集成镜像抑制混频器的低噪放表贴器件电路设计

低成本、高性能的低噪放和混频器的集成应用在毫米波领域的使用范围越来越广泛。尤其是在10-22GHz这种拥挤的频段内，低成本组网在发展中国家逐渐出现。通过集成低噪放和镜像抑制混频器到一个芯片，器件成本通过消除传统混频器前的滤波器而下降。通过扩展集成方案的带宽和采用表贴封装形式，成本会进一步下降。

图1 10-22GHz前端模块封装

安华高科技发布了一款基于P-HEMT FET工艺5mm*5mm封装、集成低噪放和镜频抑制混频器的微波集成单芯片解决方案。这种方案采用了多级低噪放，自偏置3V直流电源供电，宽频段50ohm匹配，适用于简单的微波系统。镜频抑制混频器采用了平衡结构的电阻分布式低温沟道场效应晶体管网络，能够在宽频段和低插损下提供超过15dB的镜像频率抑制。这种集成贴片式封装结构在无线通信接收端能够提供良好的转换增益、低噪声系数、高线性度和易于应用。

这篇文章主要描述了集成低噪放和镜频抑制混频器微波芯片的设计和测试方法。

单片微波集成电路芯片的工艺和CAD工具

在这个单片微波集成电路芯片的设计中采用了6英寸晶圆和0.15微米的P-HEMT工艺。该器件的截止频率可达85GHz。晶圆选择高功率和低噪声互相平衡的材料。一种钛铂金化合物制成的栅极材料能够提供低输入阻抗和高可靠性。该工艺设计的最高漏极电压可达5.5V。单片微波集成电路工艺主要用于无源组件中，包括150ohm的体电阻、50ohm的薄膜电阻、0.39Ff/um2的MIM电容、27pH的背部过孔和传输线上的金属层。

制造工艺中包括微波集成电路晶圆的100%性能测试和确认。AVAGO的ADS软件中包括用于性能仿真和模拟测试的器件模型。

低噪声放大器的设计

低噪放由三个级联增益放大器组成。每一级放大器采用自偏置方式，直流偏置的状态由晶体管源极的电阻和旁路电容的偏置电阻决定。为了达到最好的噪声性能，第一级放大器的工作电流要选成饱和电流的15%，后两级放大器提供整个器件需要的增益。三级放大器需要两个3V的内部集成旁路电容和去耦电阻的直流偏置。

简单的原理图如下图2

图2 低噪放电路原理图

混频器的设计

混频器原理图如图3。镜像抑制混频器包含一对分布式混频器、本振端口耦合器、射频端口的同相位功分和芯片外部90度正交的中频端口。分布式混频器依靠两个6*33um的容性晶体管合并到串联感性微带形成的集总元件上。这种电路依靠分配一定比例的本振信号通过每个晶体管的栅极来工作。相似的效果同样发生在漏极的射频信号上。晶体管混频器的工作模式处于没有漏极电压的关断区。在偏置的条件下，每个晶体管混频器栅极上出现的集总效应会调节射频信号所在的漏极跨导，这种工作方式称为电阻式混频。为达成分布式混频器带内平坦特性，本振输入端的晶体管栅极电容采用串联方式来平衡每个晶体管的信号分布。中频信号进入晶体管漏极，为获得射频到中频和本振到中频间的隔离度需要外加低通滤波器和注意端口匹配。混频器通过90度正交的中频端口，能够获得镜像频率抑制的能力。镜像抑制混频器的PCB布板需要进行额外的关注来保证系统的镜像抑制度达到最大和易于生产装配测试。微波集成电路芯片的布板如下图4。

封装

器件封装设计成5*5mm表贴形式，通过高频信号在接地平面上传输来降低寄生效应。该器件采用RO4350作为PCB材料，适用于目前低成本的批量生产和测试。封装的输入和输出端口采用HFSS三维软件模拟输入输出上孔到微带过渡的效应来进行设计。输入和输出端口的设计能够保证40GHz频率内回波损耗超过15dB。微波集成电路主要体现了容性补偿，封装焊接的微带主要体现了感性补偿效应。微波集成电路芯片在自动化焊接机采用镶嵌方式进行生产装配。为达到最佳性能，需要在器件上方采用环氧树脂附着的方式形成空腔。最终，为了给客户提供最好的性能，微波频段的器件会进行100%的测试。

电路性能

微波集成电路芯片利用了安华高84000微波自动化测试系统测试性能。在测试中需要外加3V的Vdd供电和-1V的Vg供电，器件能够在非线性下达到最大的转换增益。器件的端口输入电平如下：本振信号电平10dBm，射频信号电平-25dBm。图6显示了中频90度正交的输入方式。图7显示了在中频1GHz和射频10GHz到22GHz条件下的转换增益测试曲线，结果表明转换增益和镜像抑制度的典型值是15dB。如果本振信号越高，转换增益会大于15dB。噪声系数的测试平均值是2.3dB，测试结果如图8。图9显示了射频和本振端口的回波损耗指标。低噪放和混频器前端模块的动态范围取决于射频信号的1dB压缩点和输入三阶互调。图10显示了在本振信号电平是10dBm条件下，输出1dB压缩点的平均值是-1.5dBm，输出三阶互调是8dBm。增加本振输入功率不仅会增加转化增益，而且会增加器件的线性度。

这篇文章主要讲述了10-22GHz集成低噪放和镜像抑制混频器的表贴器件。该器件在10-22GHz的频率内，噪声系数2.3dB，转换增益和镜像抑制达到15dB。微波集成电路芯片采用6英寸晶圆制造工艺，能够对采用分离晶体管器件设计起到显著的降成本效应。目前安华高科技主要发布了以下几个产品型号：AMMP-6522 7-22GHz LNA/IRM，AMMP-6532 20-33GHz LNA/IRM，AMMP-6542 37-43GHz LNA/IRM