MMIC毫米波倍频器的研究

MM I C 毫米波倍频器的研究

吴晓燕,庞　宏,文光俊

(电子科技大学通信与信息工程学院射频集成电路研究室,四川省成都市610054)

摘　要:在介绍倍频器工作原理、各种实现方法及其优缺点的基础上,阐明了采用MM I C (单片微波集成电路)工艺实现高性能、高可靠性、小型化毫米波倍频器芯片的技术特点及应用需求,比较了单管和平衡两种不同结构MM I C 毫米波倍频器的优点与不足,全面综述了国内外对MM I C 毫米波倍频器的研究情况,介绍了MM I C 毫米波倍频器的最新研究进展,展望了MM I C 毫米波倍频器的发展趋势,提出了一些建议。

关键词:单片微波集成电路(MM I C );毫米波;倍频器;毫米波倍频器中图分类号:T N771

收稿日期:2006208214;修回日期:2006210213。

0　引　言

随着通信技术的快速发展,传输数据率的要求越来越高,通信频段日益拥挤,已经向毫米波、亚毫米波频段发展。毫米波技术在通信、雷达、导弹制导、射电天文学以及电子战等方面应用越来越广泛。毫米波频率位于30GHz ～300GHz 频段,波长介于1mm ～10mm 。与微波相比,毫米波波长短,因而其设备尺寸小、重量轻、机动性好、易小型化。毫米波技术的发展弥补了频率低端频谱拥挤问题。

MM I C (单片微波集成电路)是从20世纪70年代后期开始发展起来的第三代微波电路,它将有源和无源元器件集成在一块半导体(如Ga A s 、I nP 等)基片上,形成具有完整功能的微波/毫米波芯片。Ga A s 、I nP 、Si C 等半导体材料的出现,HE MT (高电子迁移率晶体管)和pHE MT (赝晶高电子迁移率晶体管)制造工艺的成熟,为MM I C 技术的发展奠定了良好的基础。MM I C 设计灵活,元器件密度高,引线和焊点少,具有集成度高、可靠性高、工作频带宽、尺寸小、质量轻、宜于大规模批量生产等一系列优点,现已广泛用于各种军事和民用通信、雷达等电子系统中。

1　倍频器的工作原理

各种非线性器件都能实现倍频,利用半导体的非线性实现的倍频器称为固态倍频器。当用一个正弦信号激励非线性阻抗时,便会在基频的谐波频率上产生功率。倍频电路的作用就是有效地提取其中所需要的谐波信号,而将基频和不需要的谐波加以抑制。为了在所需的频率上获得最大功率,必须满足两个条件:一

是非线性展开式中必须包含有产生它所需的谐波分量,也就是应适当选择所用器件和偏置电路;二是所选电路必须保证使不需要的谐波分量功率最小,并保证任何器件与电路之间的相互作用都能把寄生元件的影响减至最小。

实现倍频是以电路的非线性现象为基础,电路的非线性现象可分为电阻非线性和电抗非线性。电阻非线性即阻抗可变,直流电流与电压之间具有非线性静态关系,如P N 结就呈现这种特性,BJT 和Ga A s FET 均可用做非线性电阻微波倍频器件。电抗非线性的机理是电荷与电压的非线性关系,其典型器件有变容二极管和阶跃恢复二极管。倍频器的实现一般有以下7种方法:

a )利用二极管P N 结的静态非线性V 2I 关系,即非线性电阻产生谐波,实现倍频;

b )利用双极晶体管的非线性电阻特性即C 类放大器产生谐波,实现有增益的倍频;

c )利用砷化镓场效应晶体管(Ga A s FET )得到具有增益的倍频;

d )利用宽带单片放大器的非线性产生谐波,并放大谐波构成宽带倍频;

e )利用强迫同步机制,将振荡器注入锁定在基准频率N 次谐波上,实现倍频;

f )利用变容二极管的非线性电抗,实现参量倍频;

g )利用阶跃恢复二极管产生谐波,实现高次倍频。

尽管二极管和FET 都可以用来设计倍频器,但FET 倍频器与二极管倍频器相比有一些比较突出的优点:可实现宽的带宽、变频增益大于1、消耗直流功率小、热耗散较小、对输入信号电平要求较低。FET 的这些优点适合于MM I C 设计,已有文献报道的MM I C 毫

第33卷第4期2007年4月 电子工程师　E LECTRON I C E NGI N EER Vol

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米波倍频器大多采用有源FET设计原理实现[126]。

2　MM I C毫米波倍频器的发展动态

最近10多年来,毫米波、亚毫米波无线通信引起了人们的广泛关注,MM I C毫米波倍频器发展十分迅速。通过倍频器得到高稳定度、低相位噪声的毫米波本振源是各国致力研究以解决频率高端本振源的主要途径之一。MM I C已成为毫米波及以上频段的微波固态电路的主要发展方向。MM I C技术应用在毫米波倍频器中,使倍频器的发展又向前迈进了一大步。目前,国内外对MM I C倍频器的研究主要集中在毫米波高端、亚毫米波,理论上和实际应用都取得了较大的进展。研究的热点在于如何提高输出功率、提高倍频效率、简化电路。MM I C毫米波倍频器的实现方案大致可分为采用单管FET倍频结构实现和采用双管FET 平衡倍频结构实现两类。

2.1　MM I C单管FET倍频器

单管FET倍频器结构相对简单,设计灵活方便,是设计MM I C毫米波倍频器的首选结构方案。单管FETMM I C倍频器与双管FET MM I C平衡倍频器相比,一般而言,前者的芯片尺寸较小。采用单管FET 倍频结构进行倍频器设计大致有直接实现频率倍频的一阶方案和倍频器级联放大器的多阶方案两种实现方案。直接实现倍频的方案只考虑倍频设计,输出信号的功率都较低,原因是输入信号通过非线性器件产生的谐波能量都非常小,尤其是高次谐波的能量。级联放大器的倍频器不仅考虑倍频器设计,还要考虑功率放大器设计,主要是为了减小倍频损耗,增大倍频器的输出功率。

美国T R W公司W ang等人采用栅长为0.1μm的Ga A s pHE MT工艺研制了W波段MM I C23.5GHz/ 94GHz四倍频器[1]。他们采用的四倍频方案如图1所示。该方案采用二阶倍频方式,分别设计了23.5GHz/47GHz二倍频器与47GHz/94GHz二倍频器级联,并在这2个二倍频器之间设计了一级47GHz 放大器,以减小整个四倍频器的倍频损耗。该MM I C 四倍频器的输出频率范围为94GHz～98GHz,倍频损耗约为5d B～7d B,芯片尺寸为4.0mm×2.0mm。该四倍频器的最大优点是输出频率带宽达到4GHz。其不足之处显而易见:首先,该芯片尺寸大,对于MM I C电路而言,芯片的尺寸是一个重要的性能指标,应尽可能地减小芯片的面积。其次,该四倍频器采用了一级功率放大器,仍存在着输出功率的损耗,未能获得输出功率增益。此外,该功率放大器增大了整个四倍频器的芯片面积,也增加了电路的复杂性

。

图1　23.5GHz/94GHz MM I C四倍频器结构示意图

在MM I C电路中,芯片尺寸是一个关键的因素,它关系到产品的成品率和生产成本的高低。减小MM I C 电路芯片尺寸能有效降低生产成本,提高产品的成品率。为了解决MM I C倍频器单片的尺寸问题,日本富士通实验室的Shiraka wa等人采用A lGa A s/Ga A s HE MT工艺研制出了V波段一阶MM I C四倍频器[2]。与美国T RW公司的倍频方案不同,该四倍频器的电路结构简单,直接实现15/60GHz的一阶四倍频,且整个芯片电路不需要附加功率放大器,芯片尺寸大大地减小了,仅1.7mm×1.4mm。其输入频率为15GHz,输出频率为60GHz;当输入功率为0dBm时,输出功率为-5dBm,倍频损耗为5dB。与TR W公司设计的四倍频器相比,该四倍频器不使用功放却能达到与其性能相当的倍频损耗。唯一不足的是,该四倍频器的带宽较窄。

在MM I C毫米波倍频器的设计中,除了追求尽可能小的芯片尺寸以外,芯片的高性能也是设计者所追求的目标之一。西班牙V igo大学的Y.Ca mpos-Roca 等人采用0.15μm Ga A s pHE MT技术研制出了W波段的一阶MM I C四倍频器[3],输入频率为19GHz,输出频率为76GHz,8dBm功率输入时的倍频损耗约为7.5dB,芯片尺寸为1.4mm×1.5mm。采用一阶方案实现工作频率很高的四倍频器难度是相当大的,与前面提到的日本富士通实验室研制的V波段一阶四倍频器相比,V igo大学研制的四倍频器把工作频段提高了10多GHz,而且,芯片尺寸也稍有减小,总体性能得到提高。

日本富士通化合物半导体公司的Ka mozaki等人采用0.25μm Ga A s pHE MT工艺技术研制出了Ka波段MM I C四倍频器[4]。该四倍频器的方案类似于美国TR W公司,其结构框图如图2所示

。

图2　Ka波段MM I C四倍频器结构示意图

由于该MM I C四倍频器所含的二倍频器均各自级联两级放大器,其最大倍频增益可达到16.4d B。它的输入频率为9GHz,输出频率范围为36GHz～40GHz,电路结构十分紧凑,芯片尺寸仅1.2mm×2.3mm。与前面提到的MM I C四倍频器相比,该四倍频器的显著特点是倍频增益大大提高了,避免了倍频增益提高但芯片尺寸较大,或是芯片尺寸小但倍频增

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