一种频带可切换的宽带平面星型混频器的制作方法

本发明涉及微波毫米波混频器，特别是涉及一种频带可切换的宽带平面星型混频器。

背景技术：

平面星型混频器是一种双平衡混频结构。电路本身采用相互垂直的平面marchand巴伦，其高度对称的拓扑特点使电路具有高度隔离性能。通过优化巴伦奇偶模阻抗，可以达到较好的宽带特性。同时，该电路无功耗，且可承受高射频功率，在集成电路系统应用广泛。传统星型混频器，通常针对固定频带设计，一旦电路设计完成，不具有可调特性，因此不可进行工作频带的切换。

随着微波毫米波产业应用需求的迅速发展，微波毫米波电路与系统的功能越来越趋复杂，电性能指标要求越来越高，同时还要求电路尺寸尽可能小，并以此降低成本。其中，微波毫米波混频器作为微波毫米波电路系统中的核心变频器件，其性能特点很大程度上决定着系统的性能。毫米波频段具有宽带特性，且多通道复用技术因其波长短、易集成而更为广泛使用于提高数据吞吐量。基于此基础，宽带且频带可切换的混频器件成为满足这一系统内在需求的关键。

在以上主要应用背景中，多频带分布的特点显著。如果采用传统混频器作为系统变频方案，由于系统覆盖频段范围宽，为保证各频段带内性能良好，通常需要针对各频带设计专门的混频器以满足各频段性能要求。如果仅采用宽带混频器，一方面可能带宽覆盖达不到要求，另一方面宽带覆盖对于特定频率应用时没有良好的频率选择特性，容易引入干扰。因此，为了满足多通道多频带的应用需求，急需提出一种具有频率选择特性的且足够宽带的混频器。对于多通道多频带系统设计，一款宽带且频带可切换的混频器将大大简化系统复杂度，提高系统集成度，同时降低系统成本。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有技术中星型混频器不能切换工作频带问题，本发明的目的是提供一种频带可切换的宽带平面星型混频器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种频带可切换的宽带平面星型混频器，所述的混频器包括依次层叠的表面金属层、介质层和背面金属层，所述的表面金属层设有巴伦耦合线、本振输入网络、射频输入/输出网络、中频输出/输入网络，开关晶体管及二极管的上层金属部分、接地孔的上层金属部分，所述介质层包括接地孔和介质层上层晶体管的有源层，所述背面金属层为电路接地，通过接地孔与上层金属连接，所述的巴伦耦合线与晶体管的源极或漏极连接，所述晶体管的未连接的漏极或源极与接地孔连接，栅极与控制电压连接，所述晶体管作为开关管控制混频器工作频率的切换。

进一步的，所述的混频器在巴伦耦合线的外侧设有若干个晶体管控制电压，通过表面金属层连接到总开关控制的电压。

更进一步的，所述的表面金属层包括不同厚度的顶层金属组合设置；

所述的巴伦耦合线包括中心耦合线和侧边耦合线，所述的侧边耦合线末端由接地孔连接到背面金属；

所述的混频器的中频信号由中心星型环连接四个二极管抽取提出，射频信号和本振信号由其中两根中心耦合线输入或输出，通过微带线或匹配线连接到芯片及接口。

有益效果：本发明所提供的一种频带可切换的宽带平面星型混频器，通过在混频器的巴伦耦合线上通过表面金属层与晶体管的源极或漏极(也或者是集电极或发射极)，所述晶体管未与耦合线相连的漏极或源极(也或者是发射极或集电极)与电路的地相连，晶体管的栅极(或者是基极)与控制电压相连。调节这些晶体管的控制电压可以控制晶体管的通断，从而等效的可以改变巴伦耦合线的有效长度，进一步的实际上也就可以改变混频器的工作频段。同时，与传统不具备频带可选功能的星型混频器相比，并不额外增加电路尺寸，且电路变频损耗、隔离度等性能均没有明显恶化，提供一款混频器实现微波毫米波多通道多频段系统选频切换。

附图说明

图1为本发明所述混频器的结构图；

图2为四分之一巴伦线长度约为300微米的仿真结果图；

图3为四分之一巴伦线长度约为850微米的仿真结果图。

具体实施方式

为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

根据现有星型混频器的无法切换频带及其在应用上所带来的缺陷。本发明提供一种频带可切换的宽带平面星型混频器，其星型混频器的巴伦耦合线上通过表面金属层与晶体管的源极或漏极(也或者是集电极或发射极)，晶体管未与耦合线相连的漏极或源极(也或者是发射极或集电极)与电路的地相连，晶体管的栅极(或者是基极)与控制电压相连。调节这些晶体管的控制电压可以控制晶体管的通断，从而等效的可以改变巴伦耦合线的有效长度，进一步的实际上也就可以改变混频器的工作频段。

如图1所示，一种频带可切换的宽带平面星型混频器，包括从上往下依次层叠的表面金属层、介质层、背面金属层。表面金属层因集成电路工艺不同，或包括顶层厚金属层及若干薄金属层。利用不同厚度的金属层构造传统混频器中的巴伦耦合线对于巴伦的耦合度有较明显的影响。对于传统的侧边耦合，一般偏向于采用工艺的顶层厚金属进行设计，对于没有顶层厚金属的工艺也可以采用多层金属通过过孔合并的方法增加耦合度。对于本实施例，纵向和横向的巴伦耦合线1采用三五族工艺的表面两层金属叠加，其余走线可以用单层，也可以双层。对于硅基工艺，可以将表面顶层的若干层金属层作为耦合线和射频线、控制线进行走线，而底层的表面金属层如m1,m2等可以作为类似本发明中背面金属层，当作电路的地平面。

表层金属层上设有巴伦耦合线1，本振输入网络7，射频输入/输出网络8，中频输出/输入网络6，本振、射频、中频三个端口作为常规单端混频器的三个端口，一般根据前后级电路做适当匹配即可，本发明中对于这几个端口的适用能力较强。开关晶体管3及二极管2的上层金属部分，接地孔的上层金属部分。介质层中包括接地孔，以及介质层上层晶体管的有源层。背面金属层一般为工艺默认的背部金属层，用作电路的地，通过接地孔与上层金属连接。

具体的，表层金属所设巴伦长度根据实际工作频段确定。中心耦合线和侧边耦合线间距、宽度等参数也因工艺特点、工作频带、变频损耗等性能参数确定其最优值。

本实施例中，中心耦合线宽度为17微米，侧边耦合线宽度为7微米，耦合线之间的间距取本实施例工艺所允许的最小值为5微米，耦合线的长度经过仿真可以根据所需要工作的频段进行设计。对于图2的仿真结果，四分之一巴伦线长度约为300微米。对于更低的工作频段，如图3的仿真结果，四分之一巴伦线长度约为850微米。图2和图3分别给出了两种应用设计的变频损耗与频率的仿真结果。对于图2，混频器可以在u波段(40-60ghz)和e波段(60–90ghz)之间切换。对于图3，混频器可以针对当前热点的5g毫米波频段，在26ghz和39ghz频段之间进行切换。相比于纯宽带设计，当在其中一个频段工作时，对另一个频段更好的具有抑制效果。

两侧巴伦耦合线末端9由接地孔连接到背面金属。对于本实施例，在三五族工艺中，由于以背面金属层作为地平面，因此巴伦耦合线末端9接地实际由连接表面金属和背面金属的过孔实现。

在混频器中，中频信号由中心星型环连接四个二极管抽取提出，同时星型环根据工艺规则要求尽可能小。星型二极管环的布局根据具体工艺的设计规格，选取尽可能紧凑的布板设计，线与线之间，二极管与二极管之间的最小间距由工艺本身决定。紧凑的设计方案一方面，减小电路尺寸从而降低成本；另一方面，可以降低中频寄生电感，提高引出中频的带宽。

射频信号和本振信号由其中两根中心耦合线输入或输出，通过一段微带线或匹配线连接到芯片的pad处，pad作为芯片与外部电路(如pcb)连接的接口，如果作为芯片系统，单功能芯片之间的连接可以省去pad，直接通过匹配网络相连或其他接口。

巴伦耦合线的外侧耦合线连接到工艺提供的晶体管的源极(发射极)，或是漏极(集电极)。晶体管用作开关来切换工作频率，栅极(基极)经过一电阻4连接到统一的控制电压5。由于栅极(基极)几乎没有电流，电阻取值可以在几百-几千欧即可，主要是提高供电稳定性。为偏置电压馈电到芯片一般晶体管的未连接到耦合线的漏极(集电极)，或是源极(发射极)通过接地孔接地。晶体管与巴伦外侧耦合线连接的位置，位于耦合线的不同位置决定着开关导通时电路的工作状态。四段耦合线外侧的共计八个晶体管的控制电压，由表面金属层连接到总的开关控制电压。