摘 要

近年来，随着无线移动通信系统的迅速发展，人们对高度集成、高性能、高宽带和能够适应多种通信标准的接收机的研究愈发热门。同时，随着新一代通信技术(5G)的研发，传统基于CMOS工艺的器件因其工作频率和噪声性能的限制，已经不能满足超高频和低噪声的微波电路设计要求，而基于赝调制掺杂异质结场效应晶体管(pHEMT)工艺的器件由于具有较高的传导电子迁移率和温度稳定性，对于高宽带、高频率、低噪声的微波电路设计有着优越性。所以，基于pHEMT工艺的射频集成前端成为近年来的研究热点。而作为射频前端电路的核心部分，混频器的设计十分重要，其性能直接影响到整个射频前端电路的性能优劣。

为实现低功耗目的，本文对传统的堆叠型Gilbert有源混频器结构做出改进，利用折叠型结构代替堆叠型结构，从而降低了对工作电压的要求，在转换增益一定的情况下，有效地实现了低功耗要求。

本次设计采用SANAN公司的0.15μm pHEMT工艺库，使用ADS仿真软件设计电路结构和仿真性能参数。最终完成了射频输入频率为1GHz—4GHz，中频输出频率为50MHz的新型折叠型Gilbert有源混频器的设计，通过对各指标的折衷和参数不断优化，最终实现了在工作电压为1.5V时，转换增益在3GHz带宽内大于10dB，噪声系数小于5dB，1dB压缩点为-10dBm，输入三阶交调点为4.147dBm，功耗为67.23mW，满足所提出的性能指标要求。

关键词：GaAs pHEMT工艺，Gilbert有源混频器，低功耗，宽带

Abstract

In recent years, with the rapid development of wireless mobile communication systems, the research on highly integrated, high-performance, high-bandwidth, and receivers capable of adapting to various communication standards has become increasingly popular. At the same time, with the development of next-generation communication technology (5G), traditional CMOS-based devices can no longer satisfy the ultra-high-frequency and low-noise microwave circuit design requirements due to the limitations of their operating frequency and noise performance, However, The device which based on pHEMT technology has advantages of high-bandwidth, high-frequency, and low-noise microwave circuit design because of its high conduction electron mobility and temperature stability. Therefore, the RF integrated front-end based on pHEMT technology is known as a research hotspot in recent years. As a core part of the RF front-end circuit, the design of the mixer is very important, and its performance directly affects the performance of the entire RF front-end circuit.

In order to achieve low power consμmption, the structure of the traditional stacked Gilbert active mixer is presented in this thesis. Instead of a stacked structure, a folded structure is used to reduce the operating voltage requirements. With a certain conversion gain, effectively achieve low power requirements.

This design bases on SANAN's 0.15μm pHEMT technology library and uses ADS simulation software to design the circuit structure and simulation performance parameters. The structure of the new folded Gilbert active mixer with an input frequency of 1GHz - 4GHz and an IF output frequency of 50MHz was presented. Through the trade-off between parameters and constant optimization, the transfer gain is greater than 10dB cover the 3GHz bandwidth, the noise figure is less than 5dB, the 1dB compression point is -10dBm, the input third-order intercept point is 4.147dBm, and the power consμmption is 67.23mW from a 1.5V supply, which satisfies the proposed performance index requirement.

Key Words: GaAs pHEMT technology, Gilbert active mixer, low power consμmption, wideband

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究工作及内容安排 2

第2章 GaAs工艺及混频器基本原理 3

2.1 GaAs工艺 3

2.2 混频器基本工作原理 3

2.3 混频器的性能指标 4

2.3.1 转换增益 4

2.3.2 线性度 5

2.3.3 噪声系数 7

2.3.4 端口隔离度 8

2.4 混频器结构介绍 8

2.4.1 无源混频器 8

2.4.2 有源混频器 9

2.5 小结 12

第3章 基于GaAs pHEMT的Gilbert混频器的设计 14

3.1 设计指标 14

3.2 设计准备 14

3.2.1 PDK工艺库 14

3.2.2 ADS仿真器 15

3.3 折叠型Gilbert混频器各级电路设计 16

3.3.1 跨导级电路设计 17

3.3.2 开关级电路设计 18

3.3.3 负载级电路设计 20

3.4 基于ADS的折叠型Gilbert混频器的仿真及结果分析 20

3.4.1 直流仿真 20

3.4.2 谐波仿真 20

3.4.3 转换增益仿真 21

3.4.4 噪声系数仿真 22

3.4.5 线性度仿真 23

3.4.6 带宽仿真 24

3.4.7 结果分析 25

3.5 小结 25

第4章 总结及展望 26

4.1 总结 26

4.2 展望 26

参考文献 27

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

现代无线通信终端对功能集成的要求不断提高，能适应多种通信标准的宽带接收机成为通信系统设计的研究热点。为了适应高速发展的通信需求，市场和工业界对新型通信设备提出了高带宽、高通信速度、多标准集成、经济便携等多项要求。随着新一代通信技术(5G)的发展，传统的基于CMOS单片微波集成电路(MMIC)因为其工作频率低和噪声性能差的限制因素，已经越来越不适用于超高频和超低噪声应用，而基于第三、五族化合物半导体材料构成的MMIC因其良好的噪声性能，在毫米波、微波设备中占到了优势地位。pHEMT是对高电子迁移率晶体管(HEMT)的一种改进结构，与传统的HEMT相比，克服了温度稳定性差的缺点，在MMIC设计中得到广泛应用^[1]。

在通信系统中，信号频率的变换是十分核心的问题。我们将低频原始基带信号经过调制、扩频、解扩等处理后，经过上变频到射频频段后通过发射天线发射出去；同样，接收天线接收到射频信号后，经过下变频后再进行各种信号处理，得到我们所需的原始信号。而混频器就是利用器件的非线性来实现频谱的搬移，是通信系统接收机的一个核心部件，其研究十分重要。

在接收机结构中将接收到的的射频小信号转换为中频信号是混频器最重要的应用，通过变频便于进一步对信号进行放大和解调等处理。一般位于接收机的前端或者低噪声放大器( LNA)的后端，它的性能如转换增益、噪声系数( NF)等直接影响到整个接收系统的性能优劣，所以我们在设计混频器电路时要综合权衡前级系统和后级系统的各项性能参数，使得整个系统的性能达到最佳结果。对于不同的应用，微波混频器一般选择肖特基二极管、砷化镓场效应管(GaAs FET)、CMOS晶体管来进行电路的设计。肖特基二极管由于其反向恢复时间极短(ns级)，正向导通压降更低(0.4V)左右等特性，广泛应用于对变频增益、线性度、噪声系数等性能有较高要求的高频设备；而FET和CMOS混频器常用在花费低、对性能要求不太高的大体积应用设备中。本文便是基于GaAs pHEMT工艺提出宽带低功耗混频器的设计^[2,3,4]。

1.2 国内外研究现状

混频器最早由Armsmg在1924年研制成功。五十年代中期，晶体管技术和外延单晶生长技术的迅速发展，为混频器的初期发展提供了物质基础。到六十年代，表面势垒二极管和隧道二极管问世后，混频器的研究得到迅速发展。

从国内外混频器发展趋势来看，从上世纪80年代以来混频器的研究热点主要集中在Ka和W波段，并逐渐向高频段发展。在1981年，Parrish等人利用梁式引线二极管制作的平衡混频器，射频从90GHz-94GHz频率内变频损耗小于8dB。而随着半导体器件工艺和晶体管工艺的迅速发展，基于GaAs和pHEMT的MMIC技术得到了快速地发展。1995年，采用pHEMT肖特基二极管的MMIC技术实现的混频器设计工作在RF频率32GHz - 40GHz，实现了较低变频损耗。在国内，南京电子科技研究所研究的单端混频器和单平衡混频器工作在RF频率93GHz - 96GHz频段。

从上述成果可以看出，随着工艺技术的进步以及通信行业的快速发展，混频器向着高频段高宽带和低电压低功耗发展。实现低功耗的手段主要有两方面：一是降低电源电压，典型的电路结构是用折叠结构代替传统的堆叠结构，通过折叠的形式将各级电路的管子分开提供漏极电压，大大降低了电源电压以实现低功耗要求；同时，适当设计LC射频中断网络结构，该结构谐振在射频信号频率附近的频率，从理论上分析，对于射频信号阻抗为无穷大，对于直流信号可视为短路，从而实现了通直流隔交流的功能，由于对于直流信号为短路，等效阻抗为零，故直流压降为零，也有效地实现了低电压。二是降低混频器的直流电流，典型的技术为电流注入技术，通过在跨导级注入理想直流电流源，使得混频器开关级的直流电流减小，从而达到了低功耗的设计^[5]。

1.3 本文研究工作及内容安排

本文研究的主要内容是独立设计一款基于GaAs pHEMT的宽带低功耗微波混频器电路结构，通过理论知识的学习和论文的阅读，针对低功耗要求，提出了改进型折叠型Gilbert混频器电路结构，利用ADS仿真其性能参数，实现了较好的性能。本设计的内容安排如下：

第一章主要介绍课题的研究意义和背景，对混频器的发展历史和研究现状有初步了解。为自己设计混频器结构提供大致方向。

第二章一方面介绍了GaAs工艺，通过与其他工艺的对比，分析了选择该工艺进行本次混频器设计的优缺点；另一方面介绍了混频器的基本工作原理、性能指标和混频器的几种基本结构，通过对结构的优缺点分析和性能指标的比较，确定了以Gilbert混频器作为本次设计的基础结构。

第三章对传统的折叠型Gilbert混频器结构做出改进，利用折叠型代替传统的堆叠型结构来实现低功耗要求。同时根据所提出的设计指标对改进的折叠型Gilbert混频器结构的各级电路进行设计和具体分析，并利用ADS2016软件设计整体电路结构，对各性能指标进行仿真，在满足基本指标的情况下对各参数不断优化，实现最佳性能指标设计。

第四章对本课题所完成的工作进行总结分析，指出自己工作的不足，提出预期改进的方法，并对接下来的工作提出自己的展望。

第2章 GaAs工艺及混频器基本原理

2.1 GaAs工艺

GaAs是在Ge、Si后出现的一种新型的具有更好性能的半导体材料，是第二代半导体材料的典型代表，因其相较于Ge、Si的优越性能而得到广泛使用，其与Ge、Si的优缺点比较如下：

1. Ge、Si半导体材料的本征电阻率不高，而GaAs有源层可以生长在自身电阻率大于10⁷Ω/cm的半绝缘衬底上，高电阻率可以有效地把器件的有源区隔离开，因而在单片集成电路中，不需要设计反偏置结来实现器件的相互隔离，这样的结构有利于低损耗下的互连和高密度封装下的隔离，也有利于实现高集成。

2. GaAs的传导电子迁移率比Si高约5倍，所以其材料的寄生电阻较小，跨导较大，电子在高场内渡越时间较短，因此GaAs器件可以获得比Si更高的工作频率和放大增益，满足于快速发展的无线移动通信系统提出的高频率和高宽带的要求^[6]。

以GaAs为衬底的高电子迁移率晶体管(HEMT)由于具有很高的电子迁移率从而可以实现更高的截止频率，一直以来都是国内外的研究热点。HEMT是以改变异质结的2-DEG浓度来改变栅极电压从而控制管子的漏极电流，它应用在温度稳定的系统中时性能良好，但在温度有变化系统中应用时，HEMT器件的温度稳定性极差，从而导致管子的性能急剧下降。为了克服HEMT性能受温度影响的缺点，国内外越来越多的研究者投入对HEMT技术的研究探索中。现在，HEMT技术的发展大致分为两个方面：器件尺寸的减小，主要是栅长的减小和沟道中电子迁移率的提高。由于受到工艺的限制，很多管子的栅长已经接近栅长的极限值，因而，栅长的减小越来越困难，我们必须在提高沟道中电子迁移率上做出新的创新和探索。如今已经取得较大的突破，通过提高电子迁移率来降低寄生电阻对于器件的影响，从而提高器件的高频性能的更高性能和新型结构的器件逐渐取代了最初的HEMT技术。其中一项典型的新器件就是贋配型高电子迁移率晶体管(pHEMT)，赝配指的是器件沟道由铟浓度在20%到30%的InGaAs填充，铟浓度的加大可以加快沟道中的电子迁移率以及电子的有效移动速度，因而其晶格常数比其他层的晶格常数大很多，从而形成的沟道具有快速应变作用，能够快速适应温度的变化。在理想情况下，若是沟道层达到足够薄，应力可以被接受度进入晶体中而引入的缺陷为0，即沟道是赝配的。由于pHEMT在InGaAs沟道中的高电荷密度和饱和电子高迁移速度以及高频、高功率的优越性能，使其在军用卫星、航空、导弹、通信、微波毫米波和雷达等领域内获得了广泛的应用^[7]。

2.2 混频器基本工作原理

混频器是一个三端口器件，实质上相当于一个乘法器，它通过将两个信号在时域上相

乘来实现频谱的线性搬移，使信号从一个频率变换成另外一个我们所需要的频率。在实际电路设计中，我们一般利用器件的非线性来实现频率变换。在发射机中，混频器称为上变频混频器，一般在功率放大器前端，将基带信号经过上变频搬移到射频频率上，再对变频后信号功率放大通过发射天线辐射出去；在接收机中，混频器称为下变频混频器，一般在低噪声放大器后端，将接收的射频信号经过下变频搬移到中频信号，便于后级系统进行处理。本次设计为下变频混频器，其原理图如图2.1所示。

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