本論文所提出的寬頻混頻器，透過 CIC 提供的雜訊指數分析儀 “Aglient N8975A＂
進行混頻器雜訊指數之量測，由於本電路設計採取 on-wafer probe 量測，因此在量測 仍需架設探針台，將訊號導入至晶片。量測雜訊指數時，需先外接一台信號產生器 (signal generator)以提供 LO 訊號以對混頻器進行切換，並經由 NFA 經由 GPIB 介面控 制該 LO 訊號，並先進行 NFA 校正，再以如下接線方式進行量測，如圖 3.16。由於混頻 器為頻率轉換的元件，因此在進行 NFA 的校正動作時，除了本機校正(calibration)外，
仍須對 RF 頻率及 IF 頻率做損耗補償;在做本機校正時，一般來說應先確保 NF 的誤差在 +/-0.2 dB 以下，Gain 在 0.2 dB 以下。另外，在做損耗補償時，由於本電路為寬頻設 計，因此將以全頻段補償為主，並輔以 subtrate 測試片，將連接 DUT 與 NFA 的線路電 纜線等可能造成損耗的器材連接至 NFA 以及探針台上，當 RF 頻段(全頻段補償)及 IF 頻 段的損耗量測完後，分別帶入 NFA 中，則完成整體雜訊指數的校正。
校正設定
測量設定 雜訊源
雜訊源
圖 3.16 雜訊指數分析儀示意圖
在此我們以 IF=RF-LO 為 USB 量測，而量測方式一般來說以固定 IF，如圖 3.17，與固定 LO，如圖 3.18，兩種方式為主，由於本論文所設計的混頻器其 RF 為涵蓋整個超寬頻頻 段，因此我們以固定 IF 做為雜訊指數的考量:
A.固定 IF:設定需要的 IF 頻率，量測所設定的 RF 頻率範圍，則 NFA 提供外部 LO 同時掃 動頻率，而進行量測，示意圖如下
圖 3.17 固定 IF 測量
B.固定 LO:設定需要的 LO 頻率，設定螢幕欲觀察到的 IF 頻率範圍，則 NFA 自動提供 RF 掃頻而同時量測到 IF 的掃頻結果
圖 3.18 固定 LO 測量
透過以上的雜訊量測，可同時得到雜訊指數及轉換增益，一般來說，NFA 所量到的轉換 指數較用頻譜分析儀搭配 LABVIEW 量測準確度高，其原因稍後將詳述。
3.4.2 P1dB、IIP3 量測
正確量測 RFIC 的 P1dB 與 IIP3 在整個混頻器甚至整個 RFIC 電路系統中是相當重要 的。由於在高頻的量測中，線材與元件間的損耗必須仔細的考慮進來，因此在量測前必 須以儀器建構所有連接線如 Balun、纜線及 DC 阻隔等的頻率對損耗的參考表，待正式量 測時，帶入 LABVIEW 進行計算。詳細的 P1dB 量測示意如圖 3.19。在 DC 部分，由於 CIC 所提供的 DC Probe Card 在探針處有提供 bypass 大電容以避免輸出訊號在低頻發生振 盪，而造成量測的不準確性，因此在 DC 偏壓方面，本論文所提供的電路均以 DC probe 作為 DC 偏壓的考量。LO 部份由於需要兩相反信號對混頻器進行切換動作，因此需額外 增加 balun，然由於超寬頻的頻段涵蓋範圍相當廣，因此在量測轉換增益對頻率的相對 關係時，需更換不同 balun 以維持訊號能有正確的 180 度相位差。另外，由於本混頻器 設計 IF 為 100MHz，然而低頻外接 balun 在製作上有其困難，因而採取單端輸出，另一 端則掛以 50 歐姆 terminate。
GSG PROBE CARD
Agilent E8247C
-3 dB
Hybrid coupler
-3 dB
GSGSG probe card Agilent
E8247C
PGPPGP probe card GSGSG probe card Agilent E4407B Power
supply Power
supply
Power supply
Power supply
LO INPUT
RF INPUT
IF OUTPUT
圖 3.19 P1dB 測量示意圖
IIP3 即輸入三階截斷點，因此需使用兩個不同頻率的弦波信號，將其輸入至一非線性系
統中，使其在輸出端產生多項弦波信號，且其頻率值為兩輸入訊號頻率的和或差值，亦 稱為交互調變。因此在量測系統架設上，須以兩訊號產生器，產生兩相近的 RF 訊號，
並透過 Balun 將兩訊號結合，其量測示意如圖 3.20。因此其輸出端將出現如圖 3.21 的 多階調變項。
GSG PROBE CARD
Agilent E8247C
-3 dB
Hybrid coupler
-3 dB
GSGSG probe card wiltron
68347B
PGPPGP probe card GSGSG probe card Agilent
E4407B Power
supply Power
supply Power supply
Power supply
LO INPUT
RF INPUT
IF OUTPUT
-3 dB Hybrid coupler
-3 dB
Agilent E8247C
圖 3.20 IIP3 量測示意圖
(2fRF1-fRF2)-fLO
POUT
f
fRF1-fLO fRF2-fLO
(2fRF2-fRF1)-fLO
圖 3.11 IIP3 輸出頻譜示意圖
第四章
CMOS 寬頻降頻混頻器之實作
在本章節中，將提出多種不同的寬頻混頻器之架構，並加以設計，實作與量測。
4.1 簡介
由於不同的通訊系統所使用的頻率範圍並不相同，因此要實現一個適用多規格的接收 機其困難之處就在於如何去設計一個電路使其在所需應用的頻段範圍內都能有相同的 功能，若是因此而去設計多個功能相同但應用頻率不同的電路來符合多重規格或不同的 通訊系統，就成本來說算是某種程度的浪費且缺乏效率，有鑑於此，本論文將集中在設 計出適用於 1.5~2.5 GHz 之頻段範圍內皆可應用的降頻混頻器，以滿足在此頻段內的商 業應用如 GSM 及 WLAN 等，以及應用於目前最新的超寬頻(UWB)3.1~10.6 GHz 頻段之超寬 頻混頻器，此外，並以傳統之 Gilbert Cell 混頻器以 LC 匹配電路實作更寬頻的混頻器;
在量測部份透過國家晶片實驗中心(CIC)所提供的頻譜分析儀(Agilent E4407B)及雜訊 指數分析儀(Agilent N8975A)對寬頻混頻器之轉換增益及雜訊指數做一量測，並探討此 兩種不同之儀器在量測過程中所造成的誤差及其可能發生誤差的原因，最後，由於考慮 到量測環境以及改善功率消耗為前提下，設計出一個適用於 3.1~10.6 GHz 之超寬頻頻 段，並以 RF 輸入端及 LO 輸入端均為單端輸入用以避免在量測過程中需更換 Balun 所造 成的誤差，且 IF 端為單端輸出之降頻微混頻器。