Breitbandmischer für 3 bis 20 GHz Mischen mit 0 dBm LO-Signal

Integrierter breitbandiger HF-/Mikrowellen-Mischer

Auf der Grundlage eines 3-Spulen-Baluns wurde ein doppelt symmetrischer, breitbandiger passiver Mischer im 0,18-μm-SiGe-Prozess von Jazz Semiconductor entwickelt. Die HF-, ZF- und LO-Anschlüsse des Mischers sind massebezogen, mit einer Impedanz von 50 Ω. Für die HF- und ZF-Anschlüsse wurden dafür Baluns integriert (Bild 4).

Der integrierte Balun am HF-Anschluss ist für den Frequenzbereich von 3 bis 20 GHz optimiert. Der integrierte Balun für den ZF-Anschluss dagegen ist auf einen sehr breiten Frequenzbereich von 500 MHz bis 9 GHz optimiert. Das massebezogene LO-Signal wird durch eine integrierte Verstärkerschaltung in ein differenzielles Signal umgesetzt, um die Chipgröße zu reduzieren.

Zweistufige Breitbandverstärker mit schnellen NPN-Transistoren liefern einen ausreichend hohen Signalspannungshub an die MOSFET-Gates des passiven Mischers bei einer Eingangsleistung von nur 0 dBm über den Frequenzbereich von 1 bis 20 GHz.

Der Mischer befindet sich in einem winzigen Flip-Chip-QFN-Gehäuse (Quad Flat No Leads) mit einer Grundfläche von 2 mm × 3 mm, wobei Zylinder aus Kupfer (Copper Pillars) für die Verbindungen verwendet werden. Die Kupferverbindung weist nur sehr geringe zusätzliche parasitäre Reaktanzen auf und sorgt somit dafür, dass die Breitbandigkeit des Siliziums nicht verloren geht. Der Mischer ist mit einer Versorgungsspannung von 3,3 V vorgespannt und nimmt bei Raumtemperatur 132 mA auf.

Die gemessenen Umsetzungsverluste und die Eingangs-Intercept-Points (IIP3) sind in den Bildern 5a - bezogen auf den HF-Eingang – und 5b - bezogen auf den ZF-Eingang – dargestellt [8]. Sie bestätigen, dass die HF-, LO- und ZF-Anschlüsse des Mischers über den weiten Betriebsfrequenzbereich des Mischers gut aufeinander abgestimmt sind.

Bilder 6a und 6b zeigen die Rückflussdämpfung (R) der Anschlüsse. Es ist zu beachten, dass die HF-Rückflussdämpfung von der Impedanz des ZF-Tors abhängig ist. Die Ergebnisse in Bild 6a wurden bei einer ZF-Frequenz von 0,9 GHz gemessen.
Im Vergleich zu anderen Breitbandmischern auf dem Markt (Tabelle) erreicht der Mischer mit den 3-Spulen-Baluns (LTC5553) die größte Bandbreite sowohl für den HF- als auch für den ZF-Bereich. Das Bauteil kommt mit der geringsten LO-Leistung aus und bietet die höchste Integrationsdichte. Die Leistungsdaten des Breitbandmischers insgesamt sind besser als bei allen anderen marktüblichen Produkten.

 
Literatur

[1] Costantini, A.; et al.: Broadband Active and Passive Balun Circuits: Functional Blocks for Modern Millimeter-Wave Radio Architectures. 2006 European Microwave Integrated Circuits Conference, 10.–13. September 2006, Konferenzband, S. 421–424.

[2] Chen, T. H.; et al.: Broadband Monolithic Passive Baluns and Monolithic Double-Balanced Mixer. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1991, H. 12, S. 1980–1986.

[3] Huang, C.-H.; Chen, C.-H. und Horng, T.-S.: Design of Integrated Planar Marchand Balun Using Physical Transformer Model.” 2009 Asia Pacific Microwave Conference, 7.–10. Dezember 2009, Konferenzband, S. 1004–1007.

[4] Tseng, S.-C.; et al.: Monolithic Broadband Gilbert Micromixer with an Integrated Marchand Balun Using Standard Silicon IC Process. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2006, H. 12, S. 4362–4371.

[5] Ruthroff, C.: Some Broadband Transformers. Proceedings of the IRE, 1959, H. 8, S. 1337–1342.

[6] Turrin, R. H.: Application of Broad-Band Balun Transformers. QST Amateur Radio, 1969, H. 4, S. 42–43.

[7] Yang, S.-L.; Bhatt, D. und Zheng, W.-P.: Miniature Low Cost Modular Assembly Package and Method of Assembly. U.S. Patent, Patent-Nr.: 6.133.525. 17. Oktober 2000.

[8] LTC5553 3GHz to 20GHz Microwave Mixer. Analog Devices, Datenblatt, 2017, www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/5553f.pdf.

[9] Wang, X.; Beckwith, W. und Schiltz, T.: Broadband integrated RF/microwave/millimeter mixer with integrated balun(s). U.S. Patent, Patent-Nr.: 9.312.815 B2, 12. April 2016.

 

Die Autoren

Xudong Wang

ist HF-/Mikrowellen-Entwicklungsingenieur bei Analog Devices in Colorado Springs, Colorado, USA. Er hat an der Northwestern Polytechnical University in Xi'an, Shaanxi, China, promoviert und verfügt über 29 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von HF-/Mikrowellenprodukten.

Wang hat über 50 Fachbeiträge in Zeitschriften und Konferenzbänden veröffentlicht und hält zwölf Patente in den USA und international.

xudong.wang@analog.com

 

Bill Beckwith

ist leitender HF-IC-Entwickler bei Analog Devices in Colorado Springs. Sein Hauptschwerpunkt seit 2017 liegt auf der Entwicklung von Mikrowellen- und Millimeterwellenverstärkern und -schaltern. Bevor er zu Analog Devices kam, arbeitete er bei Linear Technology in der Entwicklung von hochleistungsfähigen SiGe- und CMOS-Mischern. Davor arbeitete Beckwith bei Motorola und entwickelte GaAs-HF-Schalter, -Mischer, -Verstärker und passive Breitbandkomponenten.

Beckwith beendete 1984 mit dem Bachelor-Abschluss sein Elektrotechnikstudium am Georgia Institute of Technology, in Atlanta, Georgia, USA, und 1990 den Master-Studiengang in Elektrotechnik an der staatlichen Universität in Tempe, Arizona, USA.

bill.beckwith@analog.com

 

Tom Schiltz

ist HF-IC-Entwicklungsmanager bei Analog Devices in Colorado Springs, Colorado. Er hat einen Bachelor- und Master-Abschluss in Elektrotechnik der staatlichen Universität von Nebraska, USA, beziehungsweise der staatlichen Universität in Tempe, Arizona, USA.

Schiltz verfügt über 32 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von HF-/Mikrowellenprodukten, die von Transpondern für den Weltraum bis hin zu Mobilfunk-Transceivern reichen. Außerdem war er sieben Jahre lang Mitglied des ISSCC RF and Microwave Subcommittee des IEEE.

tom.schiltz@analog.com

 

Weston Sapia

ist leitender HF-Applikationsingenieur bei Analog Devices in Colorado Springs, Colorado. Er kommt von Linear Technology, wo er für alle HF-Mischer-ICs zuständig war. Seit Linear Technology Teil von Analog Devices ist, hat er hauptsächlich mit den kommenden Millimeterwellen-Bildgebungsprodukten gearbeitet.

Sapia schloss 2010 sein Studium an der staatlichen, polytechnischen Universität in San Luis Obispo, Kalifornien, USA, mit einem Bachelor of Science in Elektrotechnik mit Schwerpunkt auf die Bereiche Analog und HF ab.

weston.sapia@analog.com

 

Michael Bagwell

arbeitet bei Analog Devices als HF-IC-Entwicklungsingenieur in Colorado Springs, Colorado. Er studierte Elektrotechnik und Informatik (M. Sc.) am Georgia Institute of Technology in Atlanta, Georgia, USA, mit Spezialisierung auf HF- und Analog-Entwicklungen.

Bagwell ist seit über 20 Jahren in der Halbleiterindustrie tätig und entwickelt LNAs, Mischer, VCOs, Verstärker mit geringem Phasenrauschen und programmierbare Basisbandverstärker für Bluetooth, WLAN, GSM/Edge/WCDMA-Transceiver und andere Funkkommunikationssysteme sowie Kalibrierungsschaltungen und andere unterstützende Schaltungen.

michael.bagwell@analog.com