一种2~4 GHz GaAs无源双平衡混频器芯片及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种2~4GHz GaAs无源双平衡混频器芯片及其设计方法，属于单片微波集成电路领域（MMIC）；一种2~4 GHz GaAs无源双平衡混频器芯片包括RF_BALUN，LO_BALUN，肖特基二极管和匹配元件；四个完全相同的二极管首尾串联成环，与两个巴伦相连，实现从单端到差分的转换；输出IF从任意一个巴伦的中心抽头点引出或从RF侧巴伦引出，LO侧巴伦中心点接地；利用仿真辅助性能参数优化，通过调节巴伦匝数比、二极管尺寸、增加匹配元件来调整混频器的工作频率、变频增益、端口驻波；MMIC无源双平衡混频器芯片比传统混合集成电路尺寸小、集成度高、性能稳定、一致性好，能够简化系统设计，减小模块尺寸。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及单片微波集成电路领域（MMIC），具体是涉及一种2~4 GHz GaAs无源双平衡混频器芯片及其设计方法。
技术介绍
单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）已成为当前发展各种高科技武器的重要支柱，已广泛用于各种先进的战术导弹、电子战、通信系统、陆海空基站的各种先进的相控阵雷达（特别是机载和星载雷达），在民用商业的移动电话、无线通信、个人卫星通信网、全球定位系统、直播卫星接收和毫米波自动防撞系统等方面已形成正在飞速发展的巨大市场。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,常用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ 光子探测器等的基础材料。由于其电子迁移率比硅大 5～6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。此外，还可以用于制作转移器件——体效应器件。砷化镓是半导体材料中，兼具多方面优点的材料，还被广泛使用于军事领域，是激光制导导弹的重要材料。虽然Si工艺十分成熟，价格极具优势，而且其金属层都很多，一般可达8层，这意味着用于设计多层互绕的高耦合度巴伦（不同于平面/2D巴伦，可近似为2.5D/3D巴伦）非常有优势。相比之下，GaAs的金属层一般2-3层，绕制的平面电感耦合度较低、损耗较大，但是GaAs工艺的射频/微波特性更优异，有源器件（例如二极管、三极管）的噪声系数远低于Si工艺，因此对于低噪声微波混频器来说则更具优势。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种2~4 GHz GaAs无源双平衡混频器芯片及其设计方法，从而简化模块电路的设计难度，相比传统混合集成电路明显减小尺寸。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种2~4 GHz GaAs无源双平衡混频器芯片，包括RF_BALUN，LO_BALUN，肖特基二极管和匹配元件，肖特基二极管构成中心混频单元，中心混频单元分别与两个巴伦相连。所述的RF_BALUN，输入端口（PORT1）接射频信号RF，在射频信号输入线路一端接电容（C2），另一端接地，输出绕组的中间抽头接输出端口（PORT3），其余两端一端连接肖特基二极管（D2）的输出端，另一端连接肖特基二极管（D4）的输出端；所述的LO_BALUN，输入端口（PORT2）接本振信号LO，在输入端口（PORT2）线路上接电容（C3）一端，电容（C3）另一端与LO_BALUN输入绕组一端相连，LO_BALUN输入绕组另一端接电容（C1）一端，电容（C1）另一端接地，LO_BALUN输出绕组中心抽头接地，上下两端分别接肖特基二极管（D1，D3）的输出端，输出端口（PORT3）引出信号，实现单端到差分的转换。所述的肖特基二极管，采用四个完全相同的二极管（D1，D2，D3，D4）首尾串联成环状结构。所述的一种2~4 GHz GaAs 无源双平衡混频器芯片的设计方法，包括如下步骤：（1）首先设计巴伦，在RF/LO-BALUN巴伦上添加非平衡端输入端口（PORT1）、平衡端输出端口（PORT2、PORT3）；（2）其次调节巴伦绕线的匝数N、绕线边长L、绕线宽度W、绕线间距S，观察巴伦的SP性能，使其在工作频段内满足或接近巴伦的平衡端幅度相等条件；（3）将两个巴伦和四个二极管连接起来，添加RF/LO/IF 三个端口，用于连接后端电路；（4）调节巴伦匝数比、二极管的尺寸、增加匹配元件来调整混频器的工作频率、变频增益、端口驻波；（5）用2D电磁仿真确定基本参数，再用3D电磁仿真获得更加精确的巴伦性能；（6）按仿真得到的最优参数绘制集成电路版图。所述的一种 2~4 GHz GaAs 无源双平衡混频器芯片的设计方法，在绕线方式上，将一次侧金属线每绕一匝就跳过一次二次侧的金属线，这样一次侧、二次侧匝数比就变为约1:2，达到精确调整混频器的工作频率、变频增益和端口驻波的效果。所述的一种 2~4GHz GaAs 无源双平衡混频器芯片的设计方法，在步骤（5）中，将RF/IF端口反接，即LO、IF端口加信号源，RF端口接负载，实现对混频器的上变频增益、端口驻波、压缩点功率、隔离度指标的仿真。所述的一种 2~4 GHz GaAs 无源双平衡混频器芯片的设计方法，采用GaAs工艺制造。所述的一种 2~4 GHz GaAs 无源双平衡混频器芯片的设计方法，具体是采用WIN Foundry的PD50-12工艺。本专利技术的有益效果是：RF/LO 工作频率2~4 GHz，IF 工作频率 DC-1.5 GHz，变频增益>-8dB，LO 驱动功率13dBm，端口 VSWR<2.0、RF-LO隔离度>40dB，RF-IF 隔离度>25dB，LO-IF 隔离度>35dB，从而简化模块电路的设计难度，相比传统混合集成电路明显减小尺寸。附图说明图1为混频器电路图；图2为RF/LO端口电压驻波比；图3为RF/LO阻抗Smith圆图；图4为IF=0.1GHz时，下变频增益；图5为LO=3GHz时，上变频增益；图6为IF=0.1GHz时，上变频增益；其中，PORT1-RF，PORT2-LO，PORT3-IF。具体实施方式下面结合附图进一步详细描述本专利技术的技术方案，但本专利技术的保护范围不局限于以下所述。如图1所示，一种2~4 GHz GaAs无源双平衡混频器芯片，包括RF_BALUN，LO_BALUN，肖特基二极管和匹配元件，肖特基二极管构成中心混频单元，中心混频单元分别与两个巴伦相连。所述的RF_BALUN，输入端口（PORT1）接射频信号RF，在射频信号输入线路一端接电容（C2），另一端接地，输出绕组的中间抽头接输出端口（PORT3），其余两端一端连接肖特基二极管（D2）的输出端，另一端连接肖特基二极管（D4）的输出端；所述的LO_BALUN，输入端口（PORT2）接本振信号LO，在输入端口（PORT2）线路上接电容（C3）一端，电容（C3）另一端与LO_BALUN输入绕组一端相连，LO_BALUN输入绕组另一端接电容（C1）一端，电容（C1）另一端接地，LO_BALUN输出绕组中心抽头接地，上下两端分别接肖特基二极管（D1，D3）的输出端，输出端口（PORT3）引出信号，实现单端到差分的转换。所述的肖特基二极管，采用四个完全相同的二极管（D1，D2，D3，D4）首尾串联成环状结构。所述的一种2~4 GHz GaAs 无源双平衡混频器芯片的设计方法，包括如下步骤：（1）首先设计巴伦，在RF/LO-BALUN巴伦上添加非平衡端输入端口（PORT1）、平衡端输出端口（PORT2、PORT3）；（2）其次调节巴伦绕线的匝数N、绕线边长L、绕线宽度W、绕线间距S，观察巴伦的SP性能，使其在工作频段内满足或接近巴伦的平衡端幅度相等条件；（3）将两个巴伦和四个二极管连接起来，添加RF/LO/IF 三个端口，用于连接后端电路；（4）调节巴伦匝数比、二极管的尺寸、增加匹配元件来调整混频器的工作频率、变频增益、端口驻波；（5）用2D电磁仿真确定基本参数，再用3D电磁仿真获得更加精确的巴伦性能；（6）按仿真得到的最优参本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种2~4 GHz GaAs无源双平衡混频器芯片，包括RF_BALUN，LO_BALUN，肖特基二极管和匹配元件，肖特基二极管构成中心混频单元，中心混频单元分别与两个巴伦相连，其特征在于：a.所述的RF_BALUN，输入端口（PORT1）接射频信号RF，在射频信号输入线路一端接电容（C2），另一端接地，输出绕组的中间抽头接输出端口（PORT3），其余两端一端连接肖特基二极管（D2）的输出端，另一端连接肖特基二极管（D4）的输出端；b.所述的LO_BALUN，输入端口（PORT2）接本振信号LO，在输入端口（PORT2）线路上接电容（C3）一端，电容（C3）另一端与LO_BALUN输入绕组一端相连，LO_BALUN输入绕组另一端接电容（C1）一端，电容（C1）另一端接地，LO_BALUN输出绕组中心抽头接地，上下两端分别接肖特基二极管（D1，D3）的输出端，输出端口（PORT3）引出信号，实现单端到差分的转换；c.所述的肖特基二极管，采用四个完全相同的二极管（D1，D2，D3，D4）首尾串联成环状结构。

【技术特征摘要】
1.一种2~4 GHz GaAs无源双平衡混频器芯片，包括RF_BALUN，LO_BALUN，肖特基二极管和匹配元件，肖特基二极管构成中心混频单元，中心混频单元分别与两个巴伦相连，其特征在于：a.所述的RF_BALUN，输入端口（PORT1）接射频信号RF，在射频信号输入线路一端接电容（C2），另一端接地，输出绕组的中间抽头接输出端口（PORT3），其余两端一端连接肖特基二极管（D2）的输出端，另一端连接肖特基二极管（D4）的输出端；b.所述的LO_BALUN，输入端口（PORT2）接本振信号LO，在输入端口（PORT2）线路上接电容（C3）一端，电容（C3）另一端与LO_BALUN输入绕组一端相连，LO_BALUN输入绕组另一端接电容（C1）一端，电容（C1）另一端接地，LO_BALUN输出绕组中心抽头接地，上下两端分别接肖特基二极管（D1，D3）的输出端，输出端口（PORT3）引出信号，实现单端到差分的转换；c.所述的肖特基二极管，采用四个完全相同的二极管（D1，D2，D3，D4）首尾串联成环状结构。2.如权利要求1所述的一种2~4 GHz GaAs无源双平衡混频器芯片的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）首先设计巴伦，在RF/LO-BALUN巴伦上添加非平衡端输入端口（PORT1）、平衡端输出端口（PORT2、PORT3）；（2）其次调节巴伦绕线的匝数N、绕线边长...

【专利技术属性】
技术研发人员：许欢，
申请(专利权)人：成都泰格微电子研究所有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51