第12章镜像抑制混频器的设计与仿真

10 0 -10
dB(S(2,1))
-20 -30 -40 -50 -60 0.1 0.6 1.1 1.6 2.1 2.6 3.1 3.6 4.1 4.6 5.0
freq, GHz
图12-8 低通滤波器仿真曲线
12.2.3 完整混频器电路
混频器的完整电路图如图12-9所示。将其分成8个部分，下面 针对每个部分进行具体设计。
v L1 VL cos( Lt )
D2上电压
v s 2 Vs cos( s t )
v L 2 VL cos( Lt
信号和本振分别以

2
)

2
相位差分配到两只二极管上，这类混频器称为
2
型平衡混频器。由一般混频电流的计算公式，并考虑到射频电压 和本振电压的相位差，可以得到
图12-1 理想混频器
通常，RF的功率比LO的小得多，不考虑调制信号的影响，乘法器 的输出频率为 f d nf L f s
微波工程中，可能的输出信号为三个频率之一： 差频或超外差 f IF f L f s
谐波混频 和频或上变频
f IF nf L f s
f IF f L f s
12.2
镜像抑制混频器的设计
利用ADS2009设计C波段微带镜像抑制混频器，分析混频器的非线 性特性。混频器技术指标如下： •信号频率（RF）：3.6GHz •本振频率（LO）：3.8GHz •中频频率（IF）：200MHz •噪声系数：15dB •镜像抑制度：15dB
12.2.1 3dB定向耦合器设计
图12-12二极管模型参数
图12-13 晶体管电路图
第6部分 输出阻抗匹配电路，使用传输线阻抗匹配，参数设计如图12-14所 示。
图12-14 阻抗匹配电路
12.1 混频器的工作原理
混频器是超外差接收机和测量仪器的前端电路，与本振源结合 ，把信号频率降为中频信号，送入中频处理电路。理想的混频器 是一个开关或乘法器，如图12-1所示。本振激励信号（LO，fL） 和载有调制信息的接收信号（RF，fs）经过乘法器后得到许多频 率成分的组合，经过一个滤波器后得到中频信号（IF，fIF）。
3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0
phase(S(3,1)) phase(S(4,1)) phase(S(4,2)) phase(S(3,2))
0
-100
-6
-7
-200 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0
12.1.1 微带平衡混频器
微带平衡混频器结构如图12-3所示。其功率混合电路采用3dB 分支线定向耦合器，在各端口匹配的条件下，1、2为隔离臂，1 到3、4端口以及从2到3、4端口都是功率平分而相位差90°。
图12-3 微带平衡混频器结构
设射频信号和本振分别从隔离臂1、2端口加入时，初相位都是 0°，考虑到传输相同的路径不影响相对相位关系。通过定向耦合 器，加到D1，D2上的信号和本振电压分别为： D1上电压 v s1 Vs cos( s t ) 2
D1中混频电流为：i (t ) 1
n , m


I n,m exp[ jm ( s t
n , m


2
) jn ( L t )]
i 2 (t ) 同样，D2中混频电流为：


I n,m exp[ jm ( s t ) jn ( L t
最关心的是超外差频率，绝大部分接收机都是超外差工作，采 用中频滤波器取出差频，反射和频，使和频信号回到混频器再次 混频。外差混频器的频谱如图12-2所示，RF的频率关于LO的频率 对称点为RF的镜频。镜频的功率和信号的功率相同，由于镜频与 信号的频率很近，可以进入信号通道而消耗在信号源内阻。恰当 处理镜频，能够改善混频指标。
(6)端口VSWR 三个端口的驻波比越小越好。尤其是RF口，它会影响整个系统的灵 敏度。 (7)直流极性 一般地，射频和本振同相时，混频器的直流成分是负极性。 (8)功率消耗(简称功耗) 功耗是所有电池供电设备的首要设计因素。无源混频器消耗LO功率， 而LO消耗直流功率，LO功率越大，消耗直流功率越多。混频器的输 出阻抗对中放的要求也会影响中放的直流功耗。
freq, GHz
freq, GHz
(a)输出端口的耦合度
-5 -10 -10 -15 0
(b)输出端口间的相位差
dB(S(2,2)) dB(S(1,1))
-25 -30 -35 -40 -45 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0
m3 freq=3.800GHz dB(S(1,1))=-41.119 m3
dB(S(2,1))
-20
-20
-30
m4 freq=3.800GHz dB(S(2,1))=-48.893 m4
-40
-50 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0
freq, GHz
freq, GHz
(c)输入端口的回波损耗
(d)输入端口间的隔离度
图12-6 端口仿真曲线
（1）创建新项目 •启动ADS2009 •选择Main windows •菜单栏【File】→【New Project】，按照提示选择项目保存 的路径和输入文件名 按钮，创建新项目 •点击
•点击 ，新建电路原理图窗口，开始设计混频器
（2）在 “Tlines-Microstrip”类中，选择 ，并双击编辑属性，其中H=0.6mm，Er=4.2，Mur=1，其他属性可 以默认。选择微带传输线 ，和三端口器件 按照图12-4连接电路图，并设置相应参数。
图12-2 超外差混频器的频谱
LO控制的开关特性可以用几种电子器件构成，肖特基二极管在LO 的正半周低阻，负半周高阻近似为开关。在FET中，改变栅源电压 的极性，漏源之间的电阻可以从几欧姆变到几千欧姆。在射频或微 波低端，FET可以不要DC偏置，而工作于无源状态。BJT混频器与 FET类似。 根据开关器件的数量和连接方式，混频器可以分为三种：单端、 单平衡、双平衡。微波实现方式就是要用微波传输线结构完成各耦 合电路和输出滤波器，耦合电路和输出滤波器具有各端口的隔离作 用。
I 1, 1

2 ]


2
)]
当 m 1 , n
1
时，利用 I 1, 1
的关系，可以求出中频电流为：
i IF 4 I 1, 1 cos[( s L )t
12.1.2
主要技术指标
（1）变频损耗 尽管混频器的器件工作方式是幅度非线性，但仍希望它是一个线性 移频器。变频后输出信号的幅度变化就是变频损耗或增益。一般地， 无源混频器都是变频损耗。二极管混频器的变频损耗包括混合网络 损耗(1.5 dB左右)、边带损耗(3 dB左右)、谐波损耗(1 dB左右)和 二极管电阻损耗(1.5 dB左右)，典型值为7 dB左右。在肖特基二极 管电路中增加中频匹配电路来处理谐波，可以实现4 dB变频损耗的 混频器。
1dB减敏点：描述混频器的灵敏度迟钝的特性，与l dB压缩点有关， 也是雷达近距离盲区的机理。对于双平衡混频器，1 dB减敏点比1 dB压缩点低2~3 dB。 动态范围：最小灵敏度与1 dB压缩点的距离，用dB表示。通常的动 态范围要大于60dB。动态范围的提高，意味着系统成本的增加。 谐波交调：与本振和输入信号有关的交调杂波输出。 三阶交调：输入两个信号时的IP3，定义为1 dB压缩点与三阶输出 功率线的距离。 (4)本振功率 混频器的指标受本振功率控制。若本振功率不够，混频器就达不到 预定指标。产品混频器都是按功率dBm值分类的，如7 dBm、10 dBm、 17 dBm本振(LO)。 (5)端口隔离 由于三个端口LO、RF、IF频率不同，互相隔离程度的指标，dB越高 越好。端口隔离与电路设计、结构、器件和信号电平有关，一般要 大于20 dB。
（2）噪声系数 描述信号经过混频器后质量变坏的程度。定义为输入信号的信噪比 与输出信号的信噪比的比值。这个值的大小主要取决于变频损耗， 还与电路的结构有关。肖特基二极管的导通电流直接影响混频器的 白噪声，这个白噪声随电路的不同而不同，在混频器的变频损耗上 增加一个小量。如变频损耗为6 dB，白噪声为0.413dB，则噪声系 数为6.413 dB。这种增加量随本振功率的变化不是线性的。混频器 性能与本振功率有最佳值。 （3）线性特性 ldB压缩点：在输入射频信号的某个值上，输出中频信号不再线性 增加，而是快速趋于饱和。拐点与线性增加相差1 dB的信号电平。 混频器的1dB缩点与本振功率有关，因为混频器是本振功率驱动的 非线性电阻变频电路。对于双平混频器，1 dB压缩点比本振功率低 6dB。
图12-5 3dB定向耦合器仿真电路图
-2
200
-3
m2 m1
100
dB(S(3,1)) dB(S(4,1)) dB(S(4,2)) dB(S(3,2))
-4
-5
m1 freq=3.900GHz dB(S(4,2))=-3.103 m2 freq=3.700GHz dB(S(3,2))=-3.158
第12章镜像抑制混频器的设计 与仿真
【本章重点】
•混频器的工作原理 •微带平衡混频器设计流程 •镜像抑制混频器的仿真分析
第十二章 镜像抑制混频器的设计与仿真
随着微波器件与技术的快速发展，在雷达和通信等领域，接收系 统普遍采用了低噪声放大器作为前级，大大降低了系统的噪声系数 ，提高了灵敏度。混频器对接收系统的影响和作用似乎越来越小， 但事实并非如此。所谓镜像信号边带是有用信号边带相对于本振信 号对称的另一个边带，它与本振混频后产生的中频信号与信号边带 产生的中频信号相同。当低噪声放大器频带较宽，且中频不高时， 镜像噪声会通过混频器进入系统，造成系统噪声系数恶化。此时， 镜像抑制混频器的设计至关重要。 本章应用ADS2009完成二极管电阻性混频器的设计，并利用谐波平 衡法对混频器的非线性特性进行分析，给出C波段镜像抑制混频器 的设计样例。