71 GHz - 76 GHz E波段I/Q上變頻器HMC8118：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子工程領(lǐng)域，對(duì)于高頻通信和測(cè)試測(cè)量等應(yīng)用，高性能的上變頻器是關(guān)鍵組件之一。今天我們來(lái)深入了解一款71 GHz至76 GHz的E波段I/Q上變頻器——HMC8118，探討它的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)過(guò)程中的要點(diǎn)。

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一、HMC8118概述

HMC8118是一款集成的E波段砷化鎵（GaAs）單片微波集成電路（MMIC）I/Q上變頻器芯片，工作頻率范圍為71 GHz至76 GHz。它具有一系列出色的性能指標(biāo)，為E波段通信系統(tǒng)、高容量無(wú)線回傳以及測(cè)試測(cè)量等應(yīng)用提供了可靠的解決方案。

主要特性

• 低轉(zhuǎn)換損耗：典型轉(zhuǎn)換損耗為11 dB，這意味著在信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中損失較小，能有效提高信號(hào)的傳輸效率。
• 高邊帶抑制：典型邊帶抑制達(dá)到33 dBc，可減少邊帶信號(hào)的干擾，提高信號(hào)的純度。
• 高輸入功率處理能力：1 dB壓縮點(diǎn)輸入功率（P1dB）典型值為14 dBm，輸入三階截點(diǎn)（IP3）典型值為22 dBm，輸入二階截點(diǎn)（IP2）典型值為 -5 dBm，能夠處理較高功率的輸入信號(hào)。
• 低本振泄漏：在RFOUT端口的6倍本振（LO）泄漏典型值為 -27 dBm，可降低本振信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)的干擾。
• 良好的回波損耗：RF回波損耗典型值為6 dB，LO回波損耗典型值為18 dB，IF回波損耗典型值為25 dB，有助于提高信號(hào)的匹配度和傳輸質(zhì)量。
• 小尺寸：芯片尺寸為3.601 mm × 1.609 mm × 0.05 mm，適合集成到小型化的系統(tǒng)中。

二、性能指標(biāo)詳解

工作條件

• 頻率范圍：RF頻率范圍為71 - 76 GHz，LO頻率范圍為11.83 - 14.33 GHz，IF頻率范圍為0 - 10 GHz，LO驅(qū)動(dòng)范圍為2 - 8 dBm。這些頻率范圍的設(shè)定使得HMC8118能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

  性能參數(shù)

  參數(shù)	測(cè)試條件/注釋	最小值	典型值	最大值	單位
  轉(zhuǎn)換損耗			11	13	dB
  邊帶抑制		33			dBc
  1 dB壓縮點(diǎn)輸入功率（P1dB）			14		dBm
  輸入三階截點(diǎn)（IP3）			22		dBm
  輸入二階截點(diǎn)（IP2）			-5		dBm
  6× LO泄漏（RFOUT）		-27		-19	dBm
  RF回波損耗	直接探測(cè)RF端口	6			dB
  LO回波損耗		18			dB
  IF回波損耗		25			dB

  電源參數(shù)

  在LO驅(qū)動(dòng)下，供電電流 (I{DAMP1}) 為175 mA，(I{DMULT}) 為80 mA。需要注意的是，要通過(guò)調(diào)整 (V{GAMP}) 從 -2 V到0 V來(lái)實(shí)現(xiàn)總靜態(tài)電流 (I{DAMP}=I{DAMP1}+I{DAMP2}=175 mA)；調(diào)整 (V{GX2}) 和 (V{GX3}) 從 -2 V到0 V來(lái)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)電流 (I_{DMULT}=1 - 2 mA)。

絕對(duì)最大額定值

為了確保芯片的安全和可靠性，需要了解其絕對(duì)最大額定值。例如，漏極偏置電壓 (V{DAMP1})、(V{DAMP2}) 最大為4.5 V，(V{DMULT}) 最大為3 V；柵極偏置電壓 (V{GAMP})、(V{GX2})、(V{GX3})、(V_{GMIX}) 范圍為 -3 V到0 V；LO輸入功率最大為10 dBm；最大結(jié)溫為175°C；存儲(chǔ)溫度范圍為 -65°C到 +150°C；工作溫度范圍為 -55°C到 +85°C；ESD敏感度（人體模型）為100 V（0類）。超過(guò)這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致芯片永久性損壞。

三、引腳配置與功能

HMC8118共有24個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有特定的功能。例如，IFQP、IFQN為IF Q輸入的正負(fù)端，IFIN、IFIP為IF I輸入的正負(fù)端，這些引腳為直流耦合，當(dāng)不需要直流工作時(shí)，可通過(guò)串聯(lián)電容進(jìn)行外部阻斷；VGMIX為FET混頻器的柵極電壓；VDAMP1、VDAMP2為第一和第二級(jí)LO放大器的電源電壓；VDMULT為乘法器的電源電壓等。了解這些引腳的功能對(duì)于正確使用芯片至關(guān)重要。

四、典型性能特性

文檔中給出了不同中頻（IF）和邊帶選擇下的典型性能特性曲線，包括轉(zhuǎn)換增益、邊帶抑制、輸入截點(diǎn)、LO泄漏等隨RF頻率、溫度和LO功率的變化情況。例如，在不同溫度和LO功率下，轉(zhuǎn)換增益、邊帶抑制等性能指標(biāo)會(huì)有所變化。這些曲線可以幫助工程師在實(shí)際應(yīng)用中更好地評(píng)估芯片的性能，并進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

五、工作原理

HMC8118采用了集成的LO緩沖器和6倍乘法器。6倍乘法器允許使用較低頻率范圍的LO輸入信號(hào)（通常在11.83 GHz至14.33 GHz之間），通過(guò)級(jí)聯(lián)3倍和2倍乘法器實(shí)現(xiàn)。芯片上包含LO緩沖放大器，只需2 dBm的典型LO驅(qū)動(dòng)電平即可實(shí)現(xiàn)全性能。LO路徑經(jīng)過(guò)正交分路器和片上巴倫，驅(qū)動(dòng)I和Q混頻器核心。混頻器核心采用單平衡無(wú)源混頻器，I和Q混頻器的RF輸出通過(guò)片上威爾金森功率合成器求和，并進(jìn)行電抗匹配，在RFOUT引腳提供單端50 Ω輸出信號(hào)。

六、應(yīng)用信息

偏置序列

由于HMC8118在LO信號(hào)路徑中使用了多個(gè)放大器和乘法器階段，且這些有源階段都使用耗盡型贗配高電子遷移率晶體管（pHEMTs），因此需要遵循特定的上電偏置序列：

1. 給 (V{GAMP})、(V{GX2}) 和 (V_{GX3}) 施加 -2 V偏置。
2. 給 (V_{GMIX}) 施加 -1 V偏置。
3. 給 (V{DAMP1}) 和 (V{DAMP2}) 施加4 V，給 (V_{DMULT}) 施加1.5 V。
4. 調(diào)整 (V{GAMP}) 在 -2 V到0 V之間，使總放大器漏極電流（(I{DAMP1}+I_{DAMP2})）達(dá)到175 mA。
5. 施加LO輸入信號(hào)，調(diào)整 (V{GX2}) 和 (V{GX3}) 在 -2 V到0 V之間，使 (V_{DMULT}) 上的漏極電流達(dá)到80 mA。 下電時(shí)則按相反順序操作。

單邊帶上變頻

對(duì)于單邊帶上變頻應(yīng)用，需要使用外部90°混合器將IF信號(hào)分成正交項(xiàng)，然后通過(guò)180°混合器或巴倫將差分信號(hào)傳輸?shù)絀和Q輸入對(duì)?？梢允褂每蛇x的偏置 tee 網(wǎng)絡(luò)在IFIP、IFIN、IFQP和IFQN輸入引腳上施加小的直流偏移，以改善6× LO到RF的泄漏，但要注意限制施加的直流偏置電流不超過(guò) ±3 mA。

零中頻直接轉(zhuǎn)換

在零中頻直接轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，同樣可以使用可選的偏置 tee 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行額外的LO抑制校正。當(dāng)省略偏置 tee 配置時(shí)，必須將IFIP、IFIN、IFQP和IFQN引腳交流耦合到DAC輸出，以避免因共模電壓不匹配導(dǎo)致的RF性能下降和設(shè)備損壞。

七、裝配與處理

安裝與鍵合技術(shù)

• 芯片安裝：可以將芯片直接共晶或使用導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂連接到接地平面。推薦使用80%/20%的金/錫預(yù)成型件進(jìn)行共晶芯片連接，工作表面溫度為255°C，工具溫度為265°C，使用90%/10%的氮?dú)?氫氣熱氣體時(shí)，工具尖端溫度保持在290°C，且芯片暴露在高于320°C的溫度下不超過(guò)20秒，連接時(shí)擦洗時(shí)間不超過(guò)3秒；也可以使用ABLEBOND 84 - 1LMIT導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行芯片連接，涂抹適量的環(huán)氧樹(shù)脂，使其在芯片放置到位后在周邊形成薄的環(huán)氧樹(shù)脂圓角，并按照制造商提供的時(shí)間表進(jìn)行固化。
• 鍵合：RF端口推薦使用0.003 in. × 0.0005 in. 的金帶進(jìn)行鍵合，IF和LO端口推薦使用0.025 mm（1 mil）直徑的金線進(jìn)行楔形鍵合，DC鍵合推薦使用0.001 in.（0.025 mm）直徑的金線，鍵合時(shí)要采用熱超聲鍵合，施加適當(dāng)?shù)牧湍芰?，保持鍵合長(zhǎng)度小于12 mil（0.31 mm）。

處理注意事項(xiàng)

為避免芯片受到永久性損壞，在存儲(chǔ)、清潔、靜電防護(hù)、瞬態(tài)抑制和一般處理方面都需要采取相應(yīng)的預(yù)防措施。例如，裸芯片應(yīng)存儲(chǔ)在防靜電容器中，打開(kāi)密封袋后要存放在干燥的氮?dú)猸h(huán)境中；要在清潔的環(huán)境中處理芯片，避免使用液體清潔系統(tǒng)；遵循ESD預(yù)防措施，防止超過(guò) ±100 V的ESD沖擊；在施加偏置時(shí)要抑制儀器和偏置電源的瞬態(tài)，使用屏蔽信號(hào)和偏置電纜；只能通過(guò)邊緣使用真空夾頭或彎曲的鑷子處理芯片，避免觸摸芯片表面。

八、總結(jié)

HMC8118作為一款高性能的E波段I/Q上變頻器，具有出色的性能指標(biāo)和豐富的應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要充分了解其特性、性能指標(biāo)、引腳功能、工作原理以及應(yīng)用信息，嚴(yán)格遵循偏置序列和裝配處理要求，以確保芯片能夠穩(wěn)定、可靠地工作。同時(shí)，通過(guò)參考文檔中的典型性能特性曲線，可以更好地優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足不同應(yīng)用的需求。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似芯片的使用問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。