無線通訊射頻前端接收架構中，混頻器直接影響整個接收機的動態範圍大小，亦式無線通訊的關鍵性零組件之一。本論文模擬設計頻IEEE 802.11a頻段的次諧波混頻器並以CMOS電路來實現，利於將來作系統整合晶片(SOC)及低成本的考量。
論文第一部分了解混頻器在於接收機中的影響與設計上的重要的參數。第二部分是使用TSMC 0.18um CMOS製程技術及利用Agilent ADS電路模擬軟體，設計雙閘極混頻器、二倍頻及次諧波混頻器。第三部分是加強型分立式高電子遷移率電晶體(E-pHEMT)做為主動元件，在電路板上製作混成型(hybrid)的雙閘極混頻器、二倍頻及次諧波混頻器，並測量其結果。

In the wireless communication transceivers, the mixer plays an important role for the RF front end, especially in the dynamic range determination, and becomes the key components for the wireless industries. The thesis simulates & designs the sub-harmonic mixer used in the IEEE 802.11a standard via the CMOS process, taking the advantages of the easy integration with the baseband circuitries to accomplish the purpose of system-on-chip in the future.
The first part in the thesis discusses the key parameter in the receiver architecture, while the IC designs including the dual-gate mixer, the frequency doubler, and the sub-harmonic mixer are presented in the second port, using the TSMC 0.18um CMOS process with Agilent ADS circuit simulator.
The hybrid means for the above mixer circuits are also provided via discrete E-pHEMT devices with the measured result comparison.

書名頁 …………………………………………………………… ii
論文口試委員審定書 …………………………………………… iii
授權書 …………………………………………………………… iv
中文提要 ………………………………………………………… vii
英文提要 ………………………………………………………… viii
誌謝 ……………………………………………………………… ix
目錄 ……………………………………………………………… x
表目錄 …………………………………………………………… xiv
圖目錄 …………………………………………………………… xv
第一章 導論 …………………………………………………… 1
1.1 相關研究發展現況 ……………………………………… 1
1.3 研究動機 ………………………………………………… 2
1.2 論文章節概述 …………………………………………… 3
第二章 接收機系統架構介紹 ………………………………… 4
2.1 接收機與發射機基本功能 ……………………………… 4
2.2 超外差式接收架構 ……………………………………… 5
2.1.1 鏡像頻率 …………………………………………… 7
2.1.2 選擇性 ……………………………………………… 8
2.1.3 半中頻 ……………………………………………… 11
2.1.4 二次中頻架構 ……………………………………… 12
2.3 直接降頻接收機架構 …………………………………… 15
2.3.1 直流偏移 …………………………………………… 16
2.3.2 偶次階失真 ………………………………………… 17
2.3.3 顫動雜訊 …………………………………………… 18
2.3.4 I/Q信號的不匹配 …………………………………… 18
第三章 混頻器基礎理論 ……………………………………… 20
3.1 混頻器的重要規格 ……………………………………… 20
3.1.1 轉換增益或轉換損耗 ……………………………… 20
3.1.2 隔離度 ……………………………………………… 21
3.1.3 混附信號 …………………………………………… 22
3.1.4 雜訊指數 …………………………………………… 22
3.1.5 靈敏度 ……………………………………………… 24
3.1.6 1dB壓縮點…………………………………………… 25
3.1.7 交互調變失真 ……………………………………… 26
3.1.8 動態範圍 …………………………………………… 31
3.1.9 本地振盪功率準位 ………………………………… 32
3.1.10 誤差向量振幅 ……………………………………… 33
3.2 混頻器的種類 …………………………………………… 34
3.2.1 被動式混頻器 ……………………………………… 34
3.2.2主動式混頻器 ………………………………………… 35
3.3 混頻器的架構 …………………………………………… 38
3.3.1 單端式混頻器 ……………………………………… 38
3.3.2 90度單平衡式混頻器 ………………………………… 39
3.3.3 180度單平衡式混頻器 ……………………………… 40
3.3.4 雙平衡式混頻器 ……………………………………… 41
3.3.5 鏡像消除式混頻器 …………………………………… 41
3.3.6 次諧波混頻器 ………………………………………… 42
3.4 設計流程 ………………………………………………… 43
第四章 金屬氧化物半導體次諧波混頻器之設計 …………… 44
4.1 雙閘極混頻器之工作原理 ……………………………… 44
4.1.1 簡介 …………………………………………………… 44
4.1.2 電流電壓特性曲線 …………………………………… 46
4.1.3 小信號近似分析 ……………………………………… 48
4.2 倍頻器原理 ……………………………………………… 49
4.2.1 簡介 …………………………………………………… 49
4.2.2 偏壓條件 ……………………………………………… 50
4.3 設計模擬 ………………………………………………… 51
4.3.1 RF CMOS模型特性之模擬 …………………………… 51
4.3.2 次諧波混頻器電路設計 ……………………………… 52
4.4 結果討論 ………………………………………………… 54
4.4.1 雙閘極場效電晶體混頻器的結果 ………………… 54
4.4.2 整合成次諧波混頻電路的結果 ……………………… 59
4.4.3 次諧波混頻電路的電路佈局 ………………………… 63
第五章 高電子遷移率電晶體次諧波混頻器之設計 ………… 64
5.1元件簡述 ………………………………………………… 64
5.2 設計模擬 ………………………………………………… 66
5.2.1 模型特性之模擬 ……………………………………… 66
5.2.2 次諧波混頻器電路設計 ……………………………… 67
5.3 結果討論 ………………………………………………… 69
5.3.1 雙閘極場效電晶體混頻器的結果 ………………… 69
5.3.2 整合成次諧波混頻電路的結果 …………………… 72
5.3.3 次諧波混頻電路的電路佈局 ……………………… 75
5.3.4 量測結果 …………………………………………… 76
第六章 結論及未來展望 ……………………………………… 79
6.1 討論 ……………………………………………………… 79
6.2 未來展望 ………………………………………………… 80
參考文獻 ……………………………………………………… 81

[1] S. A. Mass, Nonlinear Microwave circuit. Dedham, MA: Artech House, 1988.
[2] S. A. Mass, Microwave Mixer, 2nd. Dedham, MA: Artech House, Inc, 1993.
[3] S. A. Mass, The RF and Microwave Circuit Design Cookbook. Norwood MA: Artech House, Inc., 1998.
[4] D. M. Pozar, Microwave Engineering, 2nd. John Wiley & Sons Inc., 1998.
[5] B. Razavi, RF Microelectronics. Prentice Hall , 1998.
[6]育英科技有限公司編著, 射頻電路設計實習, 滄海書局, 2000.
[7] I. D. Robertson, S. Lucyszyn, RFIC and MMIC Design and Technology, The Institution of Electrical Engineers, 2001.
[8] K. Chang, I. Bahl, V. Nair, RF and Microwave Circuit and Component Design for Wireless Systems, John Wiley & Sons, Inc., 2002.
[9] C. Tsironis, R. Meirer, and R. Stahlmann, “Dual-gate MESFET mixer,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-32, pp. 245—255, Mar. 1984.
[10] J. Kim, and Y. Kwon, “Intermodulation analysis of dual-gate FET mixers,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 50, pp. 1544-1555, June 2002.
[11] J. Kim, M.-S. Jeon, D. Kim, J. Jeong, and Y. Kwon, “High-Performance V-Band Cascode HEMT Mixer and Downconverter Module, ” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 51, pp. 805-809, Mar. 2003.
[12] C.-C. Huang, H.-T. Pai, and K.-Y. Chen, “Analysis of microwave MESFET power amplifiers for digital wireless communications systems,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 52, No.4, pp. 1284-1291, Apr. 2004.
[13] D. An, S. C. Kim, W. S. Sul, H. J. Han, H. S. Lee, W. Y. Uhm, H. M. Park, S. D. Kim, D. H. Shin, and J. K. Rhee, “High conversion gain V-band quadruple subharmonic mixer using cascode structure,” IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., pp. 911-914, 2003.
[14] S. A. Maas, “Two-tone intermodulation in diode mixers,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-35, pp. 307—315, Mar. 1987.
[15] S. A. Maas, “A GaAs MESFET mixer with very low intermodulation,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-35, pp. 425—429, Apr. 1987.
[16] D. G. Thomas, Jr. and G. R. Branner, “Optimization of active microwave frequency multiplier performance utilizing harmonic terminating impedances,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 44, pp. 2617—2624, Dec. 1996.
[17] 張英堂, 「主動式倍頻器與濾波器之研製」, 國立臺灣大學電信工程研究所碩士論文, 民國九十年。
[18] S. A. Maas, D. Neilson, “Model MESFET’s for intermodulation analysis of mixer and amplifier,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 38, pp. 1964—1971, Dec. 1990.
[19] R. S. Virk and S. A. Mass, “Modeling MESFET’s for intermodulation analysis of resistive FET mixers,” in IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., June 1995, pp. 1247—1250.
[20] S. Peng, P. McCleer, and G. I. Haddad, “Intermodulation analysis of FET resistive mixers using Volterra series,” in IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., June 1996, pp. 1377—1380.
[21] S. Peng, P. J. McCleer, and G. I. Haddad, “Nonlinear models for the intermodulation analysis of FET mixers,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 43, pp. 1037—1045, May 1995.
[22] H. I. Kang, J. H. Kim, Y. Kwon, and J. E. Oh, “An asymmetric GaAs MMIC dual-gate mixer with improved intermodulation characteristics,” in IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., June 1999, pp. 795—798.
[23] D. A. Johns, K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc., 1997.