71 GHz - 76 GHz E波段I/Q上变频器HMC8118：特性、应用与设计要点

在电子工程领域，对于高频通信和测试测量等应用，高性能的上变频器是关键组件之一。今天我们来深入了解一款71 GHz至76 GHz的E波段I/Q上变频器——HMC8118，探讨它的特性、应用以及设计过程中的要点。

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一、HMC8118概述

HMC8118是一款集成的E波段砷化镓（GaAs）单片微波集成电路（MMIC）I/Q上变频器芯片，工作频率范围为71 GHz至76 GHz。它具有一系列出色的性能指标，为E波段通信系统、高容量无线回传以及测试测量等应用提供了可靠的解决方案。

主要特性

• 低转换损耗：典型转换损耗为11 dB，这意味着在信号转换过程中损失较小，能有效提高信号的传输效率。
• 高边带抑制：典型边带抑制达到33 dBc，可减少边带信号的干扰，提高信号的纯度。
• 高输入功率处理能力：1 dB压缩点输入功率（P1dB）典型值为14 dBm，输入三阶截点（IP3）典型值为22 dBm，输入二阶截点（IP2）典型值为 -5 dBm，能够处理较高功率的输入信号。
• 低本振泄漏：在RFOUT端口的6倍本振（LO）泄漏典型值为 -27 dBm，可降低本振信号对输出信号的干扰。
• 良好的回波损耗：RF回波损耗典型值为6 dB，LO回波损耗典型值为18 dB，IF回波损耗典型值为25 dB，有助于提高信号的匹配度和传输质量。
• 小尺寸：芯片尺寸为3.601 mm × 1.609 mm × 0.05 mm，适合集成到小型化的系统中。

二、性能指标详解

工作条件

• 频率范围：RF频率范围为71 - 76 GHz，LO频率范围为11.83 - 14.33 GHz，IF频率范围为0 - 10 GHz，LO驱动范围为2 - 8 dBm。这些频率范围的设定使得HMC8118能够适应不同的应用场景。

  性能参数

  参数	测试条件/注释	最小值	典型值	最大值	单位
  转换损耗			11	13	dB
  边带抑制		33			dBc
  1 dB压缩点输入功率（P1dB）			14		dBm
  输入三阶截点（IP3）			22		dBm
  输入二阶截点（IP2）			-5		dBm
  6× LO泄漏（RFOUT）		-27		-19	dBm
  RF回波损耗	直接探测RF端口	6			dB
  LO回波损耗		18			dB
  IF回波损耗		25			dB

  电源参数

  在LO驱动下，供电电流 (I{DAMP1}) 为175 mA，(I{DMULT}) 为80 mA。需要注意的是，要通过调整 (V{GAMP}) 从 -2 V到0 V来实现总静态电流 (I{DAMP}=I{DAMP1}+I{DAMP2}=175 mA)；调整 (V{GX2}) 和 (V{GX3}) 从 -2 V到0 V来实现静态电流 (I_{DMULT}=1 - 2 mA)。

绝对最大额定值

为了确保芯片的安全和可靠性，需要了解其绝对最大额定值。例如，漏极偏置电压 (V{DAMP1})、(V{DAMP2}) 最大为4.5 V，(V{DMULT}) 最大为3 V；栅极偏置电压 (V{GAMP})、(V{GX2})、(V{GX3})、(V_{GMIX}) 范围为 -3 V到0 V；LO输入功率最大为10 dBm；最大结温为175°C；存储温度范围为 -65°C到 +150°C；工作温度范围为 -55°C到 +85°C；ESD敏感度（人体模型）为100 V（0类）。超过这些额定值可能会导致芯片永久性损坏。

三、引脚配置与功能

HMC8118共有24个引脚，每个引脚都有特定的功能。例如，IFQP、IFQN为IF Q输入的正负端，IFIN、IFIP为IF I输入的正负端，这些引脚为直流耦合，当不需要直流工作时，可通过串联电容进行外部阻断；VGMIX为FET混频器的栅极电压；VDAMP1、VDAMP2为第一和第二级LO放大器的电源电压；VDMULT为乘法器的电源电压等。了解这些引脚的功能对于正确使用芯片至关重要。

四、典型性能特性

文档中给出了不同中频（IF）和边带选择下的典型性能特性曲线，包括转换增益、边带抑制、输入截点、LO泄漏等随RF频率、温度和LO功率的变化情况。例如，在不同温度和LO功率下，转换增益、边带抑制等性能指标会有所变化。这些曲线可以帮助工程师在实际应用中更好地评估芯片的性能，并进行合理的设计。

五、工作原理

HMC8118采用了集成的LO缓冲器和6倍乘法器。6倍乘法器允许使用较低频率范围的LO输入信号（通常在11.83 GHz至14.33 GHz之间），通过级联3倍和2倍乘法器实现。芯片上包含LO缓冲放大器，只需2 dBm的典型LO驱动电平即可实现全性能。LO路径经过正交分路器和片上巴伦，驱动I和Q混频器核心。混频器核心采用单平衡无源混频器，I和Q混频器的RF输出通过片上威尔金森功率合成器求和，并进行电抗匹配，在RFOUT引脚提供单端50 Ω输出信号。

六、应用信息

偏置序列

由于HMC8118在LO信号路径中使用了多个放大器和乘法器阶段，且这些有源阶段都使用耗尽型赝配高电子迁移率晶体管（pHEMTs），因此需要遵循特定的上电偏置序列：

1. 给 (V{GAMP})、(V{GX2}) 和 (V_{GX3}) 施加 -2 V偏置。
2. 给 (V_{GMIX}) 施加 -1 V偏置。
3. 给 (V{DAMP1}) 和 (V{DAMP2}) 施加4 V，给 (V_{DMULT}) 施加1.5 V。
4. 调整 (V{GAMP}) 在 -2 V到0 V之间，使总放大器漏极电流（(I{DAMP1}+I_{DAMP2})）达到175 mA。
5. 施加LO输入信号，调整 (V{GX2}) 和 (V{GX3}) 在 -2 V到0 V之间，使 (V_{DMULT}) 上的漏极电流达到80 mA。 下电时则按相反顺序操作。

单边带上变频

对于单边带上变频应用，需要使用外部90°混合器将IF信号分成正交项，然后通过180°混合器或巴伦将差分信号传输到I和Q输入对。可以使用可选的偏置 tee 网络在IFIP、IFIN、IFQP和IFQN输入引脚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电流不超过 ±3 mA。

零中频直接转换

在零中频直接转换应用中，同样可以使用可选的偏置 tee 网络进行额外的LO抑制校正。当省略偏置 tee 配置时，必须将IFIP、IFIN、IFQP和IFQN引脚交流耦合到DAC输出，以避免因共模电压不匹配导致的RF性能下降和设备损坏。

七、装配与处理

安装与键合技术

• 芯片安装：可以将芯片直接共晶或使用导电环氧树脂连接到接地平面。推荐使用80%/20%的金/锡预成型件进行共晶芯片连接，工作表面温度为255°C，工具温度为265°C，使用90%/10%的氮气/氢气热气体时，工具尖端温度保持在290°C，且芯片暴露在高于320°C的温度下不超过20秒，连接时擦洗时间不超过3秒；也可以使用ABLEBOND 84 - 1LMIT导电环氧树脂进行芯片连接，涂抹适量的环氧树脂，使其在芯片放置到位后在周边形成薄的环氧树脂圆角，并按照制造商提供的时间表进行固化。
• 键合：RF端口推荐使用0.003 in. × 0.0005 in. 的金带进行键合，IF和LO端口推荐使用0.025 mm（1 mil）直径的金线进行楔形键合，DC键合推荐使用0.001 in.（0.025 mm）直径的金线，键合时要采用热超声键合，施加适当的力和能量，保持键合长度小于12 mil（0.31 mm）。

处理注意事项

为避免芯片受到永久性损坏，在存储、清洁、静电防护、瞬态抑制和一般处理方面都需要采取相应的预防措施。例如，裸芯片应存储在防静电容器中，打开密封袋后要存放在干燥的氮气环境中；要在清洁的环境中处理芯片，避免使用液体清洁系统；遵循ESD预防措施，防止超过 ±100 V的ESD冲击；在施加偏置时要抑制仪器和偏置电源的瞬态，使用屏蔽信号和偏置电缆；只能通过边缘使用真空夹头或弯曲的镊子处理芯片，避免触摸芯片表面。

八、总结

HMC8118作为一款高性能的E波段I/Q上变频器，具有出色的性能指标和丰富的应用场景。在设计过程中，工程师需要充分了解其特性、性能指标、引脚功能、工作原理以及应用信息，严格遵循偏置序列和装配处理要求，以确保芯片能够稳定、可靠地工作。同时，通过参考文档中的典型性能特性曲线，可以更好地优化设计，满足不同应用的需求。大家在实际应用中是否遇到过类似芯片的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。