實作一，60-GHz stacked-LO 次諧波升頻混波器(CMOS 0.13-μm)

3.3.1. 研究動機

60-GHz 的通訊規格即將被制定出來，其高資料傳輸率正是其吸

引人之處，但是至今尚未有成熟的產品出現。在此以CMOS 0.13-μm 製程，來實現一個適用於60-GHz發射機系統的升頻混波器。如果選 用fundamental的混頻器，則 LO要給60-GHz訊號，想得到高品質的

60-GHz 訊號，對振盪器以及驅動放大器的設計是一大挑戰，為了降

低對LO訊號的要求，選擇使用次諧波混頻器的方式來完成。

3.3.2. 電路設計

整體電路圖如圖(3.14)所示。

圖(3.14) 60-GHz stacked-LO次諧波升頻混波器整體電路圖

本電路大致上可以分成混頻器核心電路、LO 正交相位產生器及

輸出RF combiner 三個部份，各部份的說明如下。

(1) 混頻器核心電路

因為 30-GHz 的 LO power 不易取得，由 3.2.1 節的分析可知，

stacked-LO的所需要的LO power 會比leveled-LO小一點，所以選用 stacked-LO的架構。

(2) LO 正交相位產生器

以目前的量測設備來說，要產生 30-GHz的 LO 正交相位相當不 容易，所以會選擇在電路裡面實現一個正交相位產生器。由 3.2.2 節 的討論可知，使用四分之一波長耦合器，在微波頻段作正交相位產生 是不錯的選擇，因此本電路的LO正交相位產生器是使用四分之一波 長耦合器來完成。

因為四分之一波長耦合器，其特徵阻抗是決定 through port 和

coupled port 之正交相位準確性的關鍵，所以設計上要特別小心。本

電路實現的四分之一波長耦合器，希望能具有不錯的coupling，但是 由於design rule的限制，故使用broadside couple的形式。金屬層選

用metal 7 和metal 8，是由於這兩層之間的介電層較厚，以及這兩個

金屬層具有較小的 loss。因為頻寬的考量，coupling 也不可以過大，

所以會將metal 7 和metal 8 偏移1μm。金屬線的線寬選為4μm，並且 在下方鋪上 metal 1 作 ground plane[15]。此 coupler 的示意圖如圖 (3.15)。3D圖如圖(3.16)，模擬圖如圖(3.17)。

圖(3.15) 四分之一波長耦合器示意圖

圖(3.16) 四分之一波長耦合器3D圖

10 20 30 40 50

0 60

-20 -10

-30 0

freq, GHz

dB(S(2,1))

m6

dB(S(3,1))

m1 m6freq=

dB(S(2,1))=-5.39430.00GHz m1freq=

dB(S(3,1))=-3.16730.00GHz

圖(3.17) 四分之一波長耦合器模擬圖

(3) RF combiner

本電路所使用的 RF combiner是如同3.2.3 節所述的變壓器形式 巴倫，和電路相連接的方式如圖(3.18)所示。一圈金屬線的線長為 225μm，線寬皆為9μm，而且此巴倫下皆有鋪metal 1 作ground plane， 以減少loss並縮小面積。整體巴倫的面積為90μm

×

圖(3.18) 變壓器形式之巴倫3D圖

3.3.3. 晶片量測結果

圖(3.20) 轉換增益對 RF頻率

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

24 26 28 30 32 34 36

Output Return Loss (dB)

RF Frequency (GHz)

圖(3.26) 輸出返回損耗

圖(3.27) Die Photo (0.81mm × 0.87mm )

3.3.4. 結果與討論

本電路因為堆疊了四層電晶體，需要 2V的電壓才可操作。此外，

大約需要8dBm 的LO power，轉換增益約為-3dB。IP1dB為-15dBm， IIP3 為-3dBm。RF 頻寬目前由於量測架設問題，因此只量到 V-band

的 data，約為 50GHz-70GHz，相當的寬頻。輸出返回損耗的頻寬大

約是41GHz-62.5GHz，較預期小一點。IF頻率在3GHz附近，轉換增 益也沒掉下去，可見IF頻寬也相當的寬。

實作的結果和模擬算是相當的接近，可以發現此巴倫確實具有寬

頻combine的效果，而且因為線長很短，所以 loss小，又節省面積。

整體電路特性的整理如表3. 1。

表3. 1 60-GHz stacked-LO次諧波升頻混波器整體特性表

Item Post Simulation Measurement

Supply Voltage (V) 2

Conversion Gain (dB) 0 -3

RF Bandwidth (GHz) 32-66 (<50)-70

IF Bandwidth (GHz) 3.1 ~3

IP1dB (dBm) -12 -15

Output Return Loss (dB) <-10

(42GHz~69GHz)

<-10

(41GHz~62.5GHz)

Current Consumption (mA) 10.7 14

Power Consumption (mW) 21.4 28

Chip Size (mm×mm) 0.81 × 0.87

和其他文獻的比較如表3. 2。

表3. 2 升頻混波器之文獻比較表

[17] Passive/FET

mixer - - 0 -14± 1 N/A >15 N/A 50-70 0 0.15-μm InGaP/In GaAs pHEMT

[18] Passive/FET

mixer - - 7 -9± 1 N/A >9.8 N/A 62-66 0 GaAs

[20] Passive/FET

mixer - - 1.5 -6~-12 N/A >30 N/A 30-50 0 0.14-μm pHEMT

[21] Passive/Sub

/Diode mixer - - 12 -10 -16 N/A 8-20 43-46 0 0.18-μm pHEMT

[22] Active - - 0 2.5± 2.

5 -7 30 N/A 12-27 9.8 0.25-μm 3D SiBJT

[23] Passive/Sub

/Diode mixer - - 8 -12.9±

DF=differential, DB=double-balanced, SB=single-balanced, CT=current steering