K波段分谐波下变混频器

许静靓 吴扬春

东南大学信息科学与工程系，南京（210096）

E-mail：xujingjing1015@

摘 要：本文介绍了基于反向平衡二极管对的K波段二次分谐波下变频器的设计，从理论和设计两个方面讨论了混频电路的性能。为了能有更好的高隔离性能，采用了低通，带通滤波器，匹配网络。本振工作在9.4GHz，信号工作在14.5GHz到26.5GHz，变频损耗在衰减3-dB范围内都小于11.5dB,且带宽达到4GHz。

关键词：反向平衡二极管对；分谐波混频器；隔离度；变频损耗

中图分类号：TN015

1. 引言

零中频接收机具有体积小、成本低和易于单片集成的特点，已成为射频接收机中极具竞争力的一种结构，在无线通信领域中受到广泛的关注。我们注意到其优点的同时，也看到这种结构存在的问题：①本振泄漏(LO Leakage) ②偶次失真(Even–Order Distortion) ③直流偏移(DC Offset) ④闪烁噪声(1/f Noise)，因此有效地解决这些问题是保证零中频结构正确实现的前提。当频率到达很高的频段时，同频段高性能的本振源实现困难、成本高。为了有效解决直流偏移问题和本振源困难，我们使用分谐波混频器(Subharmonic Mixer)，又称“次谐波混频器”。分谐波混频器的简单示意如图1(b)，本振信号频率通常约选为射频信号频率的1/2。在分谐波混频器中，由本振泄漏引起的自混频将产生一个与本振信号同频率的交流信号，但不产生直流分量，如图1(c)所示，从而有效地抑制了直流偏移。同时本振源频率减小到一半，降低了接收机的技术难度，减少了系统成本。

图1 分谐波混频过程

2. 分谐波混频器基本原理

2.1 混频管与混频管对性能比较

文献[1]对图(2)用于做分谐波混频器部件所产生性能的比较，得出了使用Antiparallel Diodes(反相平衡二极管对)的以下的优点：①通过抑制混频基波分量使得变频损耗减少；②通过本振信号及其噪声边带的抑制达到较低的噪声系数。

图(2) 分谐波混频器部件的v-i 、g-t 性能曲线示意(a)单管 (b)管对

2.2 混频机理及其特点

基于以上优点，在本文分谐波混频器电路设计方案中采用图(2)的结构(b)，下面阐述其混频机理：单个肖特基势垒混频二极管的理想状态的伏安特性为1v

i Is e α=−()，其中为

单管反向饱和电流，Is /q nKT α=, K 是波尔兹曼常量，q 表示单个电子电荷的电量，n 是经验

常数，T 表示开尔文温度, 在常温(300K ） 下, q /KT =38.17(V -1)。

当i 1、i 2同时流过二极管管对时，如图2-7(b)，形成合电流：12v

v S S i i i I e I e αα−=+=−+，

二极管管对的电导为: ()2cosh()v v S S di

g I e e I dv

ααv ααα−=

=+=。由于射频信号分量远远小于本振信号分量，近视认为在本振信号LO LO v v t ω=cos()作用下产生电导g ，对g 用第二类修正Bessel 函数展开有：

02422224S LO LO LO LO LO g I I v I v t I v t αααωαω=++[()()cos()()cos()]L +t

其中I 0()、I 2()、I 4()等是Bessel 函数展开项。

在无直流偏置下，本振信号LO LO v ωcos()和射频信号RF RF v t ωcos()同时叠加到管对，产生外部电流为：

LO LO RF RF i g v t v t ωω=+*[cos()cos()]，代入展开得到：

352244LO RF LO LO LO RF LO RF LO RF LO RF i A t B t C t D t E t F t G t H t ωωωωωωωωωωωω=++++−+++−+++cos()cos()cos()cos()cos(())cos(())cos(())cos(()))

L

其中A-H 为各频点幅度系数。电流包含的混频分量为LO RF m n ωω+，其中m ＋n 为奇次。设计二次分谐波混频器，只需取出E 系数分量，就可以实现电路功能。

对图2(b)计算管对内部电流为：2121C S i i i I V α=−=−()[cosh()]

将电压LO LO RF RF v v t v t ωω=+cos()cos()代入进行展开得到：

2

22222

2

2

2

2112222222

LO LO RF RF C S S LO LO RF RF LO RF RF LO LO RF LO RF S LO RF LO RF RF LO RF LO V t V t i I I V t V t V V t t V V V V

I t t V V t t ωωωωωωωωωωωω+=++−=+++=+

++−+++(cos cos )

[...]

!

[cos cos cos cos ...]{

cos cos [cos()cos()...}

+

从外部电流i 和内部电流公式的分析，得出二极管管对混频特性：

C i ①管对电导中只含有偶次本振谐波混频分量，在相同信号作用下产生的外部电流式(2-7)中E

系数分量和F 系数分量的幅度比单管增大一倍；

②管对电导中偶次项本振谐波分量仅存在于管对内部，产生电流的输出干扰频率分量减少； ③外部电流中无直流分量，对管对用于混频器中来说，无需设置直流偏置，简化电路设计。

3. 分谐波下变频器的电路结构和仿真设计

3.1 器件的选择

混频管对选择M/A COM 公司的Low Barrie Silicon Schottky Diodes 的 MA4E2508L 。首先根据给定的Spice Parameters 参数建立模型，考虑到封装电容和电感，对其进行修正，取 ， 在ADS 软件中对管对进行直流仿真，仿真通过后将管对接在电路拓扑结构的中央。我们采用Rogers duroid 5880介质基片，介电常数为2.20，厚度为10mil,应用谐波平衡法在ADS 软件进行电路的设计。

3.2 电路结构

图(3) 电路板图

射频信号从电路左端加入，经过BPF 和射频匹配，进入到管对。RF 开路镜像线和1/4λ@RF 线构成对RF 信号开路状态，阻止了RF 进入到LPF 端口，同时1/4λ@LO 开路对射频信号也是开路的状态。射频信号在管对右侧，经过1/2λ@RF 短路，实现了RF 信号的有效接地，同时也阻隔射频信号进入端口。

本振信号从电路右端加入，直接作用到管对上。此出没有添加本振匹配电路，是处于本振是大信号的考虑，便于电路设计和加工。1/2λ@RF 短路，也就是1/4λ@LO 短路有效阻隔本振信号接地。在管对右侧，本振信号通过1/4λ@LO 开路实现有效接地。残留LO 信号