第二章 應用於 60 GHz 覆晶封裝系統毫米波接收機之分析與設計
2.13 實作六，60GHz 次諧波鏡像訊號消除接收機
低雜訊放大器
三級串接的低雜訊放大器，其前兩級我們採用源極退化電感來降 低雜訊並且增加輸入頻寬，而第三級採用共源極放大器架構，源極退 化電感的選擇如下，考慮：
Z
INLg
Gate
Cgs G Vm gs
Ls
Source
Drain
Vgs
( )a ( )b
在高頻時，一段傳輸線就是一個電感，我們要令輸入可匹配到 50Ω，輸入阻抗Zin可表示成：
( )
in T s g s
gs
Z w L jw L L j
= + + −wC (2.63) 我們由之前所討論的去嵌化方法得到 S 矩陣後可換算得出 H 矩 陣，進而得知wT，再利用電磁模擬軟體來得出實際 layout 的源極電 感。
2.13.3 量測結果
Conversion Gain (dB)
LO Input Power (dBm) Conversion Gain
RF/LO/IF=60/9.133/5.2 GHz
Conversion Gain (dB)
RF Input Power (dBm) Conversion Gain = 8.23dB IP1dB= -21dBm
RF/LO/IF=60/9.133/5.2 GHz
圖 2. 87 轉換增益對射頻訊號輸入功率。
55.0 57.5 60.0 62.5 65.0 67.5
RF Input Frequency (GHz)
-15
Image Rejection Ratio IF Fixed at 5.2GHz
Image Rejection Ratio (dB)
圖 2. 88 轉換增益對射頻訊號輸入頻寬。(固定中頻 5.2GHz)
55.0 57.5 60.0 62.5 65.0 67.5
-10
RF Input Frequency (GHz)
CG
Image Rejection Ratio
IF Fixed at 4.2GHz Image Rejection Ratio (dB)
圖 2. 89 轉換增益對射頻訊號輸入頻寬。(固定中頻 4.2GHz)
-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10
Output Main & IM3 (dB)
RF Input Power (dBm)
Main
LO Input Frequency (GHz) LOtoIF isolation 2LOtoIF isolation 3LOtoIF isolation
圖 2. 91 隔離度。
另外根據商業組織 WirelessHD 所定出的 1.0 標準，我們也依據這 標準而進行量測，其射頻頻譜的規畫如下：
圖 2. 92 WiHD 1.0 頻譜規畫。
我們將訊號降至 1.7GHz~3.7GHz，約 2GHz 的頻寬，藉由切換本 地訊號的頻率來選擇不同的資料通道，測量如下：
Channel I：
0.0 0.8 1.6 2.4 3.2 4.0 4.8 5.6 6.4 7.2 8.0 -10
-5 0 5 10 15
CG & SSB NF (dB)
IF Frequency (GHz)
CG SSB NF
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Image Rejection Ratio LO Fixed at 9.3 GHz
Image Rejection Ratio (dB)
圖 2. 93 通道 I 的轉換增益、雜訊指數與鏡像消除率。
-40 -35 -30 -25 -20 -15 0
5 10 15
Conversion Gain (dB)
RF Input Power (dBm)
Gain=10dB IP1dB= -23dBm RF=58.32 GHz Channel I
圖 2. 94 通道 I 的轉換增益對射頻輸入功率。
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
Output Main & IM3 (dBm)
RF Input Power (dBm)
Main IM3 IP1dB= -23dBm IIP3= -14.5dBm RF=58.31/58.33GHz
圖 2. 95 通道 I 的 IIP3 量測。
Channel II：
IF Frequency (GHz)
CG
Image Rejection Ratio LO Fixed at 9.633 GHz
Image Rejection Ratio (dB)
圖 2. 96 通道 II 的轉換增益、雜訊指數與鏡像消除率。
Conversion Gain (dB)
RF Input Power (dBm)
Gain=8.4dB IP1dB= -23dBm RF=60.48 GHz Channel II
圖 2. 97 通道 II 的轉換增益對射頻輸入功率。
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10
Output Main & IM3 (dBm)
RF Input Power (dBm)
Main
Channel III：
0.0 0.8 1.6 2.4 3.2 4.0 4.8 5.6 6.4 7.2 8.0
IF Frequency (GHz)
-10
Image Rejection Ratio LO Fixed at 9.966 GHz
Image Rejection Ratio (dB)
圖 2. 99 通道 III 的轉換增益、雜訊指數與鏡像消除率。
-40 -35 -30 -25 -20 -15
Conversion Gain (dB)
RF Input Power (dBm)
Gain=5dB
Output Main & IM3 (dBm)
RF Input Power (dBm)
Main
2.13.4 結果與討論
在此實作中，我們將低雜訊放大器加入鏡像消除混頻器前端，由 於面積考量我們的本地振盪鏈不採用平衡式架構，也就是只利用單一 級三倍頻器後方的放大器來達到帶通的效果。由圖 2. 86，本實作的 本地訊號功率有將鏡像混頻器推至飽和，但輸入的本地訊號功率仍較 設計時來的大是因為三級的回授放大器是採用小訊號參數設計而不 是大訊號模型來設計。圖 2. 87 和圖 2. 80 顯示了此接收機的線性度考 量被放大器而不是混頻器限制住。圖 2. 88、圖 2. 89 為固定不同的中 頻來對射頻輸入頻寬作圖，當中頻為 5.2GHz 時射頻的頻寬最寬，這 是我們設計時定的中頻頻率，但此時的雜訊指數不理想。當中頻是 4.2GHz 時鏡像消除率達到最高，可見被動部分包含傳輸線等等仍有 相當大的誤差，鏡像消除的峰值由我們設計的 5.2GHz 偏移至
4.2GHz。圖 2. 92 的標準將 57~66GHz 大略分為四個通道，以我們的 實作來說降頻至 1.7~3.7GHz 來說是量測最好的結果，圖 2. 93 到圖 2.
101 我們分別針對三個通道來量測增益、雜訊指數、鏡像消除率、以 及線性度，第二個通道的增益較第一個通道低約 1dB，第三個通道又 較前兩個通道增益少約 3dB，整體而言三個通道的鏡像消除率都大於 10dB，通道二的鏡像消除率更大於 13.7dB，雜訊指數方面三個通道 均小於 7.5dB，通道一的雜訊指數更小於 4.6dB，通道一二的輸入 1dB 壓縮點與線性度相仿，唯通道三的線性度較差這是來自於前級放大器 的效能在高頻時變差。
表 2. 7 60 GHz 接收機規格表。
60 GHz RX
(WIN 0.15m mHEMT)
Input Frequency 60 GHz
Conversion Gain 8.23 dB
IP1dB -21 dBm
IIP3 -16.5dBm
RF bandwidth 57~64 GHz
LO-to-IF
isolation > 58 dB
2LO-to-IF
isolation > 46 dB
3LO-to-IF
isolation > 10 dB
Noise Figure < 7.5dB
Vdd LO stage 1st,2nd:3.5V
LO stage 3rd:3.8V
RF stage 1st,2nd:3.3V
RF stage 3rd:2.3V
Idd 38.75 mA 34.14 mA 65 mA 28.9 mA
Power
comsumption 550 mW
Chip Size 4.3mm x 2.4mm
表 2. 8 三個通道的規格比較。
60 GHz Receiver
(WIN 0.15um mHEMT)
Channel Index Channel 1 Channel 2 Channel 3
Channel Frequency 57.24~59.4 GHz 59.4~61.56 GHz 62.56~63.72 GHz
LO Input Frequency 9.3 GHz 9.633 GHz 9.966 GHz
Conversion Gain 7.7~10dB 6.53~9.08dB 1.77~5.98dB
Image Rejection Ratio > 10.6 dB >13.7dB >10.1dB
Noise Figure < 4.6 dB < 7.18 dB < 7.5 dB
IP1dB -23dBm -23dBm -26dBm
IIP3 -14.5dBm -14.8dBm -16dBm
LO-to-IF isolation > 58 dB
2LO-to-IF isolation > 46 dB
3LO-to-IF isolation > 10 dB
Power comsumption 550mW
Chip Size 4.3 mm x 2.4 mm
第三章
結論
本論文第二章即是論文主軸，我們用 PHEMT 與 MHEMT 0.15μ m gate length 的技術實作 60GHz 的接收端電路，我們總共做了六個電 路，實作一的次諧波 x4 的混頻器我們用 ms 的傳輸線來實作，並透過 覆晶封裝後的比較我們發現如[23]的結果，ms 的傳輸線形式的確不利 於覆晶封裝系統，此實作的混頻器覆晶封裝前後轉換增益相差了約 4~5dB 左右，實作二的次諧波 x2 混頻器我們在高頻的部份用 cpwg 的傳輸線形式來實作，覆晶封裝前後的混頻器特性可以說是影響非常 小，實作一和實作二的相對照也驗證了[24]的論點，我們只需要把晶 片內部高頻的部份設計成 CPWG 傳輸線形式，此舉可以相容於覆晶 封裝系統；晶片其他較低頻的部分我們用 MS 的傳輸線形式來設計可 以減少晶片面積，最簡單的理由是 MS 傳輸線較好曲折。我們一步步 的確立系統各個區塊能工作良好，實作三我們將放大器結合了混頻 器，此放大器是為了降低雜訊指數與提供增益，設計放大器最重要的 是電晶體的小訊號參數，我們利用穩懋提供的 s 參數由 50GHz 外差 至 60GHz 來設計，由於此頻率大約是 kink effect 發生的位置所以放大 器的 peak 有些微的偏離，不過整體上來說增益和雜訊指數都算可以 接受。實作四我們在實作三的基礎上加入了 LO 鏈，目的是為了降低 混頻器的 LO 需求，LO 鏈的最後一級其輸出功率達到飽和以致於無 法良好的推動次諧波混頻器以致於其轉換損耗較大，不過我們可以透 過低雜訊放大器的增益來彌補增益的損耗。實作五、實作六中，我們 採用了 WIN 0.15μm 的製程技術，我們從 S 參數出發做初步的接收 機設計，我們使用了軟體幫助的去箝化方法來去除測試鍵 pad 的效 應，以此得到的 S 參數來 60GHz 低雜訊放大器的設計與 30GHz 放大 器來推動鏡像消除混頻器，在 RF 的輸入端也採用 CPWG 型態的傳輸
線來與覆晶封裝相容，我們設計出了在 60GHz 的接收機，其增益大 約 8dB，鏡像消除比率大於 10dB，雜訊指數約 7.5dB 以下，並且我 們也針對商業化的標準進行量測，我們成功的設計了一個面積較現有 文獻小、雜訊低、整合度相當高的一個毫米波接收機。
第二章：
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