单片集成超宽带混频器的制作方法

1.本发明涉及混频器技术领域，尤其涉及一种工作频率覆盖dc~120ghz的单片集成超宽带混频器。

背景技术：

2.混频器是接收机中的核心部件，用于将接收到的射频信号搬移到中频上。本质上，混频器是利用混频器件的非线性特征，将输入的两个信号相乘得到信号各阶分量组合的产物，并在输出端使用滤波器选取到所需要的频率分量。在常见的射频测试仪器如矢量网络分析仪、射频信号源、扩频器和频谱仪等中，混频器的作用是不可替代的。
3.应用于测试测量仪器中的混频器通常为平衡电路的结构形式，利用其对输出电流中无用分量的抑制作用，可以提高输出信号的质量。双平衡混频器相比于单管或单平衡混频器有混频产物少、端口间隔离度高、动态范围大等优点，是测试测量用混频器的首选电路结构。
4.随着射频微波技术的不断发展，业界当前的研究重点已经逐步由传统的微波频段发展到毫米波频段，相应的也要求测试测量仪器能够覆盖从极低频段到毫米波频段的整个频率范围。在现有工作在40ghz或较低频段的仪器设备中，多使用基波双平衡混频器，即中频频率为本振频率与射频频率的差。而对于工作频率高于40ghz的仪器设备，由于在高频很难获得足够的本振驱动功率，多采用谐波混频器来降低本振端的工作频率，即中频频率为n倍（n≥2）的本振频率与射频频率的差。在此基础上，要想实现从dc至100ghz以上宽频带范围的信号混频，有两种思路：一是研制工作频率覆盖dc至100ghz以上的基波平衡式混频器，但是其工作频带限于本振和射频端的巴伦，且需要功率放大器为混频器提供本振驱动功率，而工作频率覆盖dc至100ghz以上的巴伦和功率放大器是难以实现的；二是设计分频段工作的接收机系统，当接收信号频率低于40ghz时，由基波混频器进行混频，当接收信号高于40ghz时转由谐波混频器进行混频，这种方案的接收机系统十分复杂，且无法同时处理包含多个频率分量的信号。因此，需要设计一种新的工作频率覆盖dc~120ghz的超宽带混频器。

技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是如何提供一种工作频带覆盖范围宽，可工作在基波混频模式或三次谐波混频模式的单片集成超宽带混频器。
6.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种单片集成超宽带混频器，其特征在于：包括衬底，所述衬底上形成有混频器电路，所述混频器电路包括射频端口，所述射频端口与射频功分器结构的输入端连接，所述射频功分器结构的两个输出端分别与一个射频匹配结构连接，其中一个射频匹配结构的输出端与环形二极管对的第一接线端连接，其中另一个射频匹配结构的输出端与所述环形二极管对的第三接线端连接，两个本振端口分别与一个本振匹配结构的输入端连接，其中一个本振匹配结构的输出端与所述环形
二极管对的第一接线端连接，其中另一个本振匹配结构的输出端与所述环形二极管对的第三接线端连接，所述环形二极管对的第二个接线端以及第四个接线端分别与一个中频滤波结构的输入端连接，所述中频滤波结构的输出端分别与一个中频端口连接；输入的射频信号经由射频功分结构和射频匹配结构后分为两路功率相等、相位相等的射频信号进入环形二极管对进行混频，两路相位差为180
°
的本振信号由外部输入，经本振匹配结构后进入环形二极管对混频；混频产生的两路相位差180
°
的中频信号经过中频滤波结构后在中频端口输出。
7.进一步的，包括衬底，所述衬底上形成有混频器电路，所述混频器电路包括射频端口信号压点，所述射频端口信号压点的两侧分别设置有一个射频端口接地压点，每个射频端口接地压点上连接有一个直通基板背面金属的通孔；所述射频端口信号压点经第一连接微带线与第一t型微带线的第一端连接，所述第一t型微带线的第二端以及第三端分别依次经一个片上薄膜电阻、一个射频匹配结构微带线以及一个第二连接微带线后与第二t型微带线的第一端连接，两个所述第二t型微带线的第二端分别经一个第三连接微带线与一个第三t型微带线的第一端连接，其中的一个所述第二t型微带线的第三端与第一个肖特基势垒二极管的阳极连接，其中的另一个所述第二t型微带线的第三端与第二个肖特基势垒二极管的阴极连接，第一个肖特基势垒二极管的阴极与一个第四t型微带线的第一端连接，第二个肖特基势垒二极管的阳极与所述第四t型微带线的第二端连接；两个本振端口信号压点分别经一个第四连接微带线、一个第五连接微带线以及一个第六连接微带线后与所述第三t型微带线的第二端连接，其中一个第三t型微带线的第三端与第三个肖特基势垒二极管的阴极连接，另一个第三t型微带线的第三端与第四个肖特基势垒二极管的阳极连接，两个所述第四t型微带线的第三端依次经一个第七连接微带线、一个中频空气桥微带线、一个中频滤波微带线、一个中频滤波电容、一个第八连接微带线后与一个中频端口信号压点连接。
8.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：单片集成工艺，集成度高：采用gaas衬底的肖特基二极管工艺制作，通过一次工艺流程实现完成的混频器电路，避免采用混合集成工艺制作电路导致的对位误差、材料不匹配等缺点。
9.超宽的工作频带：所述混频器电路根据射频输入信号频率的不同而工作在基波混频或谐波混频两种状态：当射频输入信号频率低于40ghz时，混频器工作在基波混频状态；当射频输入信号频率高于40ghz时，混频器工作在三次谐波混频状态。以此实现射频输入频率从0.01ghz至120ghz的超宽频率覆盖，同时使本振频率一直低于40ghz，有效降低了对本振信号源的要求，具有很强的实用性。
10.混频组合分量少：所述混频器采用双平衡混频结构，混频产生的各次谐波组合成分为单平衡混频器的一半，是非平衡混频器产物的1/4。
11.动态范围大：所述混频器中有4只肖特基势垒二极管参与混频，输出信号由4只二极管共同提供，原理上所述混频器的动态范围比单平衡混频器大3db。
12.隔离度高：所述混频器的本振端口与射频端口间隔离度由4只肖特基势垒二极管的平衡程度决定。由于所述混频器采用gaas衬底的肖特基二极管单片工艺，其制作的二极管的一致性优于混合集成工艺混频器中使用的手动贴装二极管对，因此所述混频器的端口间隔离度要优于单平衡混频器和各类混合集成工艺制作的混频器。
附图说明
13.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
14.图1是本发明实施例所述混频器的原理框图；图2是本发明实施例所述混频器的原理图；图3是本发明实施例中实际使用所述混频器时需设置的外围条件的原理框图；图4是图2所示混频器基波混频工作时的变频损耗仿真结果图；图5是图2所示混频器谐波混频工作时的变频损耗仿真结果图；其中：101、射频端口；102、射频功分结构；103、射频匹配结构；104、本振端口；105、本振匹配结构；106、环形二极管对；107、中频滤波结构；108、中频端口；201、射频端口信号压点；202、射频端口接地压点；203、直通基板背面金属的通孔；204、第一连接微带线；205、第一t型微带线；206、片上薄膜电阻；207、射频匹配结构微带线；208、第二连接微带线；209、第三连接微带线；210、第三t型微带线；211、肖特基势垒二极管；212、第四t型微带线；213、本振端口信号压点；214、第四连接微带线；215、第五连接微带线；216、第六连接微带线；217、第七连接微带线；218、中频空气桥微带线；219、中频滤波微带线；220、中频滤波电容；221、第八连接微带线；222、中频端口信号压点；223、第二t型微带线；224、衬底；301、射频输入信号；302、本振输入信号；303、中频输出信号；304、本发明的混频器芯片；305、本振巴伦；306、中频巴伦。
具体实施方式
15.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
17.如图1所示，本发明实施例公开了一种单片集成超宽带混频器，其特征在于：包括衬底224，所述衬底224上形成有混频器电路，所述混频器电路包括射频端口101，所述射频端口101与射频功分器结构102的输入端连接；所述射频功分器结构102的两个输出端分别与一个射频匹配结构103连接，其中一个射频匹配结构103的输出端与环形二极管对106的第一接线端连接，其中另一个射频匹配结构103的输出端与所述环形二极管对106的第三接线端连接，两个本振端口104分别与一个本振匹配结构105的输入端连接，其中一个本振匹配结构105的输出端与所述环形二极管对106的第一接线端连接，其中另一个本振匹配结构105的输出端与所述环形二极管对106的第三接线端连接，所述环形二极管对106的第二个接线端以及第四个接线端分别与一个中频滤波结构107的输入端连接，所述中频滤波结构107的输出端分别与一个中频端口108连接；混频器的射频信号由射频端口101输入，经由过射频功分结构102分为两路幅度、相位相等的射频信号，所述两路射频信号分别经射频匹配结构103进入环形二极管对106；
混频器的本振信号为幅度相等，相位相差180
°
的两路信号，由本振端口104输入后经由本振匹配结构105进入环形二极管对106；混频器生成的中频信号由环形二极管对106中不与本振、射频相连的另外两个端口处输出，经由中频滤波结构107后在中频端口108输出，输出的两路中频信号幅度相等，相位相差180
°
。
18.进一步的，所述混频器采用gaas肖特基势垒二极管工艺实现，在gaas衬底上同时制作肖特基势垒二极管和无源电路结构，采用一次工艺流程形成完整的混频器电路，即该混频器采用单片工艺，即gaas肖特基二极管工艺制造，通过一轮工艺流程完成芯片上晶体管和电路结构的制造，避免了混合集成工艺装配过程中产生的误差和损耗。
19.所述环形二极管对（106）由四个相同的肖特基势垒二极管阳极与阴极首尾相连组成，将二极管间的连接处作为与外部电路结构的连接端口，沿顺时针或逆时针方向分别为第一接线端、第二接线端、第三接线端以及第四接线端。所述射频端口101为适用于在片探针测试的gsg探针测试压点结构，信号压点的两侧分别设置一个接地压点，所述接地压点由通过连接基板背面金属的通孔实现接地。
20.所述射频功分结构可以包括微带传输线和串联电阻，所述射频匹配结构103可以采用微带传输线的形式实现，使用串联电阻实现的功分结构，与常用的功分结构，如威尔金森功结构、t型微带线结构有明显区别，虽然使用串联电阻会增加传输损耗，但其可以实现dc~120ghz超宽频带范围的功率分配。所述本振端口104为两个并列排布的信号压点，所述本振匹配结构105采用高低阻抗微带传输线的形式实现。所述中频端口108为两个并列排布的信号压点，所述中频滤波结构107为串联微带线并联到地电容的结构；到地电容采用gaas肖特基势垒二极管工艺中的上下两层金属层组成电容的上下极板的形式实现。
21.为了更好的说明本发明所述混频器，以图2一款单片集成的dc~120ghz超宽带混频器芯片对本发明的具体实施方式加以说明，其中：射频端口101包括射频信号压点201和两个射频端口接地压点202，两个射频端口接地压点分别连接直通基板背面金属的通孔203实现接地；射频功分结构102包括第一t形微带线205和两个片上薄膜电阻206，实现射频信号的功率平分。射频功分结构102和射频端口101之间由射频端口和射频匹配结构间的第一连接微带线204相连接；射频匹配结构103由射频匹配结构微带线207实现，具体为高低阻抗微带线或高阻（特征阻抗＞50ohm）微带线的形式实现匹配。射频匹配结构微带线207与环形二极管对106之间由射频/本振匹配结构和环形二极管对间的第二连接微带线208进行连接；环形二极管对106由图2中四个肖特基势垒二极管211、两个环形二极管对内连接微带线和六个“t”形微带线2共同组成；其中四个肖特基势垒二极管211的阴极与阳极依次相连，肖特基势垒二极管211间的连接由环形二极管对内连接微带线和“t”形微带线共同实现，最终六个“t”形微带线上各有一个端口作为环形二极管对106的连接端口；本振端口104由本振端口信号压点213组成，由长宽相等的微带线实现。从芯片实际使用上考虑，两个本振端口104通常并列排布，并保持一定的间距；本振匹配结构105由本振匹配结构微带线（第六连接微带线215）实现，具体为高低阻抗微带线的形式实现匹配。出于对提高混频器本振-射频间隔离度的考虑，本振匹配结构105应具有对高频（频率＞40ghz）射频信号的滤波功能，具体可由并联开路微带线等形式实
现。本振匹配结构105和本振端口104之间由本振端口与本振匹配结构间的连接微带线相连接。本振匹配结构微带线与环形二极管对106之间由射频/本振匹配结构和环形二极管对间的连接微带线进行连接；中频端口108由中频端口信号压点组成，由长宽相等的微带线实现。从芯片实际使用上考虑，两个中频端口108通常并列排布，并保持一定的间距；中频滤波结构107由中频滤波微带线219、中频滤波电容220、直通基板背面金属的通孔203和中频端口和中频滤波电容间的连接微带线组成。其中，中频滤波电容220连接直通基板背面金属的通孔203形成接地电容，中频滤波微带线219和所述接地电容共同构成lc谐振网络实现对射频信号、本振信号的滤波隔离。中频端口和中频滤波电容间的连接微带线用于连接中频端口信号压点222和中频滤波电容220；中频滤波电容220采用gaas二极管工艺中的上下两层金属层组成上下极板；中频滤波结构107和环形二极管对106之间的连接需使用中频空气桥微带线218跨过射频/本振匹配结构和环形二极管对间的连接微带线进行连接，具体实现方式为在中频空气桥微带线218与第二连接微带线208相交处，中频空气桥微带线218只制作上层金属层，第二连接微带线208只制作下层金属层。中频信号通过中频空气桥微带线217的上层金属层传输，而本振/射频信号通过第二连接微带线208的下层金属层传输，实现了中频信号与本振/射频信号间互相垂直传输而不相互导通连接。中频空气桥微带线218与环形二极管对106之间使用环形二极管对和空气桥间的第七连接微带线217进行连接；混频器芯片的衬底224定义了上述混频器的长宽尺寸。
22.详细的，如图2所示，所述混频器包括衬底224），所述衬底224上形成有混频器电路，所述混频器电路包括射频端口信号压点201，所述射频端口信号压点201的两侧分别设置有一个射频端口接地压点202，每个射频端口接地压点202上连接有一个直通基板背面金属的通孔203；所述射频端口信号压点201经第一连接微带线204与第一t型微带线205的第一端连接，所述第一t型微带线205的第二端以及第三端分别依次经一个片上薄膜电阻206、一个射频匹配结构微带线207以及一个第二连接微带线208后与第二t型微带线223的第一端连接，两个所述第二t型微带线223的第二端分别经一个第三连接微带线209与一个第三t型微带线210的第一端连接，其中的一个所述第二t型微带线223的第三端与第一个肖特基势垒二极管211的阳极连接，其中的另一个所述第二t型微带线223的第三端与第二个肖特基势垒二极管211的阴极连接，第一个肖特基势垒二极管211的阴极与一个第四t型微带线212的第一端连接，第二个肖特基势垒二极管211的阳极与所述第四t型微带线212的第二端连接；两个本振端口信号压点213分别经一个第四连接微带线214、一个第五连接微带线215以及一个第六连接微带线216后与所述第三t型微带线210的第二端连接，其中一个第三t型微带线210的第三端与第三个肖特基势垒二极管211的阴极连接，另一个第三t型微带线210的第三端与第四个肖特基势垒二极管的阳极连接，两个所述第四t型微带线212的第三端依次经一个第七连接微带线217、一个中频空气桥微带线218、一个中频滤波微带线219、一个中频滤波电容220、一个第八连接微带线221后与一个中频端口信号压点222连接。
23.如图3所示，通常混频器的本振信号由一信号源提供，需将信号源提供的本振输入信号302经本振巴伦305进行平衡-不平衡转换为两路幅度相等，相位相差180
°
的本振信号输入本发明的混频器芯片304；另外，本发明的混频器芯片304输出的中频信号为两路幅度
相等，相位相差180
°
的中频信号，需经中频巴伦306合成为一路中频输出信号303；由于本发明的混频器芯片304内部集成了射频功分结构，射频输入信号301可直接输入本发明的混频器芯片304进行混频；若要满足图2中单片集成的dc~120ghz超宽带混频器芯片的工作条件，相应的，本振巴伦305的工作频率应覆盖dc~40ghz，中频巴伦306的工作频率应覆盖dc~100mhz。图4为图2所示混频器基波混频工作时的变频损耗仿真结果，工作条件为：射频频率范围为1ghz至40ghz；本振频率范围为0.99ghz至39.99ghz；中频0.01ghz。图5为图2所示混频器谐波混频工作时的变频损耗仿真结果，工作条件为：射频频率范围为40ghz至120.1ghz；本振频率范围为13.33ghz至40.33ghz；中频0.01ghz。

技术特征：

1.一种单片集成超宽带混频器，其特征在于：包括衬底（224），所述衬底（224）上形成有混频器电路，所述混频器电路包括射频端口（101），所述射频端口（101）与射频功分器结构（102）的输入端连接，所述射频功分器结构（102）的两个输出端分别与一个射频匹配结构（103）连接，其中一个射频匹配结构（103）的输出端与环形二极管对（106）的第一接线端连接，其中另一个射频匹配结构（103）的输出端与所述环形二极管对（106）的第三接线端连接，两个本振端口（104）分别与一个本振匹配结构（105）的输入端连接，其中一个本振匹配结构（105）的输出端与所述环形二极管对（106）的第一接线端连接，其中另一个本振匹配结构（105）的输出端与所述环形二极管对（106）的第三接线端连接，所述环形二极管对（106）的第二个接线端以及第四个接线端分别与一个中频滤波结构（107）的输入端连接，所述中频滤波结构（107）的输出端分别与一个中频端口（108）连接；输入的射频信号经由射频功分结构（102）和射频匹配结构（103）后分为两路功率相等、相位相等的射频信号进入环形二极管对（106）进行混频，两路相位差为180
°
的本振信号由本振端口（104）输入，经本振匹配结构（105）后进入环形二极管对（106）混频；混频产生的两路相位差180
°
的中频信号经过中频滤波结构（107）后在中频端口输出。2.如权利要求1所述的单片集成超宽带混频器，其特征在于：所述混频器采用gaas肖特基势垒二极管工艺实现，在gaas衬底上同时制作肖特基势垒二极管和无源电路结构，采用一次工艺流程形成完整的混频器电路。3.如权利要求1所述的单片集成超宽带混频器，其特征在于：所述环形二极管对（106）由四个相同的肖特基势垒二极管阳极与阴极首尾相连组成，将二极管间的连接处作为与外部电路结构的连接端口，沿顺时针或逆时针方向分别为第一接线端、第二接线端、第三接线端以及第四接线端。4.如权利要求1所述的单片集成超宽带混频器，其特征在于：所述射频端口（101）为适用于在片探针测试的gsg探针测试压点结构，信号压点的两侧分别设置一个接地压点，所述接地压点由通过连接基板背面金属的通孔实现接地。5.如权利要求1所述的单片集成超宽带混频器，其特征在于：所述射频功分结构包括微带传输线和串联电阻。6.如权利要求1所述的单片集成超宽带混频器，其特征在于：所述射频匹配结构（103）采用微带传输线的形式实现。7.如权利要求1所述的单片集成超宽带混频器，其特征在于：所述本振端口（104）为两个并列排布的信号压点，所述本振匹配结构（105）采用高低阻抗微带传输线的形式实现。8.如权利要求1所述的单片集成超宽带混频器，其特征在于：所述中频端口（108）为两个并列排布的信号压点，所述中频滤波结构（107）为串联微带线并联到地电容的结构。9.如权利要求8所述的单片集成超宽带混频器，其特征在于：到地电容采用gaas肖特基势垒二极管工艺中的上下两层金属层组成电容的上下极板的形式实现。10.如权利要求1所述的单片集成超宽带混频器，其特征在于：包括衬底（224），所述衬底（224）上形成有混频器电路，所述混频器电路包括射频端口信号压点（201），所述射频端口信号压点（201）的两侧分别设置有一个射频端口接地压点（202），每个射频端口接地压点（202）上连接有一个直通基板背面金属的通孔（203）；所述射频端口信号压点（201）经第一连接微带线（204）与第一t型微带线（205）的第一端连接，所述第一t型微带线（205）的第二
端以及第三端分别依次经一个片上薄膜电阻（206）、一个射频匹配结构微带线（207）以及一个第二连接微带线（208）后与第二t型微带线（223）的第一端连接，两个所述第二t型微带线（223）的第二端分别经一个第三连接微带线（209）与一个第三t型微带线（210）的第一端连接，其中的一个所述第二t型微带线（223）的第三端与第一个肖特基势垒二极管（211）的阳极连接，其中的另一个所述第二t型微带线（223）的第三端与第二个肖特基势垒二极管（211）的阴极连接，第一个肖特基势垒二极管（211）的阴极与一个第四t型微带线（212）的第一端连接，第二个肖特基势垒二极管（211）的阳极与所述第四t型微带线（212）的第二端连接；两个本振端口信号压点（213）分别经一个第四连接微带线（214）、一个第五连接微带线（215）以及一个第六连接微带线（216）后与所述第三t型微带线（210）的第二端连接，其中一个第三t型微带线（210）的第三端与第三个肖特基势垒二极管（211）的阴极连接，另一个第三t型微带线（210）的第三端与第四个肖特基势垒二极管的阳极连接，两个所述第四t型微带线（212）的第三端依次经一个第七连接微带线（217）、一个中频空气桥微带线（218）、一个中频滤波微带线（219）、一个中频滤波电容（220）、一个第八连接微带线（221）后与一个中频端口信号压点（222）连接。

技术总结

本发明公开了一种单片集成超宽带混频器，涉及混频器技术领域。所述混频器包括混频器芯片衬底，所述衬底上形成有混频器电路，所述混频器电路包括射频端口，所述射频端口与射频功分结构相连，所述射频功分结构的另一端分为两路，分别连接两个相同的射频匹配结构，所述射频匹配结构的另一端同时与本振匹配结构和环形二极管对连接；包括两个本振端口，所述本振端口经本振匹配结构与环形二极管对连接，同时连接射频匹配结构；包括两个中频端口，所述中频端口经中频滤波结构后与环形二极管对连接。所述混频器可工作在基波混频模式或三次谐波混频模式，且工作频带覆盖范围宽。且工作频带覆盖范围宽。且工作频带覆盖范围宽。