一种无源双平衡混频器的制作方法

1.本实用新型实施例涉及微波单片集成电路技术领域，尤其涉及一种无源双平衡混频器。


背景技术：

2.随着通信、雷达、广播、遥感、测量、电子对抗和空间技术等的日益发展，从米波频段到毫米波频段，收发组件在通信、信号处理以及雷达等各种电路系统的收发、传输和变换处理过程中具有广泛的用途。
3.混频器由于实现了频率的上下变换，广泛用于收发组件系统以及通信系统中等无线设备中。混频器主要结构包括分布式结构、吉尔伯特结构以及无源双平衡结构。分布式混频器可以实现很宽的工作带宽，但是其隔离度往往较差；吉尔伯特结构混频器属于有源类混频器，可实现一定的变频增益，但是它消耗了一定的直流功率，且噪声系数往往较差；双平衡混频器由于结构简单，并且有较高的端口隔离度，无需供电，且混频出来的杂散功率较小而广泛用于各收发组件系统中，而对于一般的双平衡混频器，因中频输出线从射频巴伦中心抽头处直接引出，导致了射频巴伦至中频输出线的隔离度较小，从而影响收发系统的性能。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种无源双平衡混频器，提高射频巴伦至中频输出端的隔离度。
5.本实用新型实施例提供一种无源双平衡混频器，包括：射频巴伦、桥式混频单元、本振巴伦、电容和电感；
6.所述射频巴伦的输入端连接射频信号；所述本振巴伦的输入端连接本振信号；所述射频巴伦的输出端和所述本振巴伦的的输出端分别连接至桥式混频单元的输入端；所述本振巴伦输出绕组中心抽头接地；所述射频巴伦输出绕组中心抽头处引出中频输出端；所述电感第一端与射频巴伦输出绕组中心抽头处连接，所述电感第二端与所述电容第一极连接，所述电容第二极接地。
7.可选的，所述电感包括高阻微带线。
8.可选的，所述桥式混频单元包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；
9.所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管和所述第四二极管首尾相连。
10.可选的，所述本振巴伦包括本振巴伦输入线和本振巴伦输出线；所述本振巴伦输入线的一端作为所述本振巴伦的输入端，所述本振巴伦输入线的另一端接地；
11.所述本振巴伦输入线的一端通过第一信号馈入线接入所述第一二极管和所述第二二极管之间；所述本振巴伦输入线的另一端通过第二信号馈入线接入所述第三二极管和所述第四二极管之间；
12.所述射频巴伦包括射频巴伦输入线和射频巴伦输出线；所述射频巴伦输入线的一
端作为所述射频巴伦的输入端，所述射频巴伦输入线的另一端接地；
13.所述射频巴伦输入线的一端通过第三信号馈入线接入所述第一二极管和所述第四二极管之间；所述射频巴伦输入线的另一端通过第四信号馈入线接入所述第二二极管和所述第三二极管之间。
14.可选的，所述射频巴伦、所述桥式混频单元、所述本振巴伦、所述电容和所述电感设置在同一基片上，其中，所述射频巴伦、所述桥式混频单元和所述本振巴伦沿第一方向依次排列，且所述射频巴伦、所述桥式混频单元和所述本振巴伦关于同一对称轴对称分布，所述对称轴的延伸方向与所述第一方向平行。
15.可选的，所述第一信号馈入线和所述第二信号馈入线长度相等；
16.和/或，所述第三信号馈入线和所述第四信号馈入线长度相等。
17.可选的，在第二方向上，所述本振巴伦的输入端设置在所述本振巴伦的一侧；所述射频巴伦的输入端设置在所述射频巴伦的一侧；
18.在所述第一方向上，所述中频输出端设置在所述射频巴伦远离所述桥式混频单元的一侧；其中，所述第一方向与所述第二方向垂直。
19.可选的，所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管和所述第四二极管为肖特基二极管。
20.可选的，所述基片的厚度范围为0.1mm至1mm。
21.可选的，所述本振巴伦输入线、所述本振巴伦输出线、所述射频巴伦输入线和所述射频巴伦输出线的线宽范围为7μm至12um；
22.所述本振巴伦输入线、所述本振巴伦输出线、所述射频巴伦输入线和所述射频巴伦输出线的线间距大于或等于5μm。
23.本实用新型实施例提供的技术方案，通过在中频输出端if并联由电感l和电容c组成的lc电路，通过适当调节电感l值和电容c值，使lc电路在混频器的工作频带内谐振，通过微波电路理论可知，lc电路在谐振时的输入阻抗最小，这对于工作频带中的高频信号有极大的衰减，而对于低频的中频信号几乎无影响。其中，射频信号频率大于中频信号频率，因此，利用在中频输出端if并联lc电路可以大大提高射频巴伦110的输入端rf至中频输出端if的隔离度。
附图说明
24.图1为本实用新型提供的一种无源双平衡混频器的结构示意图。
25.图2为本实用新型提供的一种无源双平衡混频器的电路结构示意图。
26.图3为本实用新型提供的一种无源双平衡混频器的电路版图的示意图。
27.图4为本振巴伦端接二极管处的仿真结果。
28.图5为射频巴伦端接二极管处的仿真结果。
29.图6是本振巴伦幅度和相位仿真结果。
30.图7是射频巴伦幅度和相位仿真结果。
31.图8是混频器芯片的压焊焊盘pad的结构示意图。
32.图9是本振驱动功率为13dbm下变频损耗测试结果。
33.图10是本振驱动功率为13dbm各端口的隔离度测试结果。
34.图11是本振驱动功率为13dbm上变频损耗测试结果。
35.图12是本振驱动功率为13dbm的测试结果。
36.图13是本振驱动功率为13dbm的iip3测试结果。
37.图14是本振驱动功率为13dbm、本振信号频率为4ghz的中频带宽、中频端口回波损耗测试结果。
38.图15是本振驱动功率为13dbm、本振信号频率为8ghz的中频带宽、中频端口回波损耗测试结果。
具体实施方式
39.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
40.图1为本实用新型提供的一种无源双平衡混频器的结构示意图，参见图1，包括：射频巴伦110、桥式混频单元120、本振巴伦130、电容c和电感l；
41.射频巴伦110的输入端lo连接射频信号；本振巴伦130的输入端lo连接本振信号；射频巴伦110的输出端rf和本振巴伦130的输出端lo分别连接至桥式混频单元120的输入端；本振巴伦130输出绕组中心抽头接地；射频巴伦110输出绕组中心抽头处引出中频输出端if；电感l第一端与射频巴伦110输出绕组中心抽头处连接，电感l第二端与电容c第一极连接，电容c第二极接地。
42.具体的，巴伦是基于变压器的应用，用于平衡和不平衡器的转换，平衡端跨接信号，不平衡端接地。巴伦能够输出等幅反相信号，可实现阻抗变换和阻抗匹配。射频巴伦110的输入端rf为无源双平衡混频器的输入端，其连接射频信号，本振巴伦130的输入端lo连接本振信号。示例性的，桥式混频单元120包括四个二极管首尾连接的二极管，首尾连接的二极管引出四个交接点，四个交接点分别交叉接到了本振巴伦130与射频巴伦110的平衡端口。射频巴伦110输出绕组中心抽头处引出中频输出端if，与中频输出端if并联连接由电感l和电容c组成的lc电路。
43.该混频器为三端口器件，分别为射频巴伦110的输入端rf、本振巴伦130的输入端lo和中频输出端if，在其中两个端口输入两个不同频率，在另一端输出输入时两个不同频率的和频、差频、杂散频率，实现频谱的上下变换。在下变频时，本振信号通过本振巴伦130的输入端lo馈进桥式混频单元120，射频信号通过射频巴伦110的输入端rf馈进桥式混频单元120，本振信号和射频信号混频，从射频巴伦110中心抽头处提取中频信号。上变频时，本振信号通过本振巴伦130的输入端lo馈进桥式混频单元120，中频输出端if的信号从射频巴伦110中心抽头处馈进桥式混频单元120，本振信号和中频信号混频，从射频巴伦110的输入端rf输出射频信号。
44.本实用新型实施例提供的技术方案，通过在中频输出端if并联由电感l和电容c组成的lc电路，通过适当调节电感l值和电容c值，使lc电路在混频器的工作频带内谐振，通过微波电路理论可知，lc电路在谐振时的输入阻抗最小，这对于工作频带中的高频信号有极
大的衰减，而对于低频的中频信号几乎无影响。其中，射频信号频率大于中频信号频率，因此，利用在中频输出端if并联lc电路可以大大提高射频巴伦110的输入端rf至中频输出端if的隔离度。
45.可选的，电感l包括高阻微带线。
46.具体的，采用了高阻微带线代替电感l，高阻微带线相比于电感l具有重量轻、频频宽、可靠性高、成本低以及易与固体器件连线等特点,便于微波组件和系统的集成化。
47.图2为本实用新型提供的一种无源双平衡混频器的电路结构示意图，参见图2，桥式混频单元120包括第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管；第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管d4首尾相连。
48.具体的，第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管d4依次连接，形成双平衡混频回路。在各二极管连接之间引出四个交接点，四个交接点分别交叉接到了本振巴伦130与射频巴伦110的四个平衡端口。可选的，第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管d4为肖特基二极管。
49.继续参见图2，本振巴伦130包括本振巴伦输入线131和本振巴伦输出线132；本振巴伦输入线131的一端作为本振巴伦130的输入端lo，本振巴伦输入线131的另一端接地；
50.本振巴伦输入线131的一端通过第一信号馈入线接入第一二极管d1和第二二极管d2之间；本振巴伦输入线131的另一端通过第二信号馈入线接入第三二极管d3和第四二极管d4之间；
51.射频巴伦110包括射频巴伦输入线111和射频巴伦输出线112射频巴伦输出线112；射频巴伦输入线111的一端作为射频巴伦110的输入端，射频巴伦输入线111的另一端接地；
52.射频巴伦输入线111的一端通过第三信号馈入线接入第一二极管d1和第四二极管d4之间；射频巴伦输入线111的另一端通过第四信号馈入线接入第二二极管d2和第三二极管d3之间。
53.具体的，第一二极管d1和第二二极管d2之间形成端点a，第二二极管d2和第三二极管d3之间形成端点c，第三二极管d3和第四二极管d4之间形成端点b，第四二极管d4和第一二极管d1之间形成端点d，本振巴伦输入线131的一端通过第一信号馈入线接入端点a；本振巴伦输入线131的另一端通过第二信号馈入线接入端点b。射频巴伦输入线111的一端通过第三信号馈入线接入端点d，射频巴伦输入线111的另一端通过第四信号馈入线接入端点c。对于本振巴伦130而言端点a和端点b是等电位，射频巴伦110的输出端rf无本振信号输出，对射频巴伦110而言，端点c和端点d是等电位，本振巴伦130的输入端lo无射频信号输出。从而使本振巴伦130的输入端lo与射频巴伦110的输出端rf具有良好的隔离。其中，工作过程为：本振信号和射频信号分别输入本振巴伦输入线131和射频巴伦输入线111，经过传输线间的耦合，从本振巴伦输出线132和射频巴伦输出线112输入双平衡混频回路，中频信号从射频巴伦输出线112中心抽头处引出。
54.基于上述实施例，图3为本实用新型提供的一种无源双平衡混频器的电路版图的示意图，参见图3，射频巴伦110、桥式混频单元120、本振巴伦130、电容c和电感l设置在同一基片上，其中，射频巴伦110、桥式混频单元120和本振巴伦130沿第一方向y依次排列，且射频巴伦110、桥式混频单元120和本振巴伦130关于同一对称轴对称分布，对称轴的延伸方向与第一方向y平行。
55.具体的，射频巴伦110、桥式混频单元120、本振巴伦130、电容c和电感l设置在平板状的绝缘介质基片上，射频巴伦110的输入端rf、本振巴伦130的输入端lo和中频输出端if位于绝缘介质基片的同一平面上。本振巴伦130和射频巴伦110的电路对称分布，示例性的，第一方向y为竖直方向，第二方向x为水平方向，射频巴伦110、桥式混频单元120和本振巴伦130在第一方向y依次排列，环形二极管电路需做到电路尽量对称，保证环形二极管电路与巴伦匹配良好、以及平衡度良好。射频巴伦110和本振巴伦130的传输线在第二方向x上分布，其中，射频巴伦110和本振巴伦130的传输线的对称轴与环形二极管电路的对称轴为同一对称轴，形成射频巴伦110、桥式混频单元120和本振巴伦130在第二方向x上的左右对称。通过电路对称分布可以使电路有较好的平衡性，杂散性能更优。
56.可选的，第一信号馈入线310和第二信号馈入线320长度相等；
57.和/或，第三信号馈入线330和第四信号馈入线340长度相等。
58.具体的，在排版布局的过程中，射频巴伦110和或本振巴伦130馈入二极管组成环形的双平衡混频回路时，由于四个二极管首尾连接，因此形成四个交接点，同时四个交接点分别交叉接到了本振巴伦130与射频巴伦110的四个平衡端口，本振巴伦130和射频巴伦110与环形二极管分别为对角接入，将环形二极管设计为矩形连接，二极管在矩形顶点，所形成的矩形图形的中心经过对称轴，示例性的，矩形的长边垂直对称轴。从而便于将第一信号馈入线310和第二信号馈入线320设置为等长，或长度调整。同样的，便于将第三信号馈入线330和第四信号馈入线340设置为等长，或长度调整，以保持输入信号的等幅和反相。
59.可选的，在第二方向x上，本振巴伦130的输入端lo设置在本振巴伦130的一侧；射频巴伦110的输入端rf设置在射频巴伦110的一侧；
60.在第一方向y上，中频输出端设置在射频巴伦110远离桥式混频单元120的一侧；其中，第一方向y与第二方向x垂直。
61.具体的，本振巴伦130的输入端lo和射频巴伦110的输入端rf设置在同一侧或相对侧，其中，为了减少本振巴伦130的输入端lo与本振巴伦130连接的走线长度，本振巴伦130的输入端lo靠近本振巴伦130设置，相同的，为了减少射频巴伦110的输入端rf与射频巴伦110连接的走线长度，射频巴伦110的输入端rf靠近射频巴伦110设置。中频输出端if设置在射频巴伦110的输入端rf相邻边的一侧，或相对边的一侧，以此来增加中频信号的传输线与射频巴伦110的距离，以减小电磁耦合，增加射频巴伦110的输入端rf至中频输出端if的隔离度。本振巴伦130的输入端lo、射频巴伦110的输入端rf和中频输出端if对应位置设置压焊pad，为了避免过强的电磁耦合，需要各端口间的微带线距离大于一定的距离，以保证性能稳定。
62.可选的，基片的厚度范围为0.1mm至1mm。可以减少绝缘介质基片的损耗，方便加工，且阻抗带宽较宽。
63.可选的，本振巴伦输入线131、本振巴伦输出线132、射频巴伦输入线111和射频巴伦输出线112的线宽范围为7μm至12um；
64.本振巴伦输入线131、本振巴伦输出线132、射频巴伦输入线111和射频巴伦输出线112的线间距大于或等于5μm。范围为7μm至12um。
65.具体的，巴伦关键性能的参数为线宽w和线间距s。本实施例中，线间距s大于或等于5um，线宽w大于或等于7um。通过暂时固定线间距s为工艺允许的最小间距，再调整线宽w。
本设计先固定线间距s为5um，再调试线宽w，线宽w调试范围为7～12um。在用ads仿真软件调整线宽w和线间距s的过程中，要求本振巴伦130或者射频巴伦110在工作频段内，馈入环行二极管两路的幅度尽量一致，且两路的相位差尽量为180
°
。示例性的，工作频段为4-8ghz时，本振巴伦130的线宽为10um，线间距为5um，射频巴伦110的线宽为9um，线间距为6um。
66.继续参见图3，本实用新型实施例还提供一种无源双平衡混频器的设计方法：
67.步骤一：确定混频器芯片的工作频段、工作参数制作工艺等信息，示例性的，工作频段设计为4-8ghz。工作参数如表1所示。
68.表1、混频器芯片工作参数
[0069][0070]
步骤二：通过仿真得到双平衡混频电路的输入阻抗，双平衡混频回路的电路尽量对称，保证环形二极管电路与巴伦匹配良好、以及平衡度良好。环形二极管电路的输入电阻由ads（advanced design system）软件仿真得到，根据此输入电阻，分别设计本振巴伦130和射频巴伦110。
[0071]
建立双平衡混频回路组成的环形二极管电路版图，图4为本振巴伦端接二极管处的仿真结果，得到中心频点处（6ghz）经过理想本振巴伦130后，端接二极管处的输入阻抗为[(46.7-j*76.2)/2]ω。
[0072]
图5为射频巴伦端接二极管处的仿真结果，得到在中心频点处（6ghz）经过理想射频巴伦110后，端接二极管处的输入阻抗为[(32.9-j*74.1)/2]ω。
[0073]
步骤三：仿真得到本振巴伦130和射频巴伦110，先固定线间距s为5um，再调试线宽w，线宽w的调试范围为7～12um。在用ads仿真软件调整线宽w和线间距s的过程中，要求本振巴伦130和射频巴伦110在4～8ghz频段内馈入环行二极管两路的幅度尽量一致，且两路的相位差尽量为180
°
。确定了本振巴伦130的线宽w为10um，线间距s为5um；射频巴伦110的线宽w为9um，线间距s为6um。图6是本振巴伦幅度和相位仿真结果；图7是射频巴伦幅度和相位
仿真结果。
[0074]
步骤四：设计射频巴伦110中心抽头处的连接的lc电路，将lc电路的谐振频点调到6ghz左右，根据lc谐振电路理论，谐振频率f=1/[2π(lc)
0.5
]，采用高阻微带线代替电感l。固定电感l值，调试电容cc的值便可以得到谐振频率点，将谐振点调至6ghz处即可。
[0075]
步骤五：将上述步骤得到的本振巴伦130、射频巴伦110和lc电路进行连接仿真，在排版布局中，本振巴伦130、射频巴伦110、环形二极管和lc电路尽可能做到电路对称，从而使电路有较好的平衡性，杂散性能更优。整版仿真的过程需要对电路进行微调以及增加压焊pad，压焊pad大小为150*100um，为了避免过强的电磁耦合，需要各端口间的微带线距离大于一定的距离，以保证性能稳定。图8是混频器芯片的压焊焊盘pad的结构示意图。图9是本振驱动功率为13dbm下变频损耗测试结果；图10是本振驱动功率为13dbm各端口的隔离度测试结果；图11是本振驱动功率为13dbm上变频损耗测试结果；图12是本振驱动功率为13dbm输入p-1测试结果；图13是本振驱动功率为13dbm的iip3测试结果；图14是本振驱动功率为13dbm、本振信号频率为4ghz的中频带宽、中频端口回波损耗测试结果；图15是本振驱动功率为13dbm、本振信号频率为8ghz的中频带宽、中频端口回波损耗测试结果；最终可以得到的混频器芯片的尺寸为1.25mm*1.43mm*0.1mm。
[0076]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。