第四章 超寬頻正交相位混頻器設計
4.3 實作 UWB SiGe HBT Gilbert Down-Converter Utilizing a Wideband
(SiGe 0.35um)
4.3.1 研究動機
現今無線通訊中，以 IEEE 802.11a/b/g/n 為主的應用最為廣泛；
但 WLAN 的傳輸速率無法負荷高資料量的影音訊號，故 IEEE 802.15.3a 的 Ultra-Wideband (UWB) 系 統 被 提 出 ， 操 作 頻 率 從 3.1~10.6GHz，每個通道頻寬至少大於500MHz 以達到高資料傳輸速 率。
本實作利用前述 LR-CR 正交訊號產生器產生一組可應用在 3.1~10.6GHz 的正交訊號，並配合被動電路-馬爾尚巴倫 (Marchand Balun)完成一 I/Q 降頻混頻器。
4.3.2 電路設計
系統方塊圖如圖4.10所示，
圖4.10 UWB I/Q 降頻混頻器系統方塊圖
整體電路包含了前述的 LR-CR 正交訊號產生器，再將正交訊號利用 馬爾尚巴倫產生出四相位，最後交由微混頻器混頻得到正交訊號輸 出。
Vdd
RF
IF_I
LO+
LO-Vbias
LO Vdd
RF
IF_Q
LO+
LO-Vbias 2
Zin
Zin 2
Zin Quadrature Generator
圖4.11 UWB I/Q 降頻混頻器電路圖
利用前述方法，雖可將所需 R 值直接用後級電路的輸入阻抗代
Small Signal
Perfect Switching
(Large Signal) Saturation
Common Region
I Q
LO Power (dBm)
Conversion Gain (dB)
Common Region
I Q
LO Power (dBm)
Conversion Gain (dB)
Common Region
I Q
LO Power (dBm)
Conversion Gain (dB)
0.5 0
f = f
f = f0
2 0
f = f
The common flat region in bipolar is larger than that in MOS.
4
假設耦合係數(coupling coefficient)為 C，穿透係數(through coefficient) 為T，由定義分析配合等比級數可以得到[31]
2 4 6 8 10 12 14 16 18
dB(S(7,7))=-10.6923.300GHz m15 freq=
圖4.16為馬爾尚巴倫的模擬結果，可以看到 S11在3.3~14.9 GHz 內都 在-10dB 以下，且兩輸出相位差為182度左右。
4.3.3 晶片量測結果
Return Loss (dB)
Frequency (GHz)
Conversion Gain (dB)
LO Input Power (dBm)
RF= 3.96 GHz
-20 -10 0 10 20
Conversion Gain (dB)
LO Power (dBm)
3 dB
Conversion Gain (dB)
LO Power (dBm)
IF=150 MHz
Conversion Gain (dB)
LO Power (dBm)
4.5 dB
IF=150 MHz
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Conversion Gain (dB)
RF Frequency (GHz) P1dB
Phase Difference
Amplitude Difference (dB)
RF Frequency (GHz)
+2o IF=150 MHz
Amplitude Imbalance
Phase Difference (Degree)
圖4.22 兩輸出訊號振幅差異與相位差異對 RF 頻率
0.1 1 10 100 1000
Conversion Gain (dB)
IF Frequency (MHz) Conversion Gain
F1dB=500 MHz Double Sideband Noise Figure LO=7.128 GHz
Noise Figure (dB)
圖4.23 轉換增益與雜訊指數對 IF 頻率
LO Frequency (GHz) LO-to-IF Isolation LO-to-RF Isolation RF-to-IF Isolation
Fix RF=LO+150MHz
圖4.24 隔離度對 LO 頻率
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15
IF Output Power (dBm)
RF Input Power (dBm)
P1dB=-1.2 dBm
圖4.25 UWB I/Q 降頻器的線性度量測
圖4.26 兩輸出訊號波形
圖4.27 Die Photo
4.3.4 結果與討論
本電路採用 SiGe 製程，晶片照片如圖4.27所示：RF、LO 共用一 GSGSG pad，IF 也採用 GSGSG pad 來觀察 I/Q 訊號；四個 DC 分別 擺在四個角落，此晶片面積為0.95x1.05mm2。
圖 4.19 顯示了當 RF 分屬不同頻率時，LO 所需要注入的功率：
低頻時的增益約有4.5dB，而當 RF 為 10GHz 時得到約 0dB 的增益。
而圖 4.20 佐證了前述所說即使 RF 頻率不同，仍然能夠在 3-10GHz 之間找到一個可以共用的LO 注入功率，在此電路中，選擇 8dBm 為 LO 共用功率。
頻寬(3dB bandwidth)大約涵蓋 1~11GHz，而 P1dB與IIP3分別為-5dBm 以及-17dBm。
由於此實作是應用在 UWB 系統，且需要產生 I/Q 訊號以供後級 做 DSP 處理，圖 4.22 顯示了此實作在 RF 為不同頻率時，中頻兩輸 出的振幅差為1dB，而相位差大約都在 2°以內。從圖中也可以看到，
在RF=2GHz 時，輸出振幅差異忽然增大，這是因為此訊號已經脫離 Marchand balun 的頻寬之故。
UWB 系統所要求的中頻頻寬為 500MHz，圖 4.23 證明了此實作 可應用於此頻段，其中頻 1dB 頻寬為 500MHz 左右。而在雜訊指數 方面，由於此實作為 SiGe 製程，此元件的 flicker noise 大約在~kHz 等級，故對於整個中頻頻段所涵蓋的範圍微不足道，可以看到在 100MHz 以內，雜訊指數大多在 20dB 以下。
圖 4.24 為 RF、LO 以及 IF 三個埠之間的隔絕度：LO 到 RF 以及 LO 到 IF 都有 30dB 以上的隔絕度；RF 到 IF 的隔絕度較差，只有 22dB 左右，這是因為混頻器使用的是微混頻器，故RF 較易漏至 IF。
整體電路的線性度特性表現在圖4.25，當 RF 打入單調(one-tone) 功率，測得IP1dB為-1.2dBm；當 RF 打入雙調(two-tone)功率，測得 IIP3 為+12dBm。
輸出波形如圖4.26，I/Q 兩輸出振幅差為 0.1dB，而相位差為 89.63 度，是故更可佐證LR-CR 為一精準的 I/Q 產生器。
表4.1 UWB I/Q Downconverter mixer (SiGe 0.35um ) Summary
Item Measurement Supply Voltage (V) 3.3
Operation Frequency (GHz) 3.1-10.6 Conversion gain (dB) 4.5
P1dB (dBm) -1.2
IIP3 (dBm) 12
IF 1dB bandwidth (GHz) 0.5 IF 3dB bandwidth (GHz) 1.0 Quadrature phase frequency (GHz) 2.5-13
RF return loss (dB) < -10dB (~20GHz) LO return loss (dB) < -10dB
(1.6-13GHz) RF-to-IF isolation (dB) -25 LO-to-IF isolation (dB) -35 LO-to-RF isolation (dB) -30 Single Sideband Noise Figure (dB) 16 Power Consumption (mW) 29.29
Chip Size (mm x mm) 0.95 x 1.05
第五章
結論
本論文利用了 TSMC 0.18 um CMOS 製程實作與量測一應用在 WLAN 系統的雙頻帶鏡像消除接收機。由前述理論可知，第一鏡像 訊號是利用頻譜上的移頻動作，配合混頻器本身的低通濾波器頻率響 應將其濾除；而第二鏡像訊號則是利用多重相位濾波器的正頻可過、
負頻不可過之特性將其濾除。由量測結果可以發現，在中頻頻率上看 到第一鏡像訊號消除比率幾乎是平坦的，而第二鏡像消除比率則是與 多重相位濾波器的頻率響應雷同，此結果佐證了上述的理論。在雜訊 方面，由於此接收機前端設有一低雜訊放大器，故威福-哈特利降頻 器所產生的龐大雜訊被前級的低雜訊放大器所抑制住，故整個系統可 以得到低於 10dB 的雜訊。
除了 WLAN 系統，本論文也利用 TSMC 0.35 um SiGe BiCMOS 製程來實作並量測一應用在 UWB 系統的正交相位降頻器。LR-CR 正 交相位產生器為一新提出的正交相位產生方法，此產生器的優點即其 輸入阻抗便為下一級電路的輸入阻抗，故無需額外加電阻便能產生正 交訊號；此外，若 LR-CR 正交相位產生器後接的電路輸入阻抗為 50 歐姆，便能直接達到寬頻匹配。由於每一個吉伯特混頻器在 LO 處皆 須要差動訊號，且此實作是針對 UWB 做應用，故將 LR-CR 所產生 出的正交訊號分別接上馬爾尚巴倫的原因除了能夠產生四個相位之 外，也是要藉由馬爾尚巴倫的頻寬來選擇所需的頻率範圍。
第二章：
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