第3章毫米波固态电路20140316-毫米波混频器和倍频器
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下变频
上变频
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
混频器的分类
根据非线性器件：
(1)二端器件混频器（二极管） (2)三端器件混频器（FET、CMOS、HBT）
根据电路结构和工作特点：
单端混频器 平衡混频器（单平衡和双平衡） 亚谐波混频器（偶次谐波和寄次谐波） 镜像抑制混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 双平衡混频器
特点：比单平 衡具有更高的 端口隔离度和 杂散抑制度。
Biblioteka Baidu
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 双平衡混频器
• 70-90GHz monolithic HBT star mixer [Velocium]
3.3.3 亚谐波混频器 单片四次谐波混频器
• 60GHz Uniplanar MMIC 4-Subharmonic Mixer [M. W. Chapman 2002]有限宽度地共面（FGC）波导
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.4 镜像抑制混频器
镜频抑制混频器原理
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.4 镜像抑制混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.4 镜像抑制混频器
2009年，Highly Integrated Ka-Band Sub-Harmonic Image-Reject DownConverter MMIC
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.3 亚谐波混频器 单片亚谐波混频器
• E-band monolithic Schottky diode pair subharmonic mix er [E.B. Stoneham 2006]
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.3 亚谐波混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.4 .1 二极管倍频器 变容二极管的管芯结构和等效电路
平面管芯结构和台面管芯结构
SiO2 Cr-Au 欧姆接触 P Au-Ge
+ +
A N N+硅 B
P+ 耗尽层
N N -GaAs C
等效电路
Rj Ls Rj Rs Cj
(a) 管芯等效电路 sps
Rs Cj Cp
Ls
Rs
Cj
Cp
(b) 封装管完整的等效电路
信号频率fs端口的信源热噪声是kT0f，经过混频器变换成中频噪声； 在镜频 fi附近f内的热噪声与本振频率 fp之差为中频，也将变换成中频 噪声输出； 混频器内部损耗电阻热噪声以及混频器电流的散弹噪声，还有本机振 荡器所携带相位噪声都将变换成输出噪声， Pnd 。
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.1 单端混频器 单端混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.1 单端混频器
FET单端混频器
单栅FET结构
双栅FET结构
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.1 单端混频器
单栅有源FET MMIC混频器，采用lange 桥合成RF/LO信号
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器
鳍线平衡混频器
鳍线－共面线平衡混频器
鳍线－带线平衡混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 V频段单片集成混合环平衡混频器
VB
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
Cj Cj(0)
V
3.4 .1 二极管倍频器
二极管倍频电路的基本形式
并联型（电流激励型）和串联型（电压激励型）
滤波器 滤 G f n滤 G f nD I D R V 滤 滤 Rfg波 f1 波 g fL 1 g 1 RS L g 波 器 器波 1 D 1 器 器 vS
滤波器 f1 RS
滤波器 nf1 iS RL GS f1
D nf1 GL
滤波器 滤波器
滤波器 nf1 GS iS Gg L1 R1 Rn Cn GL
RS
vS
L1 R1 C1 Ln Rn Cn 滤波器 f1 滤波器 nf1 i1 in RL D L1 R1 C1 Ln Rn Cn
D C1 Ln D Rn
根据混频器特性：
有源混频器： “hot”晶体管，特点是有增益，但结构复杂、不可逆； 无源混频器：二极管、“cold”晶体管（阻性FET混频器），线性度好；
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
两端器件—二极管混频器原理
二极管种类 PN结二极管 肖特基势垒二极管 PIN二极管 变容二极管 典型应用 检波器、混频器、调制 器（响应较慢） 检波器、混频器、调制 器（响应快） 开关、衰减器等 调谐器、倍频器、VCO 等
3.3.4 镜像抑制混频器
forth-Harmonic pumped Image-Reject MMIC
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.4 倍频器
倍频器将交流能量转换为其谐波频率的交流能量 ，与振荡器将直流能量转换为交流能量不同。主 要用于毫米波源的设计。 倍频器分类
• V band singly balanced diode mixer [C. Florian 2005]
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 W频段单片集成混合环平衡混频器
• 91-99GHz monolithic HEMT Schottky diode singly b alanced mixer [Velocium]
3.3 混频器
高放 高放 检波 低放
“直放式接收机”
高放 混频 中放 检波 低放
本振
20世纪初，超外差接收机 膜 片
肖特 基势 垒二 极管 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
真空 三极 管
晶体 检波 器
3.3 混频器
概念：在变频过程中，信号的频谱内部结构（即各频率
分量的相对振幅和相互间隔）和调制类型（调幅、调频还 是调相）保持不变，改变的只是信号的载频。具有这种作 用的电路称为变频电路或变频器。 调幅 波变 频时 的波 形和 频谱
变频是频谱搬移电路
(ｂ） 输出信号 (a) 输入信号 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
主要技术指标
噪声系数 变频损耗/增益 隔离度（LO/IF/RF） 动态范围 线性度（三阶交调） 本振功率 镜频抑制度 端口驻波
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.3 亚谐波混频器 单脊鳍线亚谐波混频器
• Wide-band subharmonically pumped W-band mixer in single-ridge fin-line [P.J. Meier 1982]
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.1 单端混频器 二极管单端混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.1 单端混频器 单端混频器
• 230GHz single ended mixer [J.W. Archer 1981]
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
GL
R1
i1
vS 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
D
in
RL
Ig
L1 滤波器C f1 1
L n 滤波器 nf Cn 1
3.4 .1 二极管倍频器
二极管倍频电路两种形式的特点
3.3 混频器
噪声系数
m——混频器变频损耗
Pno kT0 f / m kT0 f / m Pnd
Pno Tm tm kT0 f T0
FSSB
kTm f mtm kT0 f Lm
FDSB
Pno 1 am t m 2k ' T0 f / m 2
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
两端器件—二极管混频器原理
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
三端器件—FET混频器原理
非线性源
阻性混频
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.1 单端混频器
单端混频器原理图
二极管、F ET等 优点：简单、变频损耗小（特别是巴伦和阻抗变换较难 实现的频率）、本振功率低； 缺点：杂波太多、带宽窄、隔离度差（LO/IF）；
3.3 混频器
噪声系数
• 定义
Pno F Pns
Pno：当系统输入端噪声温度为T0 = 290K时，到输出端 的总噪声资用功率； Pns ：仅由有用信号输入所产生的 那一部分输出的噪声资用功率。
根据混频器具体用途不同，噪声系数有两种：单边带噪声 和双边带噪声； 混频器输出端的中频噪声功率主要包括三部分：
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 毫米波吉尔伯特混频器
射频信号从 M1 和 M2 的栅极输入 , MOS 管工作在饱和区 , 将射频电压信号转 化为电流信号 ; 本振信号从 M3、M4、M5 和 M6 的栅极输入 , MOS 管工作在 开关状态。由开关电路对 RF 电流信号进行开关调制 , 实现混频功能。 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
(c) 封装管的简化等效电路
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.4 .1 二极管倍频器
变容二极管的非线性特性
结电容
零偏压结电容
C j0 dq Cj dv vr 1 V D
反向偏压绝对值 PN结的势垒电位差
结电容变化系数
• γ=1/3 缓变结 • γ=1/2 突变结 • γ>1 超突变结
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
混频器原理
x(t ) A cos 1t y (t ) B cos 2t
x(t) y(t)
x(t)y(t)
AB AB A cos 1t B cos 2t cos(1 2 )t cos(1 2 )t 2 2
3.3.1 单端混频器
阻性FET MMIC组成的镜像抑制混频器
优点：交调失真小； 直流功耗小；RF/LO 隔离度好。
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器
平衡混频器原理
特点：本振的偶次谐波分量和直流分量抵消，频带宽，可达 一个倍频程以上，端口隔离好；需更高的本振功率；
3.3.3 亚谐波混频器 反向并联二极管对偶次谐波混频电路
优点：可降低毫米波本振频率要求；
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3.3.3 亚谐波混频器
亚谐波混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.3 亚谐波混频器 亚谐波混频器
• 300-360GHz sub-harmonic mixer using planar Schot tky diodes [B. Thomas 2005]
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器
平衡二极管MMIC混频器，采用的是混合环结构耦合器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 单片有源平衡混频器
• 32-46GHz monolithic GaAs PHEMT balanced mixer [Mimix]
二端器件 变容二极管（非线性电抗倍频） 阶跃二极管（非线性电抗倍频） IMPATT二极管（非线性电感倍频） 电阻性二极管 肖特基势垒二极管（非线性电阻倍频） 三端器件（电抗和电阻倍频）
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.4 倍频器
电阻型倍频优点是工作带宽宽，不易产生振荡，
但转换效率低；
电抗型倍频器优点是转换效率高，但工作不稳定
，易产生振荡；
倍频器的只要技术指标：
• • • • • • 工作频率和倍频次数； 倍频器的变频损耗（或效率）； 倍频器输出功率； 倍频器的驱动功率； 杂波抑制（波型纯度）； 输入/输出驻波。
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上变频
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3.3 混频器
混频器的分类
根据非线性器件：
(1)二端器件混频器（二极管） (2)三端器件混频器（FET、CMOS、HBT）
根据电路结构和工作特点：
单端混频器 平衡混频器（单平衡和双平衡） 亚谐波混频器（偶次谐波和寄次谐波） 镜像抑制混频器
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3.3.2 平衡混频器 双平衡混频器
特点：比单平 衡具有更高的 端口隔离度和 杂散抑制度。
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3.3.2 平衡混频器 双平衡混频器
• 70-90GHz monolithic HBT star mixer [Velocium]
3.3.3 亚谐波混频器 单片四次谐波混频器
• 60GHz Uniplanar MMIC 4-Subharmonic Mixer [M. W. Chapman 2002]有限宽度地共面（FGC）波导
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3.3.4 镜像抑制混频器
镜频抑制混频器原理
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.4 镜像抑制混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.4 镜像抑制混频器
2009年，Highly Integrated Ka-Band Sub-Harmonic Image-Reject DownConverter MMIC
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3.3.3 亚谐波混频器 单片亚谐波混频器
• E-band monolithic Schottky diode pair subharmonic mix er [E.B. Stoneham 2006]
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3.3.3 亚谐波混频器
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3.4 .1 二极管倍频器 变容二极管的管芯结构和等效电路
平面管芯结构和台面管芯结构
SiO2 Cr-Au 欧姆接触 P Au-Ge
+ +
A N N+硅 B
P+ 耗尽层
N N -GaAs C
等效电路
Rj Ls Rj Rs Cj
(a) 管芯等效电路 sps
Rs Cj Cp
Ls
Rs
Cj
Cp
(b) 封装管完整的等效电路
信号频率fs端口的信源热噪声是kT0f，经过混频器变换成中频噪声； 在镜频 fi附近f内的热噪声与本振频率 fp之差为中频，也将变换成中频 噪声输出； 混频器内部损耗电阻热噪声以及混频器电流的散弹噪声，还有本机振 荡器所携带相位噪声都将变换成输出噪声， Pnd 。
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3.3.1 单端混频器 单端混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.1 单端混频器
FET单端混频器
单栅FET结构
双栅FET结构
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.1 单端混频器
单栅有源FET MMIC混频器，采用lange 桥合成RF/LO信号
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电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器
鳍线平衡混频器
鳍线－共面线平衡混频器
鳍线－带线平衡混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 V频段单片集成混合环平衡混频器
VB
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
Cj Cj(0)
V
3.4 .1 二极管倍频器
二极管倍频电路的基本形式
并联型（电流激励型）和串联型（电压激励型）
滤波器 滤 G f n滤 G f nD I D R V 滤 滤 Rfg波 f1 波 g fL 1 g 1 RS L g 波 器 器波 1 D 1 器 器 vS
滤波器 f1 RS
滤波器 nf1 iS RL GS f1
D nf1 GL
滤波器 滤波器
滤波器 nf1 GS iS Gg L1 R1 Rn Cn GL
RS
vS
L1 R1 C1 Ln Rn Cn 滤波器 f1 滤波器 nf1 i1 in RL D L1 R1 C1 Ln Rn Cn
D C1 Ln D Rn
根据混频器特性：
有源混频器： “hot”晶体管，特点是有增益，但结构复杂、不可逆； 无源混频器：二极管、“cold”晶体管（阻性FET混频器），线性度好；
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
两端器件—二极管混频器原理
二极管种类 PN结二极管 肖特基势垒二极管 PIN二极管 变容二极管 典型应用 检波器、混频器、调制 器（响应较慢） 检波器、混频器、调制 器（响应快） 开关、衰减器等 调谐器、倍频器、VCO 等
3.3.4 镜像抑制混频器
forth-Harmonic pumped Image-Reject MMIC
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.4 倍频器
倍频器将交流能量转换为其谐波频率的交流能量 ，与振荡器将直流能量转换为交流能量不同。主 要用于毫米波源的设计。 倍频器分类
• V band singly balanced diode mixer [C. Florian 2005]
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 W频段单片集成混合环平衡混频器
• 91-99GHz monolithic HEMT Schottky diode singly b alanced mixer [Velocium]
3.3 混频器
高放 高放 检波 低放
“直放式接收机”
高放 混频 中放 检波 低放
本振
20世纪初，超外差接收机 膜 片
肖特 基势 垒二 极管 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
真空 三极 管
晶体 检波 器
3.3 混频器
概念：在变频过程中，信号的频谱内部结构（即各频率
分量的相对振幅和相互间隔）和调制类型（调幅、调频还 是调相）保持不变，改变的只是信号的载频。具有这种作 用的电路称为变频电路或变频器。 调幅 波变 频时 的波 形和 频谱
变频是频谱搬移电路
(ｂ） 输出信号 (a) 输入信号 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
主要技术指标
噪声系数 变频损耗/增益 隔离度（LO/IF/RF） 动态范围 线性度（三阶交调） 本振功率 镜频抑制度 端口驻波
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.3 亚谐波混频器 单脊鳍线亚谐波混频器
• Wide-band subharmonically pumped W-band mixer in single-ridge fin-line [P.J. Meier 1982]
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.1 单端混频器 二极管单端混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.1 单端混频器 单端混频器
• 230GHz single ended mixer [J.W. Archer 1981]
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
GL
R1
i1
vS 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
D
in
RL
Ig
L1 滤波器C f1 1
L n 滤波器 nf Cn 1
3.4 .1 二极管倍频器
二极管倍频电路两种形式的特点
3.3 混频器
噪声系数
m——混频器变频损耗
Pno kT0 f / m kT0 f / m Pnd
Pno Tm tm kT0 f T0
FSSB
kTm f mtm kT0 f Lm
FDSB
Pno 1 am t m 2k ' T0 f / m 2
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3.3 混频器
两端器件—二极管混频器原理
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
三端器件—FET混频器原理
非线性源
阻性混频
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.1 单端混频器
单端混频器原理图
二极管、F ET等 优点：简单、变频损耗小（特别是巴伦和阻抗变换较难 实现的频率）、本振功率低； 缺点：杂波太多、带宽窄、隔离度差（LO/IF）；
3.3 混频器
噪声系数
• 定义
Pno F Pns
Pno：当系统输入端噪声温度为T0 = 290K时，到输出端 的总噪声资用功率； Pns ：仅由有用信号输入所产生的 那一部分输出的噪声资用功率。
根据混频器具体用途不同，噪声系数有两种：单边带噪声 和双边带噪声； 混频器输出端的中频噪声功率主要包括三部分：
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 毫米波吉尔伯特混频器
射频信号从 M1 和 M2 的栅极输入 , MOS 管工作在饱和区 , 将射频电压信号转 化为电流信号 ; 本振信号从 M3、M4、M5 和 M6 的栅极输入 , MOS 管工作在 开关状态。由开关电路对 RF 电流信号进行开关调制 , 实现混频功能。 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
(c) 封装管的简化等效电路
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.4 .1 二极管倍频器
变容二极管的非线性特性
结电容
零偏压结电容
C j0 dq Cj dv vr 1 V D
反向偏压绝对值 PN结的势垒电位差
结电容变化系数
• γ=1/3 缓变结 • γ=1/2 突变结 • γ>1 超突变结
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
混频器原理
x(t ) A cos 1t y (t ) B cos 2t
x(t) y(t)
x(t)y(t)
AB AB A cos 1t B cos 2t cos(1 2 )t cos(1 2 )t 2 2
3.3.1 单端混频器
阻性FET MMIC组成的镜像抑制混频器
优点：交调失真小； 直流功耗小；RF/LO 隔离度好。
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器
平衡混频器原理
特点：本振的偶次谐波分量和直流分量抵消，频带宽，可达 一个倍频程以上，端口隔离好；需更高的本振功率；
3.3.3 亚谐波混频器 反向并联二极管对偶次谐波混频电路
优点：可降低毫米波本振频率要求；
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.3 亚谐波混频器
亚谐波混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.3 亚谐波混频器 亚谐波混频器
• 300-360GHz sub-harmonic mixer using planar Schot tky diodes [B. Thomas 2005]
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器
平衡二极管MMIC混频器，采用的是混合环结构耦合器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 单片有源平衡混频器
• 32-46GHz monolithic GaAs PHEMT balanced mixer [Mimix]
二端器件 变容二极管（非线性电抗倍频） 阶跃二极管（非线性电抗倍频） IMPATT二极管（非线性电感倍频） 电阻性二极管 肖特基势垒二极管（非线性电阻倍频） 三端器件（电抗和电阻倍频）
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3.4 倍频器
电阻型倍频优点是工作带宽宽，不易产生振荡，
但转换效率低；
电抗型倍频器优点是转换效率高，但工作不稳定
，易产生振荡；
倍频器的只要技术指标：
• • • • • • 工作频率和倍频次数； 倍频器的变频损耗（或效率）； 倍频器输出功率； 倍频器的驱动功率； 杂波抑制（波型纯度）； 输入/输出驻波。
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