GaAs单片二极管双平衡混频器

陈 坤，彭龙新1，，李建平

（1.单片集成电路与模块国家重点实验室，南京 210016；2.南京电子器件研究所，南京 210016）

GaAs单片二极管双平衡混频器

陈 坤2，彭龙新1，2，李建平2

（1.单片集成电路与模块国家重点实验室，南京 210016；2.南京电子器件研究所，南京 210016）

采用0.25 μm的GaAs工艺制作了一款单片二极管双平衡混频器。基于环形二极管双平衡混频器的基本工作原理，提出了LO巴伦与RF巴伦的区别所在，并以Marchand巴伦为LO巴伦，以triformer巴伦作为RF巴伦。在优化了局部电路后，再与环形二极管组成整体电路，并对整体电路进行了优化。最后对版图进行EM仿真，并稍作调整以改善EM仿真结果。当本振功率在13dBm时，实测得转换损耗在低本振和高本振下约为11.5dB和10.5dB，LO端口到IF端口和RF端口隔离度分别为30dB和35dB，LO端口和RF端口驻波分别小于2和3.5，实测结果与仿真结果基本一致。

双平衡混频器；环形二极管；巴伦；微波单片集成电路；转换损耗

1 引言

双平衡混频器理论上能够有效地抑制寄生混频产物，各端口之间也有很好的隔离，是混频器设计的优选结构[3，5，6]。其中，二极管环形双平衡混频器的结构相对简单，易于实现，关键在于设计具有良好性能的巴伦。在混频器设计中，一般认为本振（LO）信号幅度远大于射频（RF）信号幅度，二极管的导通与截止完全取决于LO信号。所以，从时域角度考虑，LO巴伦处于支配地位，可以使用一般形式的Marchand巴伦[1，2]实现；RF巴伦则处于被支配地位，RF巴伦可由triformer巴伦[4]实现。由于二极管阻抗的非线性，不一定匹配于参考阻抗Z0，故仍需要对整体电路加以优化和调整。以优化后的参数绘制版图，并对版图进行EM仿真，最后采用0.25 μm的GaAs工艺制作了电路。当RF与LO频率为2.5 GHz～5.0GHz、中频为0.5 GHz～1.5GHz时，实测变频损耗约为11.5dB，LO到IF和RF的隔离度分别为30dB和35dB，LO和RF端口驻波分别小于2和3.5。

2 电路设计

环形二极管双平衡混频器原理图如图1所示。当LO信号幅度远大于RF信号幅度时，在LO半周期内D2、D3与D1、D4交替导通，而RF巴伦的两个输出端则交替处于开路和导通状态，同时从RF巴伦的输出公共端引出I F。据此工作特性，L O巴伦由Marchand巴伦[1]或螺旋变压器式巴伦[7]实现，本文采用Marchand巴伦结构；RF巴伦由triformer巴伦[4]实现。

RF巴伦的结构图如图2（a）所示，线宽、间距及线总长分别取8μm、4μm及3000μm。RF巴伦的输出特性如图2（b）所示，显示了在工作频带2.5GHz～5.0GHz内，输出幅度平衡性小于1dB，相位平衡性小于5°，说明RF巴伦具有良好的平衡特性。

将LO巴伦、RF巴伦以及环形二极管组成完整电路，设置优化参数以及合适的优化目标进行优化，得到双平衡混频器的仿真结果如图3所示。

图2 triformer巴伦（a）结构，（b）输出特性

可以看出各端口之间的隔离性极好，其中LO到RF隔离大于25dB，LO到IF隔离大于20dB；LO端口驻波约小于2，RF端口驻波小于3；当本振功率为13dBm时，转换损耗低于10.5dB，低本振下的转换损耗优于高本振下的情况。

最后将电路模型转化为版图，合理地折弯微带线以减小尺寸，并对版图中部分参数作适当调整，以使EM仿真也满足性能要求，芯片的版图如图4所示。

3 实测结果

芯片实测结果如图5、6、7所示，LO到IF和RF的隔离度分别为30dB和35dB，LO和RF端口驻波分别小于2和3.5。在低本振和高本振下，转换损耗分别为11.5dB和10.5dB。

4 结果分析

实测结果与仿真比较吻合，同时转换损耗的偏差也随频率上升而增大，这可能是由于折弯间距不够而使得微带线的内部耦合随频率加强，因此应加大此间距以改良整体性能。

［1］N. Marchand. Transmission-line conversion transformers[J].Electronics, 1994,17(12)∶142-145.

［2］K. S. Ang, I. D. Robertson. Analysis and Design of Impedance-Transforming Planar Marchand Baluns[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2001,49(2)∶402-406.

［3］A. M. Pavio, R. M. Halladay. A distributed double-balanced dual-gate FET mixer[J]. IEEE GaAs IC Symp. 1988.177.

［4］R. Mongia, I. Bahl, P. Bhartia. RF and Microwave Coupled-Line Circuits[M]. Artech House Microwave Library, 1999.439.

［5］I. Robertson, S. Lucyszyn. RFIC and MMIC Design and Technology[M]. THE IEE, 2001. 220-230.

［6］H. K. Chiou, Y. R. Juang, H. H. Lin. Miniature MMIC star double balanced mixer using lumped dual balun[J]. ELECTRONICS LETTERS, 1997, 33(6)∶503-505.

［7］K. S. Ang, S. B. Economides, S. Nam,et al.. A compact MMIC balun using spiral transformers[M]. Proceedings of Asia Pacific Microwave Conference, Singapore, 1999.655-658.

A GaAs Monolithic Diode Double-balanced Mixer

CHEN Kun2, PENG Long-xin1,2, LI Jian-ping2
（1.National Key Laboratory of Monolithic Integrated Circuit and Modules,Nanjing210016,China;2.Nanjing Electronic Devices Institution,Nanjing210016,China）

A ring form double-balanced mixer (DBM) is designed by using 0.25μm GaAs process. Based on the characteristic of ring-diode DBM, the difference between RF balun and LO balun is proposed and then the two baluns are constructed by using Marchand balun and triformer balun respectively. The whole circuit is formed and optimized after the optimization of the two baluns over the bandwith. Finally the layout is made and simulated by EM tools. Some adjustment is executed on the layout to improve the performances. The measured conversion losses are about 11.5dB and 10.5dB under low and high LO frequency respectively with the LO power=13dbm. The isolation of LO port to IF port and LO port to RF port are better than 30dB and 35dB. The VSWR at LO port and RF port are less than 2 and 3.5. It shows that the measured results agree with the simulations pretty well.

double-balanced mixer (DBM); ring-diode; balun; MMIC; conversion loss

TN773.2

A

1681-1070（2010）09-0031-03

2010-06-13

陈 坤（1980-），男，安徽安庆人，毕业于华中科技大学电子科学与技术系，现为南京电子器件研究所硕士研究生，研究方向为微波单片集成电路设计。