The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication (한국인터넷방송통신학회논문지)

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Design of W-band Cascode Mixer with High Conversion Gain using 0.1-μm GaAs pHEMT Process

0.1-μm GaAs pHEMT 공정을 이용한 높은 변환이득을 가지는 W-대역 캐스코드 혼합기 설계

  • Received : 2018.10.15
  • Accepted : 2018.12.07
  • Published : 2018.12.31
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Abstract

In this paper, a high conversion gain cascode mixer was designed in W-band and verified by the fabrication and measurements. In the high frequency band such as a W-band, the conversion loss of a mixer is increased because of the poor performance of transistors. This high conversion loss of the mixer requires additional circuits which can give an extra gain such as an RF buffer amplifier, and this can affects the linearity and stability of the overall systems. Therefore, it is necessary to maximize the conversion gain of the mixer. To maximize the conversion gain of the mixer, biases of the transistor were optimized, and output load impedance was optimized by the load-pull simulations. The designed mixer was fabricated in $0.1-{\mu}m$ GaAs pHEMT technology and verified by the measurements. The measurement results shows a maximum conversion gain of -4.7 dB at W-band and an input 1-dB compression point of 2.5 dBm.

본 논문에서는 W-대역에서 동작하는 고이득 캐스코드 혼합기를 설계 및 제작하였다. W-대역과 같이 높은 주파수 대역에서는 소자의 성능저하로 인해 혼합기의 변환손실이 커지게 된다. 이는 송수신단 구성 시 RF 버퍼 증폭기와 같은 추가적인 이득을 줄 수 있는 회로의 추가로 이어지고 이는 시스템 전체의 선형성 및 안정성에 영향을 미친다. 따라서 혼합기 설계 시 변환이득을 최대화하는 설계가 필요하다. 본 논문에서는 혼합기의 변환이득을 최대화하는 것에 초점을 두고 높은 변환이득을 얻기 위해 혼합기의 바이어스를 최적화하였고, 로드-풀 시뮬레이션을 이용하여 출력 정합회로를 최적화하였다. 설계된 회로는 $0.1-{\mu}m$ GaAs pHEMT 공정을 이용하여 제작하였고, 측정을 통해 성능을 검증하였다. 제작된 회로는 W-대역에서 -4.7 dB의 최대 변환이득과 2.5 dBm의 입력 1-dB 감쇄 전력이 측정되었다.

Keywords

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그림 1. 설계된 캐스코드 혼합기 회로도 Fig. 1. Schematic of the designed cascode mixer

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그림 2. 캐스코드 FET의 I-V 특성 (Vgs2 에 따른 FET2의 동작 점 변화) Fig. 2. I-V characteristics of cascoded FETs (variation of bias point of FET2 according to Vgs2)

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그림 4. 설계된 혼합기의 시뮬레이션 결과: (a) RF 주파수에 따른 변환이득, (b) RF 전력에 따른 변환이득, (c) LO, RF 포트에서의 반사 손실 Fig. 4. Simulation results of the designed mixer: (a) conversion gain according to RF frequency, (b) conversion gain according to RF power, and (c) return losses at LO and RF ports

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그림 5. 제작된 혼합기의 사진 Fig. 5. The photograph of the fabricated cascode mixer

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그림 6. 혼합기의 측정셋업 Fig. 6. Measurement setup of the fabricated mixer

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그림 7. 제작된 혼합기의 측정결과: (a) RF 주파수에 따른 변환이득, (b) RF 전력에 따른 변환이득, (c) LO 전력에 따른 변환이득 Fig. 7. Measurement results of the fabricated mixer: (a) conversion gain according to RF frequency, (b) conversion gain according to RF power, and (c) conversion gain according to LO power

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그림 3. (a) 출력정합회로, (b) IF 주파수에서의 변환이득의 로드-풀 시뮬레이션(점선)와 정합회로의 출력임피던스(실선) Fig. 3. (a) Schematic of output matching network, (b) load-pull simulation of conversion gain (slotted lines) and output impedance of the designed output matching network (solid line) at IF

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