Ka波段镜像抑制谐波混频器设计_黄锦沛

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1. 1
混频器的原理分析
谐波混频原理 本次设计使用反向并联二极管对实现四次谐波 =
混频，其模型如图 1 所示，假设信号为 VS （ t ） VS cosωS t，LO 信号为 VL （ t ）
= VL cosωL t， 其中 ωS
和 ωL 分别为 RF 和 LO 信号的角频率，VS 和 VL 分别 为 RF 和 LO 信号的幅度，且∣ VL ∣ ＞＞ | Vs ∣。
Fig. 1
图 1 反向并联二极管对模型 Model of antiparalleled diodes pair
［1 ］
由二极管的伏安特性
可知 （ 1） （ 2）
Fig. 2
图 2 镜像抑制混频器原理图 Schematic of the image rejection mixer
i1 = i D ( e αv（ t） － 1 ) i2 = － i D ( e － αv（ t） － 1 )
Abstract： In order to meet the need of antiinterference in the millimeter wave receiver and radar， fundamental theory of the image rejection subharmonic mixer was introduced，and a design proposal of a Kaband imagerejection subharmonic mixer was proposed. The mixer was made up of two mixer units， RF signal and image signal can be distinguished by the phase relationship of the outputs from two units. The RF outputs of the two units were inphase and combine，the image output of the two units were 90 phase difference and offset. Passive part simulation and harmonic balance simulation of the mixer were finished by the software Ansoft HFSS and Agilent ADS，respectively. The mixer was finally fabricated and tested. The tested result shows that，when the RF and intermediate frequency （ IF ） are 29. 4 － 31GHz and 100 MHz respectively，the convention loss is between 8. 8 － 10. 3 dB ，the image rejection is larger than 20. 1 dB ，all the porttoport isolations are larger than 31. 4 dB ，the voltage standing wave ratio （ VSWR） of the RF port and local frequency （ LO） port are less than1. 3 and 2. 2 respectively，the input power 1 dB compression point is － 5 dBm. Key words： image rejection； subharmonic mixer； Kaband； convention loss； VSWR EEACC： 1200 越来越迫切。 作为大气窗口频率， Ka 波段有着大 气衰减小的优势，并且相对于微波频段更容易实现 器件的小型化，因此成为人们重点研究的频段。混 频器是信号接收机的主要器件之一 ，它能实现信号 频率的变换。 然而， 毫米波信号源的实现难度大，
对于混频单元 1 ， 其 RF 输入信号为 V S1 （ t ） ， 镜 LO 输入信号 V L 1 （ t） 可以分别 频输入信号为 V I1 （ t） ， 表示为 cos ω S t － π （ 6） 2 2 槡 VI V I1 （ t） = cos ω I t － π （ 7） 2 2 槡 VL V L1 （ t） = cosω L t （ 8） 2 槡 混频单元 1 输出的 RF 和镜像频率对应的混频产物 V IF1 （ t） 和 V IM1 （ t） 分别为 V S1 （ t） = VS
式中 i D 为二极管反向饱和电流， 那么流过二极管 对的电流 i 和时变电导 g（ t） 可用第一类 n 阶修正贝 塞尔函数
［2 ］
分别表示为
∞
(
)
i = i1 + i2 = 2 i D sinh（ αv（ t） ） = 2 i D ∑ 2 I2n +1 （ αv（ t） ） cos（ 2 n + 1 ） ω L t
Design of KaBand Image Rejection SubHarmonic Mixer
HuangJinpei，Tang Zongxi，Wu Yunqiu，Zhang Biao，Du Yicheng
（ School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731 ，China）
]
（ 9） 951
Semiconductor Technology Vol． 37 No． 12
黄锦沛
等： Ka 波段镜像抑制谐波混频器设计
櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 V IM1 （ t） = VI VL cos 4
[
(ω
L
π － ωI ) t + 2
∞
i' = g（ t） V S （ t） =
V S g2n （ t） cos（ 2 nω L ∑ 0
± ωS ） （ 5）
式中 I2n + 1 为第 2 n + 1 阶贝塞尔函数，g2n 为第 2 n 阶 二极管传输电导。由上面分析可知，反向二极管对 混频具有以下特点： ①输出电流只含有偶次 LO 混 频项，相对于单端混频器， 干扰频率减少了一半； ②直流项只存在于二极管对内部，因此无需考虑直 流接地，简化了设计； ③ 降低噪声。 这是因为 LO 引入的噪声只在 2 ω L + ω IF （ ω IF 为输出 IF 频率 ） 处 才能与信号频率 4 ω L + ω IF 混频之后落在 IF 上， 而 这部分的噪声已经很小。 1. 2 平衡式镜像抑制混频器原理 平衡式镜像抑制混频器是利用相位关系 ，使得 镜像频率和 LO 混频产物在输出端反相抵消， 信号 混频产物在输出端同相叠加。 其原理如图 2 所示。 这里假设镜频信号为 V I （ t ） = V I cosω I t， 其中 ω I 为镜 频信 号 的 角 频 率， V I 为 镜 频 信 号 的 幅 度， 并 且 ωS ＞ ωL ＞ ωI 。
n =1
(
)
（ 3）
g（ t） =
di = 2 αi D cosh（ αv（ t） ） = dt
∞
g0 （ t ） +
g2n （ t） cos2 nω L t ∑ 1
（ 4）
因此，混频电流 i' 可以表示为
December 2012
V IF1 （ t） =
VS VL cos 4
[
(ω
s
π － ωL ) t － 2
cosω L t （ 13 ） 2 槡 混频单元 2 输出的 RF 和镜像频率对应的混频产物 V IF2 （ t） 和 V IM2 （ t） 分别为 V IF2 （ t） = VS VL cos ( ω s － ω L ) t 4 （ 14 ） （ 15 ） 2. 2
Fig. 3 图 3 混频器单元的结构图 Structure diagram of the mixer unit
2012 年 12 月
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引言
随着现代通讯技术的迅速发展，传统的微波低 频段已经变得十分拥挤，人们对于频段开发的需求
Email： 623553177@qq． com
950 半导体技术第 37 卷第 12 期
黄锦沛
等： ຫໍສະໝຸດ Baidua 波段镜像抑制谐波混频器设计
櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 成本高，而谐波混频器需要的 LO 源频率仅为信号 频率的 1 /2 、1 /4 甚至更低， 因此， 谐波混频器广 泛运用于毫米波系统中。 在超外差接收机系统中， 镜频抑制度是衡量系统抗干扰能力的重要指标 ，工 程中，提高系统镜频抑制度一般有两种方法 ： 一种 是在混频器输入端加入镜频抑制滤波器 ，考虑到高 频窄带带通滤波器实现难度高，这种方法仅仅适用 于高 IF 混频； 另一种方法利用两个混频器单元， 借助于两个混频单元的相位关系 ，使镜频混频产物 在混频器输出端反相抵消，信号混频产物在输出端 同相相加，从而实现高镜像抑制度混频。本文采用 第二种方案，即平衡式镜像抑制混频，混频单元采 用四次谐波混频方案，大大降低了 LO 源的频率。
电路与组件 Circuits and Modules
櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 DOI： 10． 3969 / j． issn． 1003 － 353x． 2012． 12． 010
Ka 波段镜像抑制谐波混频器设计
黄锦沛，唐宗熙，吴韵秋，张彪，杜倚诚
（ 电子科技大学，电子工程学院，成都 611731 ） 摘要： 针对现代毫米波接收机和雷达系统高抗干扰能力的需求 ，分析了具有镜像频率抑制能 力的谐波混频器的基本原理，提出了一种 Ka 波段镜像抑制谐波混频器的设计方案。该混频器由 两个混频单元组成，利用输出信号的相位关系识别 RF 信号和镜频信号， RF 混频信号在输出端 口同相叠加，镜频混频信号反相抵消。使用 Ansoft HFSS 和 Agilent ADS 仿真软件分别完成电路无 源部分仿真和谐波 平 衡 仿 真 设 计， 制 作 了 混 频 器 并 进 行 了 测 试。 测 试 结 果 表 明： RF 频 率 为 29. 4 ～ 31GHz，中频 （ IF ） 为 100 MHz， 变 频 损 耗 稳 定 在 8. 8 ～ 10. 3 dB ， 镜 像 抑 制 度 大 于 20. 1 dB ，各个端口隔离度均大于 31. 4 dB ， RF 端口和本振 （ LO ） 端口驻波比分别小于 1. 3 和 2. 2 ，输入功率在 1 dB 压缩点为 － 5 dBm。 关键词： 镜像抑制； 谐波混频器； Ka 波段； 变频损耗； 驻波比 中图分类号： TN773 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 353X （ 2012） 12 － 0950 － 05
同理，对于 混 频 单 元 2 ， 其 RF 输 入 信 号 V S2 （ t） 、 镜频输入信号 V I2 （ t） 、LO 输入信号 V L 2 （ t ） 可以分 别表示为 V S2 （ t） = cosω S t 2 槡 VI V I2 （ t） = cosω I t 2 槡 V L2 （ t） = VL VS （ 11 ） （ 12 ）
]
（ 10 ）
TL6 构成 RF 匹配网路， RF 带通滤波器回收闲频， 提高隔离度。 TL7 和 TL8 是 LO 匹配网络， LO 带通 滤波器回收闲频，提高隔离度。本次选用的带通滤 波器 寄 生 通 带 在 3 倍 中 心 频 率 处， 因 此 TL9 为 1 /4 λ3LO 开路线，避免在工作中 3 ω L 能量对功率源的 IF 隔离 影响。TL10 和 TL11 都为 1 /4 λ RF 长，提高 RF度。IF 低通滤波器通 IF，阻隔干扰频率。