宽带3GHz至20GHz高性能集成混频器实现宽RF带宽的关键创新

作者：Xudong Wang, Bill Beckwith, Thomas Schiltz, Weston Sapia, and Michael Bagwell

该介绍一种宽带3 GHz至20 GHz SiGe无源混频器，仅需0 dBm LO驱动。新的巴伦结构是实现宽RF带宽的关键创新。中频使用相同的巴伦拓扑，可实现 300 MHz 至 9 GHz 的宽中频。这种高性能双平衡混频器可用于上变频或下变频。该混频器采用微型 2 mm × 3 mm 12 引脚 QFN 封装，可提供 23 dBm IIP3 和 14 dBm P1dB。采用3.3 V电源供电时，混频器功耗为132 mA。

介绍

宽带混频器在多功能无线收发器、微波收发器、微波回程、雷达和测试设备中有许多应用。具有宽带宽的混频器允许在无线电架构中使用单个混频器，并具有各种无线电参数的动态可编程性。

先进的硅基技术，如CMOS和BiCMOS，已经证明了高性能混频器在相对窄带应用中的能力。非常希望宽带混频器可以用集总元件或其他与IC制造技术和几何形状兼容的结构制成。平衡混频器是首选拓扑，因为与非平衡混频器相比，平衡混频器在线性度、噪声系数和端口间隔离方面具有更好的整体性能。巴伦是单平衡混频器和双平衡混频器中用于在平衡和非平衡配置之间转换RF、LO和IF信号的关键元件。实现巴伦可以集成到标准IC代工工艺中至关重要，这样才能生产宽带集成混频器。

本文介绍了一种创新的巴伦结构，该结构可以在硅、砷化镓或任何其他集成工艺中轻松实现。这种巴伦拓扑的带宽比传统的巴伦结构要宽得多。3 GHz至20 GHz高性能混频器采用宽带巴伦设计，采用0.18 μm SiGe BiCMOS工艺。

宽带巴伦

混频器最重要的性能参数包括转换增益、线性度、噪声系数和工作带宽。集成混音器中使用的巴伦对所有这些混音器的性能都有重大影响。集成巴伦的关键性能包括工作频率范围、插入损耗、幅度/相位平衡、共模抑制比（CMRR）和物理尺寸。

集成电路应用中两种流行的巴伦结构是传统的平面变压器巴伦1,2和马尔尚巴伦。3,4这两种巴伦在窄带应用中都具有良好的性能。平面变压器巴伦由两个紧密耦合的变压器组成。电感的自感和谐振频率是两个主要的带宽限制因素。自感限制了低频端的带宽，不平衡和平衡端的寄生电容和不对称端接限制了高频端。Marchand balun由四四分之一波传输线组成，通常需要芯片上的大量空间。微型Marchand巴伦已经在集成电路中使用交错变压器布局进行了演示。Marchand baluns的带宽受到每个线段的电气长度要求的限制。当电长度远离所需的四分之一波长时，幅度和相位平衡会降低。一般来说，设计良好的变压器巴伦或Marchand巴伦可以覆盖3×至4×最大与最小频率比的频率范围，性能合理。

众所周知，鲁斯罗夫巴伦表现出非常宽的带宽，5,6,7并且许多分立元件产品都是基于Ruthroff结构开发的。然而，没有发现类似结构在微波集成电路中的应用。

图1a显示了一个Ruthroff式宽带巴伦原理图，可以使用三个电感器在平面半导体工艺中轻松构建。图 1b 显示了一个布局示例。在这种布局中，只需要两个金属层，一个厚金属层用于三个低损耗电感器，一个地下通道金属层用于连接。当有额外的厚金属层可用时，L1和L3可以垂直耦合，这导致更小的尺寸，并且它们之间的磁耦合可能更好。

（a）. 原理图

（b）. 布局

图1.鲁斯罗夫式宽带巴伦。

宽带特性得益于结构的简单性，从而降低了寄生电容。单端信号的电压除以L1和L2。因此，巴伦的正端口直接是同相单端信号电压的一半。由于L1和L3之间的负耦合，巴伦的负端口是单端信号电压的一半，具有180°相移。

可以在非常宽的带宽上实现出色的幅度和相位平衡。图2显示了宽带巴伦配置的仿真性能。幅度不平衡是S21和S31之间的差值，相位误差是S21和S31远离所需180°的相位差。所提出的巴伦在3 GHz和20 GHz之间具有非常好的幅度平衡和接近180°的相位差。 共模抑制对于平衡混频器和推挽放大器等许多应用中使用巴伦非常重要。图5b所示的仿真结果表明，3电感巴伦在3 GHz至20 GHz范围内具有优于20 dB CMRR。

幅度不平衡和相位误差

插入损耗和CMRR

图2.宽带巴伦的模拟性能。

与变压器巴伦拓扑一样，3电感巴伦的带宽受低频端电感和高频端寄生电容的限制。当电感较低时，负载阻抗将对端口3的L1和L2之间的分压以及端口2的转换电压产生更大的影响。虽然幅度平衡和相位差在低频范围内仍然可以接受，但插入损耗会增加。因此，较低的端阻抗或较高的电感将有利于低频性能。在高频端，L1和L2之间的寄生电容会降低变压器的性能，并导致较大的相位误差。仔细布局并考虑较小的寄生电容可以扩展巴伦的高频工作范围。

集成巴伦的物理尺寸限制了带宽的低端。为了探索所提出的巴伦结构在低频应用中的可行性，设计了一个0.5 GHz至6 GHz的巴伦，并与传统的基于变压器的巴伦进行了比较，其性能如图3所示。

（a）. 相位性能

（b）. 振幅平衡

图3.传统巴伦与新巴伦的模拟性能比较。

集成宽带射频/微波混频器

宽带双平衡无源混频器采用 Jazz 的 SiGe 0.18 μm 工艺设计，采用 3 电感巴伦配置。混频器的RF、IF和LO端口为50 Ω单端，RF和IF端口集成了巴伦。集成射频巴伦经过优化，可覆盖 3 GHz 至 20 GHz 射频频率范围。集成的中频巴伦经过优化，可覆盖非常宽的 500 MHz 至 9 GHz 频率范围。单端LO信号通过有源放大器电路在内部转换为差分信号，以减小芯片尺寸。使用高速NPN的两级宽带放大器为无源混频器的MOSFET栅极提供足够的信号电压摆幅，在1 GHz至20 GHz频率范围内输入功率仅为0 dBm。

图4.宽带双平衡无源混频器。

混频器封装在微型 2 mm ×3 mm QFN 中，带有倒装芯片，使用铜柱进行互连。铜柱连接具有非常低的附加寄生效应，以保持硅的宽带性能。混频器采用3.3 V电源偏置，室温下电流消耗为132 mA。测得的转换损耗和IIP3性能如图5所示。8混频器的RF、LO和IF端口在其宽工作频率范围内完美匹配。图6显示了这些端口的回波损耗。应该注意的是，RF回波损耗取决于IF端口阻抗，图6a中的结果是在0.9 GHz的IF频率下测量的。

（a）. 转换损耗和IIP3与RF的关系

（b）. 转换损耗和IIP3与中频

图5.宽带双平衡无源混频器的实测性能。

射频和LO端口回波损耗

（b）. 中频端口回波损耗

图6.测量的宽带双平衡无源混频器的回波损耗。

与市场上的宽带混频器（如表1所示）相比，采用3电感巴伦设计的混频器在RF和IF范围内实现了最宽的带宽。它需要最低的LO功率和最高的集成度。整体性能优于任何报告的产品或已发布的宽带混频器产品。

关键规格	此搅拌机	HMC 144LC4	HMC 663LC3	SIM-193H+
技术	西锗	砷化镓	砷化镓	混合
射频 （千兆赫）	3 到 20	6 到 20	7 到 12	7，3 到 19
中频 （千兆赫）	0.5 到 9	直流至 3	直流至 4	直流至 7.5
LO 输入功率 （dBm）	0	17	21	17
转换损耗（分贝）	9	10.2	8	7.6
IIP3 （分贝）	23	23	30	19
噪声系数（分贝）	9	10.5	10	7.6
输入 P1dB （dBm）	14	15	20	14
LO 射频泄漏 （dBm）	–30	–10	–20	–11
封装（毫米×毫米）	2 × 3	4 × 4	3 × 3	5.1 × 4.6

结论

本文介绍了一种适合现代半导体工艺平面实现的Ruthroff式宽带巴伦结构。设计和测量了使用宽带巴伦的高性能双平衡混频器。

审核编辑：郭婷