專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于dhbt工藝的有源毫米波亞諧波單片集成混頻器電路的制作方法
一種基于DHBT工藝的有源毫米波亞諧波單片集成混頻器電路技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于毫米波系統(tǒng)和半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域，具體涉及一種基于DHBT工藝的有源毫米波亞諧波單片集成混頻器的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
隨著技術(shù)發(fā)展，通訊設(shè)備和雷達(dá)系統(tǒng)工作頻率也逐步提高，高端產(chǎn)品目前已達(dá)數(shù)十GHz的毫米波段，這些系統(tǒng)都需要與其頻率相應(yīng)的混頻器模塊。特別的，在U波段和W 波段，市場(chǎng)對(duì)穩(wěn)定而且低成本的混頻器電路的需求更加迫切。這是由于，一方面，傳統(tǒng)的基于阻性二極管的無(wú)源混頻器集成度低，變頻損耗大，限制了基于該混頻器的系統(tǒng)的發(fā)展；另一方面，因?yàn)樵?0GHz至IlOGHz之間，缺少可用的，高輸出功率，雜散少，體積小，可靠性高的頻率源進(jìn)行配套，在低頻段比較常用的基波混頻器電路很難在這個(gè)頻率范圍得到廣泛應(yīng)用。
因此，在毫米波高端應(yīng)用的混頻器電路，呈現(xiàn)出兩個(gè)重要特點(diǎn)，一是依托高頻三端電子器件的發(fā)展，如DHBT和HEMT，將混頻器采用全集成的單片集成電路(MMIC)方式實(shí)現(xiàn)， 二是大力發(fā)展諧波混頻電路，減少對(duì)毫米波高頻段高性能本振信號(hào)源的依賴(lài)。目前這兩個(gè)重要特點(diǎn)有多種結(jié)合方式第一，使用基于阻性二極管的倍頻鏈對(duì)低頻本振信號(hào)源倍頻輸出所需要的高頻信號(hào)，利用集成電路技術(shù)設(shè)計(jì)高頻段的基波混頻器，再將兩者結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)混頻；第二，使用如上的電路，但是通過(guò)集成電路技術(shù)，對(duì)阻性二極管倍頻鏈進(jìn)行單片集成，可適當(dāng)減小電路規(guī)模，提高部分性能；然而，最徹底的方式便是把倍頻鏈集成進(jìn)混頻器電路內(nèi)，或者直接設(shè)計(jì)單片集成的亞諧波混頻器。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種應(yīng)用在U波段和W波段的基于DHBT工藝的有源毫米波亞諧波單片集成混頻器電路。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于DHBT工藝的有源毫米波亞諧波單片集成混頻器電路，包括本振二倍頻電路、射頻輸入緩沖級(jí)電路、混頻電路和中頻輸出緩沖級(jí)電路，通過(guò)本振二倍頻電路將一個(gè)低頻的大功率輸入信號(hào)二倍頻，生成的二次諧波信號(hào)與經(jīng)射頻輸入緩沖級(jí)緩沖的射頻輸入信號(hào)一起進(jìn)入混頻電路混頻，再通過(guò)中頻輸出緩沖放大器輸出，實(shí)現(xiàn)在本振二次諧波頻段上的下混頻功能。
所述本振二倍頻電路采用星型匹配網(wǎng)路拓展端口帶寬，其輸出端通過(guò)一支本振基波旁路線(xiàn)抑制本振信號(hào)向射頻和中頻端口的泄露。
所述射頻輸入緩沖級(jí)電路中的射頻輸入信號(hào)，通過(guò)一支級(jí)聯(lián)放大器進(jìn)行緩沖，增強(qiáng)射頻端口對(duì)本振的基波和各次諧波信號(hào)的抑制能力。
所述混頻電路中，射頻輸入緩沖級(jí)電路輸出的射頻信號(hào)和本振二倍頻電路產(chǎn)生的本振二次諧波混頻分別連接十字線(xiàn)片上電容中上層金屬的兩個(gè)端口，同時(shí)，混頻電路中的混頻管和混頻管偏置線(xiàn)分別連接十字線(xiàn)片上電容中下層金屬的兩個(gè)端口，電容上下層實(shí)現(xiàn)直流隔離，混頻電路使用一個(gè)小尺寸的三端口匹配網(wǎng)路，配合四端口的十字線(xiàn)形態(tài)片上電容，形成緊湊的管間互聯(lián)。
所述中頻輸出緩沖級(jí)電路使用射級(jí)跟隨器進(jìn)行緩沖和驅(qū)動(dòng)，改善三階交調(diào)性能并且實(shí)現(xiàn)中頻頻段的匹配。
所述本振使用U波段低端和Ka波段的輸入功率源，電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在W波段和U波段高端的下混頻。
所述亞諧波單片集成混頻器使用DHBT器件設(shè)計(jì)，其中，本振二倍頻電路使用DHBT 器件設(shè)計(jì)，可以獲得較高的倍頻增益；射頻輸入緩沖級(jí)電路使用DHBT器件設(shè)計(jì)，可以獲得較好的線(xiàn)性度；混頻電路使用DHBT器件設(shè)計(jì)，在合適的偏置下可獲得較好的非線(xiàn)性分量輸出，其中即包括所需要的下混頻分量輸出；中頻輸出緩沖級(jí)電路使用DHBT器件設(shè)計(jì)，可以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。
所述亞諧波單片集成混頻器具體的適用范圍是本振輸入信號(hào)在30GHz至55GHz， 經(jīng)過(guò)內(nèi)置二倍頻產(chǎn)生60GHz至IlOGHz的二次諧波，和與其偏差在5GHz以?xún)?nèi)的射頻信號(hào)混頻，生成處于直流到5GHz之間的中頻信號(hào)，總的射頻帶寬為10GHz。
綜合上述，本發(fā)明得到的有益效果是此設(shè)計(jì)通過(guò)內(nèi)部的倍頻電路來(lái)提升本振輸入信號(hào)頻率，不需要使用υ波段或者W波段的頻率源，而所使用頻段較低的Ka波段頻率源， 其相位噪聲和頻率穩(wěn)定度相對(duì)要好。同時(shí)此設(shè)計(jì)有較好的L0/2L0-RF的隔離性能，中頻輸出端口的驅(qū)動(dòng)能力也有專(zhuān)門(mén)的輸出級(jí)來(lái)保障，具有一定的變頻增益和較低的噪聲系數(shù)，增強(qiáng)了使用本發(fā)明的U波段和W波段微波系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上的靈活性，避免了使用傳統(tǒng)基波無(wú)源混頻器后對(duì)系統(tǒng)中其它電路模塊性能有較高要求的矛盾局面出現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明基于DHBT的毫米波亞諧波混頻器電路原理圖2為本發(fā)明混頻管部分電路中有四個(gè)獨(dú)立端口的十字線(xiàn)電容三維示意圖。
圖中，1-本振二倍頻電路、2-射頻輸入緩沖級(jí)電路、3-混頻電路、4-中頻輸出緩沖級(jí)電路、5-端口 1、6_端口 2、7_端口 3、8_端口 4、9_上層金屬、10-下層金屬、11-電容。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行說(shuō)明。
首先對(duì)本發(fā)明應(yīng)用的頻率范圍進(jìn)行說(shuō)明。本發(fā)明最適宜的應(yīng)用頻段為毫米波的高頻段，U波段和W波段，從60GHz延伸到110GHz。在U波段以下，可以直接使用高品質(zhì)的頻率源，因此對(duì)諧波混頻器的需求相對(duì)較少，而在U波段和W波段，本發(fā)明通過(guò)對(duì)低頻段的本振信號(hào)進(jìn)行二倍頻，使用其二次諧波進(jìn)行混頻，正好解決了在U波段和W波段缺少高品質(zhì)頻率源給混頻器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來(lái)的困難，而且與本發(fā)明配套使用的低頻段頻率源的輸出相位噪聲和頻率穩(wěn)定度也往往比與基波混頻器配套使用的高頻段頻率源要好，會(huì)相應(yīng)提高混頻器輸出信號(hào)的品質(zhì)。
本發(fā)明所提出的混頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)電路分成四個(gè)部分，分別是本振二倍頻電路1、射頻輸入緩沖級(jí)電路2、混頻電路3及4中頻輸出緩沖級(jí)電路。
下面針對(duì)四個(gè)部分分別進(jìn)行說(shuō)明。
圖示1-1是本發(fā)明所述本振二倍頻部分的電路示意圖。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配電路進(jìn)入二倍頻管。匹配電路的采用十字線(xiàn)，可以拓展本振輸入端口的帶寬。在本振二倍頻管的輸出端，除了一部分從輸入端泄露而來(lái)的輸入信號(hào)基波分量，同時(shí)還有其各次諧波分量，但是除了基波和二次諧波以外的各次諧波能量都很小，可以忽略，而其輸出端附帶有基波信號(hào)的旁路線(xiàn)，經(jīng)過(guò)這樣的信號(hào)整理，本振二倍頻部分將產(chǎn)生帶有增益的輸入頻率二次諧波信號(hào)，并且有較高的基波信號(hào)抑制能力。
圖示1-2是本發(fā)明所述射頻輸入緩沖級(jí)部分的電路示意圖。輸入緩沖級(jí)采用了級(jí)聯(lián)(Cascade)放大器的形式。輸入緩沖級(jí)一方面可以提高射頻輸入信號(hào)的功率，適當(dāng)?shù)卦黾幼冾l增益。另一方面，緩沖放大器可以起到隔離射頻端口和混頻器其它部分的作用，改善 L0/2L0-RF隔離性能。具體的，當(dāng)使用一只單管共射放大器時(shí)，輸入端口和輸出端口會(huì)通過(guò)基極和集電極之間的寄生電容發(fā)生耦合，本振及其各次諧波信號(hào)可通過(guò)這條耦合路徑進(jìn)入射頻輸入端口，惡化射頻端口的隔離性能。而使用Cascade結(jié)構(gòu)后，共基放大器的存在阻斷了上面所說(shuō)的電容耦合通路，從而增強(qiáng)混頻器的L0/2L0-RF隔離。
圖示1-3是本發(fā)明所述混頻管部分的電路。射頻和本振信號(hào)兩路信號(hào)合為一路輸入混頻管內(nèi)。因?yàn)樵谶@部分電路中除了本振信號(hào)的二次諧波(即實(shí)際需要的本振信號(hào))和射頻信號(hào)外，本振輸入信號(hào)的基波和其它各次諧波也都會(huì)進(jìn)入這部分電路，所以其中的匹配電路電長(zhǎng)度要盡量短，這樣射頻及本振輸入信號(hào)的二次諧波可以順利的匯集在混頻管輸入端。另外，從圖1中可以看到，混頻管的前置隔直電容同時(shí)要連通四個(gè)端子，分別是本振入，射頻入，混頻管和混頻管偏置線(xiàn)，通過(guò)使用如圖2的十字線(xiàn)電容，可實(shí)現(xiàn)緊湊的管間互聯(lián)并減少版圖面積。其中，5-端口 1和6-端口 2與射頻和本振支路相連，而7-端口 3和 8-端口 4與混頻管基極和混頻管的偏置電路相連，上下兩層通過(guò)電容11實(shí)現(xiàn)了直流的隔1 O
圖示1-4是本發(fā)明所述基于射級(jí)跟隨器設(shè)計(jì)的輸出級(jí)電路。無(wú)論是DHBT器件還是如HEMT —類(lèi)的器件，其輸出阻抗與50歐姆的標(biāo)準(zhǔn)輸出端口阻抗相差較多，在不加入緩沖級(jí)的情況下實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)的無(wú)耗匹配是困難的，而通過(guò)中頻射極跟隨放大器緩沖，一方面解決匹配的問(wèn)題，另一方面，緩沖放大器在本振基波與各次諧波信號(hào)和射頻輸入信號(hào)所在的頻段上是有耗的，這些信號(hào)從混頻管泄露至緩沖放大器后，在放大器內(nèi)部被消耗掉，既不泄露至中頻輸出端口，也不會(huì)被反射回混頻管輸出端，不會(huì)額外惡化三階交調(diào)性能。如此設(shè)計(jì)可省略無(wú)源LC低通濾波網(wǎng)絡(luò)，減少版圖面積，而且易于與后級(jí)AD采樣芯片級(jí)聯(lián)。
上面描述了本發(fā)明所使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及在電路細(xì)節(jié)上針對(duì)性的設(shè)計(jì)，并給出了理由和這些針對(duì)性設(shè)計(jì)對(duì)此發(fā)明所描述的毫米波亞諧波混頻器芯片以及其應(yīng)用環(huán)境的影響和改進(jìn)。這些拓?fù)湓O(shè)計(jì)都在當(dāng)前集成電路水平能夠?qū)崿F(xiàn)的范圍內(nèi)，而且為了使本發(fā)明能夠在U波段直到W波段上都能有合適的應(yīng)用，對(duì)DHBT管的直流偏置的選擇，以及匹配電路和旁路電路的具體尺寸設(shè)計(jì)，本發(fā)明沒(méi)有給出固定的設(shè)計(jì)參數(shù)，而是根據(jù)實(shí)際情況，在拓?fù)洳蛔兊那闆r下，有針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，因此本發(fā)明能夠在各種不同的系統(tǒng)要求下，靈活地調(diào)整和分配變頻增益，噪聲系數(shù)和三階交調(diào)等性能的裕度。
實(shí)際上，此發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)應(yīng)用于HEMT和CMOS器件時(shí)，都能夠完成所描述的功能并且實(shí)現(xiàn)較好的性能，但做為優(yōu)選，應(yīng)用DHBT器件設(shè)計(jì)此電路，能夠最大程度的發(fā)揮DHBT器件以及此發(fā)明所涉及的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能。
最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上具體實(shí)施方式
僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制， 盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種基于DHBT工藝的有源毫米波亞諧波單片集成混頻器電路，包括本振二倍頻電路、射頻輸入緩沖級(jí)電路、混頻電路和中頻輸出緩沖級(jí)電路，其特征在于，通過(guò)本振二倍頻電路將一個(gè)低頻的大功率輸入信號(hào)二倍頻，生成的二次諧波信號(hào)與經(jīng)射頻輸入緩沖級(jí)緩沖的射頻輸入信號(hào)一起進(jìn)入混頻電路混頻，再通過(guò)中頻輸出緩沖放大器輸出，實(shí)現(xiàn)在本振二次諧波頻段上的下混頻功能。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于DHBT工藝的有源毫米波亞諧波單片集成混頻器電路， 其特征在于，所述本振二倍頻電路采用星型匹配網(wǎng)路拓展端口帶寬，其輸出端通過(guò)一支本振基波旁路線(xiàn)抑制本振信號(hào)向射頻和中頻端口的泄露。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于DHBT工藝的有源毫米波亞諧波單片集成混頻器電路， 其特征在于，所述射頻輸入緩沖級(jí)電路中的射頻輸入信號(hào)，通過(guò)一支級(jí)聯(lián)放大器進(jìn)行緩沖， 增強(qiáng)射頻端口對(duì)本振的基波和各次諧波信號(hào)的抑制能力。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于DHBT工藝的有源毫米波亞諧波單片集成混頻器電路， 其特征在于，所述混頻電路中，射頻輸入緩沖級(jí)電路輸出的射頻信號(hào)和本振二倍頻電路產(chǎn)生的本振二次諧波混頻分別連接十字線(xiàn)片上電容中上層金屬的兩個(gè)端口，同時(shí)，混頻電路中的混頻管和混頻管偏置線(xiàn)分別連接十字線(xiàn)片上電容中下層金屬的兩個(gè)端口，電容上下層實(shí)現(xiàn)直流隔離，混頻電路使用一個(gè)三端口匹配網(wǎng)路，配合四端口的十字線(xiàn)形態(tài)片上電容，形成緊湊的管間互聯(lián)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于DHBT工藝的有源毫米波亞諧波單片集成混頻器電路， 其特征在于，所述中頻輸出緩沖級(jí)電路使用射級(jí)跟隨器進(jìn)行緩沖和驅(qū)動(dòng)，改善三階交調(diào)性能并且實(shí)現(xiàn)中頻頻段的匹配。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于DHBT工藝的有源毫米波亞諧波單片集成混頻器電路， 其特征在于，所述本振使用U波段低端和Ka波段的輸入功率源，電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在W波段和 U波段高端的下混頻。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于DHBT工藝的有源毫米波亞諧波單片集成混頻器電路， 其特征在于，此亞諧波單片集成混頻器使用DHBT器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
8.如權(quán)利要求1所述的一種基于DHBT工藝的有源毫米波亞諧波單片集成混頻器電路，其特征在于，此亞諧波單片集成混頻器具體的適用范圍是本振輸入信號(hào)在30GHz至 55GHz，經(jīng)過(guò)內(nèi)置二倍頻產(chǎn)生60GHz至IlOGHz的二次諧波，和與其偏差在5GHz以?xún)?nèi)的射頻信號(hào)混頻，生成處于直流到5GHz之間的中頻信號(hào)，總的射頻帶寬為10GHz。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于DHBT工藝的有源毫米波亞諧波單片集成混頻器電路，包括本振二倍頻電路、射頻輸入緩沖級(jí)電路、混頻電路和中頻輸出緩沖級(jí)電路，通過(guò)本振二倍頻電路將一個(gè)低頻的大功率輸入信號(hào)二倍頻，生成的二次諧波信號(hào)與經(jīng)射頻輸入緩沖級(jí)緩沖的射頻輸入信號(hào)一起進(jìn)入混頻電路混頻，再通過(guò)中頻輸出緩沖放大器輸出，實(shí)現(xiàn)在本振二次諧波頻段上的下混頻功能，該電路結(jié)構(gòu)通過(guò)集成電路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)倍頻鏈和混頻器電路集成，減小電路規(guī)模，在U波段和W波段的應(yīng)用上具有優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)H03D7/14GK102522953SQ20111042154
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者劉新宇, 姚鴻飛, 寧曉曦, 金智 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所