一種2~4GHzGaAs無源雙平衡混頻器芯片及其設計方法與流程

本發明涉及單片微波集成電路領域（MMIC），具體是涉及一種2~4 GHz GaAs無源雙平衡混頻器芯片及其設計方法。

背景技術：

單片微波集成電路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）已成為當前發展各種高科技武器的重要支柱，已廣泛用于各種先進的戰術導彈、電子戰、通信系統、陸海空基站的各種先進的相控陣雷達（特別是機載和星載雷達），在民用商業的移動電話、無線通信、個人衛星通信網、全球定位系統、直播衛星接收和毫米波自動防撞系統等方面已形成正在飛速發展的巨大市場。

砷化鎵可以制成電阻率比硅、鍺高3個數量級以上的半絕緣高阻材料,常用來制作集成電路襯底、紅外探測器、γ 光子探測器等的基礎材料。由于其電子遷移率比硅大 5～6倍，故在制作微波器件和高速數字電路方面得到重要應用。用砷化鎵制成的半導體器件具有高頻、高溫、低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優點。此外，還可以用于制作轉移器件——體效應器件。砷化鎵是半導體材料中，兼具多方面優點的材料，還被廣泛使用于軍事領域，是激光制導導彈的重要材料。

雖然Si工藝十分成熟，價格極具優勢，而且其金屬層都很多，一般可達8層，這意味著用于設計多層互繞的高耦合度巴倫（不同于平面/2D巴倫，可近似為2.5D/3D巴倫）非常有優勢。相比之下，GaAs的金屬層一般2-3層，繞制的平面電感耦合度較低、損耗較大，但是GaAs工藝的射頻/微波特性更優異，有源器件（例如二極管、三極管）的噪聲系數遠低于Si工藝，因此對于低噪聲微波混頻器來說則更具優勢。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種2~4 GHz GaAs無源雙平衡混頻器芯片及其設計方法，從而簡化模塊電路的設計難度，相比傳統混合集成電路明顯減小尺寸。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種2~4 GHz GaAs無源雙平衡混頻器芯片，包括RF_BALUN，LO_BALUN，肖特基二極管和匹配元件，肖特基二極管構成中心混頻單元，中心混頻單元分別與兩個巴倫相連。

所述的RF_BALUN，輸入端口（PORT1）接射頻信號RF，在射頻信號輸入線路一端接電容（C2），另一端接地，輸出繞組的中間抽頭接輸出端口（PORT3），其余兩端一端連接肖特基二極管（D2）的輸出端，另一端連接肖特基二極管（D4）的輸出端；

所述的LO_BALUN，輸入端口（PORT2）接本振信號LO，在輸入端口（PORT2）線路上接電容（C3）一端，電容（C3）另一端與LO_BALUN輸入繞組一端相連，LO_BALUN輸入繞組另一端接電容（C1）一端，電容（C1）另一端接地，LO_BALUN輸出繞組中心抽頭接地，上下兩端分別接肖特基二極管（D1，D3）的輸出端，輸出端口（PORT3）引出信號，實現單端到差分的轉換。

所述的肖特基二極管，采用四個完全相同的二極管（D1，D2，D3，D4）首尾串聯成環狀結構。

所述的一種2~4 GHz GaAs 無源雙平衡混頻器芯片的設計方法，包括如下步驟：

（1）首先設計巴倫，在RF/LO-BALUN巴倫上添加非平衡端輸入端口（PORT1）、平衡端輸出端口（PORT2、PORT3）；

（2）其次調節巴倫繞線的匝數N、繞線邊長L、繞線寬度W、繞線間距S，觀察巴倫的SP性能，使其在工作頻段內滿足或接近巴倫的平衡端幅度相等條件；

（3）將兩個巴倫和四個二極管連接起來，添加RF/LO/IF 三個端口，用于連接后端電路；

（4）調節巴倫匝數比、二極管的尺寸、增加匹配元件來調整混頻器的工作頻率、變頻增益、端口駐波；

（5）用2D電磁仿真確定基本參數，再用3D電磁仿真獲得更加精確的巴倫性能；

（6）按仿真得到的最優參數繪制集成電路版圖。

所述的一種 2~4 GHz GaAs 無源雙平衡混頻器芯片的設計方法，在繞線方式上，將一次側金屬線每繞一匝就跳過一次二次側的金屬線，這樣一次側、二次側匝數比就變為約1:2，達到精確調整混頻器的工作頻率、變頻增益和端口駐波的效果。

所述的一種 2~4GHz GaAs 無源雙平衡混頻器芯片的設計方法，在步驟（5）中，將RF/IF端口反接，即LO、IF端口加信號源，RF端口接負載，實現對混頻器的上變頻增益、端口駐波、壓縮點功率、隔離度指標的仿真。

所述的一種 2~4 GHz GaAs 無源雙平衡混頻器芯片的設計方法，采用GaAs工藝制造。

所述的一種 2~4 GHz GaAs 無源雙平衡混頻器芯片的設計方法，具體是采用WIN Foundry的PD50-12工藝。

本發明的有益效果是：RF/LO 工作頻率2~4 GHz，IF 工作頻率 DC-1.5 GHz，變頻增益>-8dB，LO 驅動功率13dBm，端口 VSWR<2.0、RF-LO隔離度>40dB，RF-IF 隔離度>25dB，LO-IF 隔離度>35dB，從而簡化模塊電路的設計難度，相比傳統混合集成電路明顯減小尺寸。

附圖說明

圖1為混頻器電路圖；

圖2為RF/LO端口電壓駐波比；

圖3為RF/LO阻抗Smith圓圖；

圖4為IF=0.1GHz時，下變頻增益；

圖5為LO=3GHz時，上變頻增益；

圖6為IF=0.1GHz時，上變頻增益；

其中，PORT1-RF，PORT2-LO，PORT3-IF。

具體實施方式

下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案，但本發明的保護范圍不局限于以下所述。

如圖1所示，一種2~4 GHz GaAs無源雙平衡混頻器芯片，包括RF_BALUN，LO_BALUN，肖特基二極管和匹配元件，肖特基二極管構成中心混頻單元，中心混頻單元分別與兩個巴倫相連。

所述的RF_BALUN，輸入端口（PORT1）接射頻信號RF，在射頻信號輸入線路一端接電容（C2），另一端接地，輸出繞組的中間抽頭接輸出端口（PORT3），其余兩端一端連接肖特基二極管（D2）的輸出端，另一端連接肖特基二極管（D4）的輸出端；

所述的LO_BALUN，輸入端口（PORT2）接本振信號LO，在輸入端口（PORT2）線路上接電容（C3）一端，電容（C3）另一端與LO_BALUN輸入繞組一端相連，LO_BALUN輸入繞組另一端接電容（C1）一端，電容（C1）另一端接地，LO_BALUN輸出繞組中心抽頭接地，上下兩端分別接肖特基二極管（D1，D3）的輸出端，輸出端口（PORT3）引出信號，實現單端到差分的轉換。

所述的肖特基二極管，采用四個完全相同的二極管（D1，D2，D3，D4）首尾串聯成環狀結構。

所述的一種2~4 GHz GaAs 無源雙平衡混頻器芯片的設計方法，包括如下步驟：

（1）首先設計巴倫，在RF/LO-BALUN巴倫上添加非平衡端輸入端口（PORT1）、平衡端輸出端口（PORT2、PORT3）；

（2）其次調節巴倫繞線的匝數N、繞線邊長L、繞線寬度W、繞線間距S，觀察巴倫的SP性能，使其在工作頻段內滿足或接近巴倫的平衡端幅度相等條件；

（3）將兩個巴倫和四個二極管連接起來，添加RF/LO/IF 三個端口，用于連接后端電路；

（4）調節巴倫匝數比、二極管的尺寸、增加匹配元件來調整混頻器的工作頻率、變頻增益、端口駐波；

（5）用2D電磁仿真確定基本參數，再用3D電磁仿真獲得更加精確的巴倫性能；

（6）按仿真得到的最優參數繪制集成電路版圖。

所述的一種2~4 GHz GaAs無源雙平衡混頻器芯片的設計方法，在繞線方式上，將一次側金屬線每繞一匝就跳過一次二次側的金屬線，這樣一次側、二次側匝數比就變為約1:2，達到精確調整混頻器的工作頻率、變頻增益和端口駐波的效果。

所述的一種2~4GHz GaAs無源雙平衡混頻器芯片的設計方法，在步驟（5）中，將RF/IF端口反接，即LO、IF端口加信號源，RF端口接負載，實現對混頻器的上變頻增益、端口駐波、壓縮點功率、隔離度指標的仿真。

所述的一種2~4 GHz GaAs無源雙平衡混頻器芯片的設計方法，采用GaAs工藝制造。

所述的一種2~4 GHz GaAs無源雙平衡混頻器芯片的設計方法，具體是采用WIN Foundry的PD50-12工藝。

先設計巴倫，常規雙平衡RF/LO巴倫完全對稱，理論上RF/LO端口是可以互換的。常見的平面巴倫為雙線互繞式，類似于平面電感，也稱平面變壓器，按照圖1將兩個巴倫和四個二極管連接起來，添加RF/LO/IF 三個端口，分別編號 PORT1/PORT2/PORT3。理想情況下，巴倫的平衡端幅度相等，相位差180°，即：

dB(S21)= dB(S31)

Phase(S21)= Phase(S21)±180°

如圖3所示，為RF/LO阻抗Smith圓圖，計算出阻抗匹配參數。通過調節繞線的匝數N、繞線邊長L、繞線寬度W、繞線間距S，觀察巴倫的SP性能，使其在工作頻段內滿足或接近以上條件。由于巴倫的側邊耦合很強，單純的2D電磁仿真可能與實際性能相差較大，所以先用2D電磁仿真確定基本參數，再用3D電磁仿真獲得更加精確的巴倫性能，并用于輔助最終的性能優化，按照仿真最優參數繪制集成電路版圖。無源雙平衡二極管混頻器的本振功率一般約為13dBm，跟二極管的導通電壓有關，導通電壓越高需要的本振功率就越高，對應的 IP_1dB 也更高。通過添加變量掃描，可以查看固定LOfreq掃描RFfreq、固定RFfreq掃描LOfreq、固定IFfreq掃描 LOfreq、固定IFfreq掃描RFfreq、固定 LOpower 掃描 RFpower、固定 RFpower掃描 LOpower 等條件下的下變頻增益、端口駐波、壓縮點功率、隔離度等指標，圖4為IF=0.1GHz時，按本設計方法達到的下變頻增益，圖2為RF/LO端口電壓駐波比。

通過將RF/IF端口反接，即LO、IF端口加信號源，RF端口接50 Ohm負載，可以對混頻器的上變頻增益、端口駐波、壓縮點功率、隔離度等指標進行仿真，如圖6所示，是按本設計方法，當IF=0.1GHz時達到的上變頻增益，圖5是當LO=3GHz時，達到的上變頻增益。

通過調節巴倫和二極管的尺寸、巴倫匝數比、增加匹配元件來調整混頻器的工作頻率、變頻增益、端口駐波等，在各種限制條件下進行折中，選擇一個較為均衡的結果。