實作五，60GHz 次諧波鏡像消除混頻器結合本地振盪鏈

2.12.1 研究動機

對一個接收機來說，消除鏡像訊號是重要的，因為鏡像訊號干擾 也會被降頻至中頻而無法與我們要的訊號分開，因此一個能夠消除 鏡像訊號的混頻器是重要的。

近幾年來，陸陸續續有將九十度的分波器 lump 化以達到縮小晶 片大小的目的[21][22]，也有人將它們整合在 pHEMT 晶片中[4]，他 們更將整個系統移植到 mHEMT 製程上[5]，不過面積仍然是過大，

這次的專題的目的就是要將中頻的 lump 化巴倫整合到混頻器之中，

我們也實作模擬出的結果，整體的晶片大小比起目前所看到的別人 的研究算是相當小的，另外，由於傳統的 MS 傳輸線在覆晶封裝上損 耗較大[22]，為了整合在覆晶封裝系統中，晶片的高頻 pad 與傳輸線 形式我們採用 CPWG，這比起傳統一般的 MS 傳輸線形式來得寄生 效應小、損耗也比較小。

另外，整合度對毫米波晶片來說是很重要的，我們使用了次諧波 的架構來設計鏡像消除混頻器，這樣大幅減少了 LO 頻率的需求但我 們的 LO 頻率仍高達30GHz 左右，我們在此專題加入了 LO 的倍頻鏈 再將 LO 的頻率需求降至10GHz 以下，並且加入了一放大器來減少 LO 的功率需求。

2.12.2 電路設計

以下對實作五的電路架構作一個簡介：

CPW Wilkinson RF BPF

鏡像消除混頻器，我們採用 RF in-phase、LO 與 IF quadrature 的 方式，這是因為 Wilkinson Power divider 的平衡較九十度分波器來得 好。IF 的 hybrid 和 LO 輸入的 hybrid、混頻器輸入端的三倍 LO hybrid 是同一個，即實作四中所介紹的九十度分波器。

鏡像消除混頻器中兩個混頻器是一樣的，即實作二的反對稱二極 體混頻器，此處稍有不同的是，實作二的射頻輸入端濾波器我們設 計成共地共平面波導的形態，而此實作中我們由於鏡像消除架構的 原因而將 Wilkinson 功率分波器設計成共地共平面波導，而後的濾波 器仍是微帶線形態。

 本地振盪訊號鏈

LO 產生鏈的部分，與實作四中相同，不同的是在實作四中我們

的混頻器只有一個，而實作五中的哈特利鏡像消除混頻器需要 LO 去 推動兩組相同的混頻器，勢必輸出功率要實作四的 LO 功率大兩倍以 上才行，我們在 LO 鏈的放大器最後一級放大電晶體尺寸兩倍。

2.12.3 量測結果

10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Conversion Gain (dB)

LO Input Power (dBm) Conversion Gain

RF/LO/IF=60/9.133/5.2 GHz

圖 2. 79 轉換增益對本地震盪源功率。

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10

-25 -20 -15 -10

Conversion Gain (dB)

RF Input Power (dBm) Conversion Gain = -17dB IP1dB= 5dBm

RF/LO/IF=60/9.133/5.2 GHz

圖 2. 80 轉換增益對射頻功率。

56 60 64 68

Conversion Loss (dB)

RF Input Frequency (GHz) Conversion Loss

Image Rejection Ratio (dB)

Image Rejection Ratio IF Fixed at 5.2GHz

Conversion Loss (dB)

IF Frequency (GHz) Conversion Loss

Image Rejection Ratio

LO Fixed at 9.133GHz Image Rejection Ratio (dB)

8.8 9.2 9.6 10.0 10.4

LO Input Frequency (GHz) LOtoIF isolation 2LOtoIF isolation 3LOtoIF isolation

圖 2. 83 隔離度。

Output Main & IM3 (dBm)

RF Input Power (dBm) Main

IM3

RF= 60.01/59.99 GHz LO/IF=9.133/5.2 GHz IP1dB = 5dBm IIP3 = 15.2dBm

圖 2. 84 IIP3 量測。

圖 2. 85 晶片照。

2.12.4 結果與討論

在這次的實作中，由圖 2. 79。可以看出來，本地振盪功率鏈並沒 有很良好的推動次諧波鏡像消除混頻器，相較於實作四的接收機，本 實作的本地振盪功率鏈要推動兩路的混頻器才能有鏡像消除的功 能，所以此實 作所需要的本地功率應該較實作四大兩倍，並且還要加 上鏡像消除混頻器在本地訊號部分的九十度分合波器的損耗，儘管我 們已經將本地振盪鏈在最後一級放大器的電晶體大小放大了兩倍，但 所需功率也約為兩倍大，所以如實作四一樣出現了無法將混頻器推動 至飽和的情形。射頻的 3dB 頻寬約在 58.5-63.5GHz，如圖 2. 81，在 此頻寬的鏡像消除比率約在 10dB 以上，由圖 2. 82，我們可以看到中 頻相當的寬頻，以鏡像消除比率大於 10dB 來計算頻寬的話，大約有 3GHz，大於 WirelessHD 組織所訂定的 1.76GHz 頻寬，隔離度方面，

一倍 LO 至 IF 相當於兩倍 LO 至 IF，這是因為 LO 三倍頻器我們製作 平衡型態，並且由後級的三級回授放大器幫助壓抑一倍頻的 LO，使 其隔離度達到與兩倍 LO 隔離度相當的程度。

RF LO

IF

DC

表 2. 6 60 GHz 次諧波鏡像消除混頻器結合本地振盪鏈規格表。

60 GHz Image Rejection Mixer Combines With LO Multiplier Chain

(WIN 0.15um mHEMT)

Input Frequency 60 GHz

Conversion Gain -17.1 dB

IP1dB 5 dBm

IIP3 15.2 dBm

RF bandwidth 58.5-63.5 GHz

LO-to-IF

isolation > 60 dB

2LO-to-IF

isolation > 65 dB

3LO-to-IF

isolation > 20 dB

Vdd LO stage 1st, 2nd:3.8V LO stage 3rd:3.7V

Idd 58mA 31mA

Power

comsumption 335.1mW

Chip Size 3.5 mm x 2.2 mm