CSFET的漏極通過電阻 R4接偏置電壓Vdsl， CG FET的漏極通過電阻R3接偏置電壓Vdsl。
所述倍頻單元電路為阻性倍頻單元電路，由兩個直流偏置在夾斷電壓的pHEMT倍頻管 構成；所述功率合成單元電路為一簡單的輸入、輸出端口阻抗相匹配的T接頭網絡。柵偏電 壓Vgs分別通過電阻R21和電阻R22為第一 pHEMT倍頻管和第二 pHEMT倍頻管提供柵極 偏置電壓，漏偏電壓Vds通過T接頭網絡為第一 pHEMT倍頻管和第二 pHEMT倍頻管提供漏 極偏置電壓；等幅反相功分電路輸出的等幅反相的信號接第一 pHEMT倍頻管的柵極，等幅 反相功分電路輸出的等幅同相的信號接第二 pHEMT倍頻管的柵極；第一、第二pHEMT倍 頻管輸出的倍頻信號通過輸入、輸出端口阻抗相匹配的T接頭網絡合成一路信號輸出。
所述寬帶放大單元電路由前端的分布式放大部分和后端的CS放大部分組成；其中分布 式放大部分功率合成后的倍頻信號提供超寬帶增益補償，CS放大部分補償分布式放大部分在 超寬帶范圍內的增益不平坦度。所述分布式放大部分由三個pHEMT放大管和若干微帶傳輸 線組成，pHEMT放大管和微帶線共同構成分布式放大器的虛擬傳輸線，實現(xiàn)超寬帶輸入、輸 出匹配和放大性能；所述CS放大部分由兩個CS放大管組成，通過調節(jié)CS放大管的輸入、 輸出匹配電路改變CS放大單元的增益曲線，補償增益不平坦度。
所述CS/CG有源巴的仿真結果顯示其在1.5 25GHz范圍內的相位不平衡度小于8°。
所述分布式放大部分提供整個頻帶的增益，補償倍頻單元電路的變頻損耗。設計分布式 放大單元時應保證虛擬傳輸線的截止頻率大于最大的工作頻率。虛擬傳輸線的截止頻率力由下 式決定
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，Z。是傳輸線的時性阻抗；Cg,是放大pHEMT管的柵源電容。在該倍頻芯片中，設計Z。 為80歐姆，(；為0.04pF，因此虛擬傳輸線的力為99.52GHz，大于最大的工作頻率50GHz。
在設計本發(fā)明所述的基于CS/CG有源巴倫的MMIC平衡式超寬帶倍頻器時，CS/CG有 源巴倫、倍頻單元和分布式放大單元的聯(lián)合仿真顯示二倍頻信號變頻增益曲線呈現(xiàn)頻率低端 增益低、頻率高端增益高的"正"斜率特性，因此在設計最后一級CS放大單元時，采用開、短 路傳輸線作為電路匹配枝節(jié)，并調節(jié)匹配枝節(jié)參數(shù)使CS放大單元的增益曲線呈現(xiàn)"負"斜率特 性，補償倍頻芯片在整個頻帶內的增益平坦度。
對本發(fā)明所述的基于CS/CG有源巴倫的MMIC平衡式超寬帶倍頻器進行測試表明輸 入頻率為1.5-25GHz,芯片輸入口功率為OdB時，變頻增益大于-5dB，基波抑制大于15dB， 測試結果包括輸出連fe線和輸出接頭的損耗，如圖7所示，其工作頻率大于四個倍頻程；以 變頻增益為帶寬定義標準，可看出該倍頻器3dB輸出帶寬約為4-42GHz。
權利要求
1、一種基于CS/CG有源巴倫的MMIC平衡式超寬帶倍頻器，包括等幅反相功分電路、倍頻單元電路、功率合成電路和寬帶放大單元電路，所有單元電路全部集成在一個單芯片上；基波輸入信號經等幅反相功分電路分為等幅反相的兩路信號，然后分別經倍頻單元電路倍頻后再經功率合成單元電路同相合成，最后經寬帶放大單元電路放大后輸出所需的寬帶倍頻信號；其特征在于，所述等幅反相功分電路為CS/CG有源巴倫；所述CS/CG有源巴倫包括一個CS FET、一個CG FET和CS/CG FET的偏置電路基波輸入信號經CS FET輸出與基波輸入信號等幅反相的信號，基波輸入信號經CG FET輸出與基波輸入信號等幅同相的信號。
2、 根據(jù)權利要求1所述的基于CS/CG有源巴倫的MMIC平衡式超寬帶倍頻器，其特征 在于，所述CS/CG有源巴倫由一個CSFET、 一個CGFET、四個電阻、五個電容和一個電感 構成基波輸入信號通過電容C1接CG FET的源極，基波輸入信號通過電容C1、電容C2 接CS FET的柵極;CS FET的漏極通過電容C5輸出與基波輸入信號等幅反相的信號，CG FET 的漏極通過電容C4輸出與基波輸入信號等幅同相的信號；CS FET的源極接地，CG FET的 源極通過電感Ll接地；CS FET的柵極通過電阻Rl接偏置電壓Vgsl， CG FET的柵極通過電 阻R2接偏置電壓Vgs2，并通過電容C3接地；CSFET的漏極通過電阻R4接偏置電壓Vdsl， CG FET的漏極通過電阻R3接偏置電壓Vdsl。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的基于CS/CG有源巴倫的MMIC平衡式超寬帶倍頻器，其 特征在于，所述倍頻單元電路為阻性倍頻單元電路，由兩個直流偏置在夾斷電壓的倍頻管構 成；所述功率合成單元電路為一簡單的輸入、輸出端口阻抗相匹配的T接頭網絡；柵偏電壓Vgs分別通過電阻R21和電阻R22為第一倍頻管和第二倍頻管提供柵極偏置電 壓，漏偏電壓Vds通過T接頭網絡為第一倍頻管和第二倍頻管提供漏極偏置電壓；等幅反相 功分電路輸出的等幅反相的信號接第一倍頻管的柵極，等幅反相功分電路輸出的等幅同相的 信號接第二倍頻管的柵極；第一、第二倍頻管輸出的倍頻信號通過輸入、輸出端口阻抗相匹 配的T接頭網絡合成一路信號輸出。
4、 根據(jù)權利要求3所述的基于CS/CG有源巴倫的MMIC平衡式超寬帶倍頻器，其特征 在于，所述寬帶放大單元電路由前端的分布式放大部分和后端的CS放大部分組成；其中分 布式放大部分為功率合成后的倍頻信號提供超寬帶增益補償，CS放大部分補償分布式放大部 分在超寬帶范圍內的增益不平坦度。
5、 根據(jù)權利要求4所述的基于CS/CG有源巴倫的MMIC平衡式超寬帶倍頻器，其特征 在于，所述分布式放大部分由三個放大管和若干微帶傳輸線組成，放大管和微帶線共同構成 分布式放大器的虛擬傳輸線，實現(xiàn)超寬帶輸入、輸出匹配和放大性能；所述CS放大部分由 兩個CS放大管組成，通過調節(jié)CS放大管的輸入、輸出匹配電路改變CS放大單元的增益曲 線，補償增益不平坦度。
6、 根據(jù)權利要求3所述的基于CS/CG有源巴倫的MMIC平衡式超寬帶倍頻器，其特征 在于，所述第一倍頻管和第二倍頻管是pHEMT倍頻管。
7、 根據(jù)權利要求5所述的基于CS/CG有源巴倫的MMIC平衡式超寬帶倍頻器，其特征 在于，所述分布式放大部分的三個放大管是pHEMT放大管。
全文摘要
一種基于CS/CG有源巴倫的MMIC平衡式超寬帶倍頻器，屬于電子通信技術領域，涉及微波毫米波超寬帶倍頻器集成技術。包括基于CS/CG有源巴倫等幅反相功分電路、倍頻單元電路、功率合成電路和寬帶放大單元電路，所有單元電路全部集成在一個單芯片上；基波輸入信號經等幅反相功分電路分為等幅反相的兩路信號，然后分別經倍頻單元電路倍頻后再經功率合成單元電路同相合成，最后經寬帶放大單元電路放大后輸出所需的寬帶倍頻信號。本發(fā)明利用CS/CG有源巴倫作為等幅反相功分電路，并在CS/CG有源巴倫的基礎上結合增益補償技術，提供了一種新型MMIC平衡式超寬帶倍頻器。與同類超寬帶倍頻器相比，本發(fā)明具有同等優(yōu)良的帶寬和變頻增益，且結構相對簡單、更有利于集成。
文檔編號H03B19/00GK101364789SQ20081004620
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月27日 優(yōu)先權日2008年9月27日
發(fā)明者宇 劉, 濤 楊, 楊自強 申請人:電子科技大學