镜频抑制混频器
第四章-镜频抑制和谐波混频器
非线性电阻v-i特性如下
i f (v) a0 a1v a2v2 .... anvn
21
对信号: 信号在混频器1中混频
i(t) f (vLO1 vRF1)
vLO1 m vRF1 n
m,n
只考查中频，m=1，n=1
vLO1 vRF1 VLO cos[(LO )t]•VRF cos[(RF )t]
30
镜频抑制度:在输入等功率的RF信号和 镜频信号时（VRF＝Vi）,中频端口处获 得的中频信号功率和镜频产生的干扰 信号功率之比。
要获得20dB的镜频抑制度，要求两路 信号通路的幅度不平衡小于1dB，相 位不平衡小于10度。
31
实例
Ka频段基波镜频抑制混频器MMIC
Vg
IF1
RF LO
Vg
IF2
m,n
I I1 I2
vLO m vRF n vLO m vRF n
m,n
m,n
vLO m vRF n[(1)mn 1]
m,n
m+n 只能为偶数
RF
IF
?
1GHz
LO 8GHz
RF:7GHz 9GHz
RF:23GHz 25GHz
VLO cos[(LO )t 90]•VRF cos[(RF )t]
中频电流：
i2 (t) VLOVRF cos[(RF LO )t 90] VLOVRF cos[(IF )t 90]
23
A端合成：
混频器1中频信号移相90º VLOVRF cos[(IFt) 90]
I1
IF I2
I1 f v)LO v)RF v)LO m v)RF n
第四章镜频抑制和谐波混频器介绍
m n i (t ) f (vLO 1 vi1 ) vLO 1 vi1
m ,n m ,n
m ,n
m ,n
m n m n vLO vRF [(1) 1]
m ,n
m+n 只能为奇数
§ 4.4 谐波混频器
RF ? LO 8GHz RF:15GHz 二次谐波混频
IF 1GHz
17GHz RF:31GHz 33GHz
偶次谐波混频 四次谐波混频
镜频电压： vi Vi cos[(i )t ]
本振电压：vLO VLO cos[(LO )t ] 中频: ωIF= ωRF- ωLO= ωLO- ωRF
20
非线性电阻v-i特性如下
i f (v) a0 a1v a2v .... an v
2
n
21
对信号: 信号在混频器1中混频
。 。 。
偶次谐波混频性能 1.频谱：相比单端混频器，频谱更干净 2.隔离度 3.变频效率 4.噪声特性 镜频噪声
本振噪声 优点：可以用低的LO信号接收高的RF信号， 在毫米波接收机中广泛采用。
如何实现奇次谐波混频？
Байду номын сангаасI2
IF
RF LO I1
m n I1 f vLO vRF vLO vRF
中频滤波器 Ka频 段4 次谐波 混频器
RF:35GHz LO:9GHz
2 LO / 4
RF
wlo
§ 4.5 镜频抑制混频器
一、什么是镜频 对于一个给定的本振信号ωLO ，有两个不同的 射频信号ωLO+ ωIF和ωLO－ωIF 可以产生相 同的中频信号ωIF 。其中一个是我们所期望 的射频信号，而另一个就是我们所说的镜频。
镜频抑制混频器设计
设计实验5镜频抑制混频器设计1．概述图1为一微带平衡混频器，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1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1-11-2D2上电压1-31-4可见，信号和本振都分别以相位差分配到两只二极管上，故这类混频器称为型平衡混频器。
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D1中混频电流为：同样，D2式中的混频器的电流为：当时，利用的关系，可以求出中频电流为：主要的技术指标有：1、噪音系数和等效相位噪音(单边带噪音系数、双边带噪音系数)；2、变频增益，中频输出和射频输入的比较；3、动态范围，这是指混频器正常工作时的微波输入功率范围；4、双频三阶交调与线性度；5、工作频率；6、隔离度；7、本振功率与工作点。
设计目标：射频：3.6 GHz，本振：3.8 GHz，噪音：<15。
2.具体设计过程2.1创建一个新项目●启动ADS●选择Main windows●菜单－File－New Project，然后按照提示选择项目保存的路径和输入文件名●点击“ok”这样就创建了一个新项目。
●点击，新建一个电路原理图窗口，开始设计混频器。
2.2 3dB定向耦合器设计●里面选择类“Tlines-Microstrip”●选择，并双击编辑其中的属性，，这是微带线基板的参数设置，其中的各项的物理含义，可以参考ADS的帮助文档。
●选择，这是一个微带传输线，选择，这是一个三叉口。
●按照下图设计好电路图图2 3dB耦合器其中50 ohm传输线的线宽w＝0.98mm，四分之一波长长度为10.46mm，35ohm 传输线的线宽为w＝1.67mm，四分之一波长长度为10.2mm。
镜频抑制混频器设计――参考.
◇把仿真器中的一项改掉，其他不变，就是加入了一个扫描变量◇最后仿真的结果是图 36 总结这是一个微带平衡混频器，主要是有几部分组成：3dB 定向耦合器、二极管的输入、输出阻抗匹配电路、两个二极管、输出低通滤波器。
在这篇文章中，我们先介绍了 3dB 定向耦合器的仿真，其中原理部分可以参考其他资料，在知道了原理后，可以利用一些小软件计算线宽，该软件陈抗生老师哪里有的。
后面是介绍一个低通滤波器的设计和仿真，这是比较简单的，用于输出中频滤波。
后面是分别设计和仿真了这个 Mixer 的频谱、噪音、增益-本振功率曲线、射频频率-噪音系数曲线等等。
整个过程中，电路的原理图都是不变的，改变的只是端口的配置、仿真器的配置还有变量的配置。
其中有几个规律。
对于用来仿真 Mixer 的 HB Simulation 要求 1 端口是射频输入端口、2 端口是中频输入端口、3 端口是本振输入端口。
输入部分一般使用功率源，输出负载是使用“Term” 。
仿真器的配置中，一般 Freq[1]是本振频率，Freq[2]是射频频率，Order 一般是要大于 1 的或者就是变成线性电路仿真了，Sweep 是加入扫描变量的选项，只能扫描直接变量，表达式不能扫描，另外计算噪音的时候要选上“Nolinear” ，Noise[1]噪音输入频率是射频，分析的频率是中频。
Noise[2]选择输出节点是“Vif” 。
这是一般的配置情况，具体的可以参考上面的章节。
教训：因为这个过程中电路原理图要反复用到，也许有同学会选择直接从电路原理图中Copy(Ctrl+a； Ctrl+c； Ctrl+v过去，事实证明， ADS 的这个功能有点缺陷，可能会造成器件之间的连线出问题，建议不要这样处理，可以把文件先做一个备份，然后把备份的名字改掉，这样方面，而且可靠。
镜频抑制混频器的分析与直接解调短波单边带接收机的设计装调
镜频抑制混频器的分析与直接解调短波单边带接收机的设计装调无43 孙忆南 倪彧章一、前言随着通讯设备的小型化，集成化与数字化，传统的多次变频式接收机，由于电路复杂，中频通路难以集成，存在镜频干扰、组合干扰，需要在射频前端添加镜频抑制滤波器，提高了设备成本，难以做到小型化。
而使用零中频接收机，存在本振泄露，动态范围偏小等问题。
两者的折中是低中频接收机，部分解决了上述两种设计的不足。
由于中频很低，所以镜像频率的抑制不能在射频前端完成，一种方案是采用镜频抑制混频器。
本文讨论了一种基于RC 网络分相滤波器的镜频抑制混频器，并分析了其参数的偏差对于镜频抑制比的影响。
然后，使用这种镜频抑制混频器设计制作了一个直接解调型短波单边带接收机。
二、镜频抑制滤波器在信号的变频过程中，镜象干扰是影响电路性能的一个很主要的问题，而要实现镜象抑制，就要求较高频率的中频，使用多次变频，同时对镜频抑制滤波器的要求较高，这样就对电路的集成实现带来了很大的困难。
一种可行的方法，即利用低中频和镜频抑制混频器的方法，在将信号降到低中频的同时，去除镜像干扰信号。
其实现框图如下：图1其中，Vlo 是本振信号，Vin 是射频输入信号，Vout 是去除了镜像干扰信号的低频有用信号。
+90表示移相90度。
数学推导如下：（射频输入信号为用单频信号，对应的镜像信号频率为）0w w +101w w −101201cos[()]cos[()]in V A w w t A w w t =++−（为本振频率，为信号的频率，前一项是有用信号，后一项是镜像干扰信号）0w 1w0111012101210112011310112011cos()11(cos()cos[(2)])(cos()cos[(2)])2211(sin[(2)]sin())(sin[(2)]sin())2211(cos[(2)]cos())(cos[(2)]cos())22Loc V w t V A w t w w t A w t w w t V A w w t w t A w w t w t V A w w t w t A w w t w ==++++−=+−+−+=−++−−+1311cos()out V V V A w t =+=t 从中我们可以看到，如果我们可以保证移相90度的准确性，以及相乘和移相后的输出信号和的幅度是一样的话，那么镜像干扰信号就可以被完全的去掉了。
具有镜频抑制功能的混频电路设计
图 ２ 镜频 抑制 混频 电路原理框图
围可能还会与混频器的射频输入频率范围重合 。
作者简介 ： 魏连成 （９３）男 ， ， １７一， 学士 工程师 ， 主要从 事测量仪器的研发工作 。 现
一
２ — ３
维普资讯
２ ０ 年５ ０ ７ 月 第己 卷 第５ ５ 期
基
—一
调试 ， 本项 目设计 采 用双 平 衡有 源 混 频 器方 案 ， 这种 混 频
振 混 镜
频 通路 经滤波 后 的混频产 物为 ：
１ １
器性能指标一致性较好 ， 同时具有低失真、 低本振功率和 外围电路设计简单的特点 ， 因此两个混频电路可以获得较 好 的幅度 平衡 。混频 器 的 引脚 功 能 和外 围 电路设 计 分 别
维普资讯
２ Ｏ 年巨 Ｏ ７ 月 第己 卷 第巨 巨 期
具 有 镜 频 抑 制 功 能 的 混 频 电
魏 连成
（ 中国电子科技集 团公 司第 四十 一研 究所
青岛 ２ ６５ ） ６ ５ ５
摘 要： 镜频干扰会降低接收机系统的性能 ， 必须设计专门的电路进行抑制。本文介绍了通常的镜频抑制混频器的工作原
Ｖ 一 Ｃ Ｓ ｔｓ ｕ） Ｏ （ —ｃ ￡ ． Ｏ ｚ
ｃｓｏ一 ￡（） ｏ（ｚ ） ２ Ｊ
（） ３
经过相加电路 ， 混频电路最后的输出为 ：
通过 以上 的推导 ， 现这种 结构 的混频 电路 可 以抑 制 发
ｐ ｒｏ ｍ ａ ｅｏ ｈｅｍ ｉｉｇ ｃｒ ｕ ｔｗａ ｉｅＬ ｅ ｆ ｒ ｃ ｆｔ ｘｎ ｉｃ ｉ ｓｇ ｖ Ｉ Ｋｅ ｗｏ ｄ ：ｉ ｇ ｎ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｙ ｒ ｓ ｍａ ｅ ｉｔ ｒｅｅ ｃ ；ｍ ｉ ｒ ｈ ｓ －ｈｉ ｅ ｘｅ ；ｐ ａ ｅ ｓ ｆ ｄ ｔ
第12章镜像抑制混频器的设计与仿真
（4）双击
，修改里面的属性，要求扫描频率从3GHz到
5GHz，扫描步长为100MHZ。
（5）保存电路，点击 按钮，进行仿真。
（6）在数据显示窗口中，点击 按钮，选择相应端口，分析
端口的耦合度及回波损耗，如图12-6所示。
图12-5 3dB定向耦合器仿真电路图
dB(S(3,1)) dB(S(4,1)) dB(S(4,2)) dB(S(3,2))
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 f IF nf L f s
和频或上变频 f IF f L f s
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。
（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
•点击
按钮，创建新项目
•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。
应用ADS软件设计镜像抑制混频器
镜像抑制混频器概述近年来，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，事实并非如此。
对于单边带系统，特别是中频较低的单边带系统来讲，镜像噪声会对噪声带来很大影响。
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。
对于单边带系统，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。
因此，在低噪声放大器频带较宽，且中频不高的单边带系统中，必须使用镜像抑制混频器。
镜频抑制度表示对镜像噪声的抑制程度，镜频抑制度β定义为：'G G =β其中G 信号边带增益G ’镜像边带增益则微波接收机噪声系数与镜频抑制度的关系为：11log(10)(β+=dB M 其中M(dB)微波接收机噪声系数的恶化量表1为镜频抑制度与噪声系数恶化量的数据表1M(dB)0.050.20.5 1.0 2.0 3.0β(dB)19.3613.279.14 5.87 2.330镜像抑制混频器设计1镜像抑制混频器的主要技术指标信号频率 3.6GHz本振频率 3.8GHz中频频率200MHz噪声系数15dB镜像抑制度15dB2镜像抑制混频器的组成镜像抑制混频器电原理图如图1。
3dB正交耦合器射频端口ＶS 同相功率分配器平衡混频器 １平衡混频器 ２本振ＶL ＶL1ＶL23412ＶS1ＶS2Ｚ0＝503dB中正交耦合5678频输出电路下边带中频输出上边带中频输出图1由图1可知镜像抑制混频器由两个平衡混频器、一个射频正交耦合器、一个中频正交耦合器和一个同相功率分配器组成。
3平衡混频器设计我们采用移相90°的平衡混频器，它由这几部分组成：3dB 支节耦合器混频二极管阻抗匹配网络射频短路线和中频滤波器。
用ADS 软件的S 参数仿真功能很容易设计出幅度和相位满足要求的3dB 支节耦合器。
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镜频抑制混频器
应用ADS设计混频器
．概述
图1 为一微带平衡混频器，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°。
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：
可见，信号和本振都分别以 2
π
相位差分配到两只二极管上，故这类混频器称为2
π
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D1中混频电流为：
主要的技术指标有：
1、噪音系数和等效相位噪音(单边带噪音系数、双边带噪音系数)；
2、变频增益，中频输出和射频输入的比较；
3、动态范围，这是指混频器正常工作时的微波输入功率范围；
4、双频三阶交调与线性度；
5、工作频率；
6、隔离度；
7、本振功率与工作点。
设计目标：射频：3.6 GHz，本振：3.8 GHz，噪音：<15。
2.具体设计过程
2.1 创建一个新项目
◇启动ADS
◇选择Main windows
◇菜单－File－New Project，然后按照提示选择项目保存的路径和输入文件名
◇点击“ok”这样就创建了一个新项目。
◇点击，新建一个电路原理图窗口，开始设计混频器。
2.2 3dB 定向耦合器设计
◇里面选择类“Tlines-Microstrip”
◇选择，并双击编辑其中的属性，，这是微带线基板的参数设置，其中的各项的物理含义，可以参考ADS的帮助文档。
◇选择，这是一个微带传输线，选择，这是一个三叉口。
◇按照下图设计好电路图
图2 3dB耦合器
其中50 ohm传输线的线宽w＝0.98mm，四分之一波长长度为10.46mm，35ohm 传输线的线宽为w＝1.67mm，四分之一波长长度为10.2mm。
MTEE是三端口器件，有三个参数W1，W2，W3 具体是有定义的，可以此参考ADS帮助文档。
◇选择类“Simulation－S_Param”并把仿真器和“Term”拉出来放好。
◇双击，修改里面的属性，要求从3GHz 到
5GHz 扫描。
◇保存文档。
◇按“F7”仿真。
◇在“DataDisplay”窗口中，按，如下图所示，看端口的耦合度。
结果如下图所示
图 5 输出端口间的相位差
同样的办法可以看到输出端口的相位差、输入端口的隔离度、输入端口的回波损耗等。
图 6 输出端口的相位差
图7 输入端口的回波损耗
图8 输入、输出端口的隔离度
2.3低通滤波器
◇在类“Lumped-Components”里面选择电容，和电感，按照下图设计电路。
◇加上仿真器，设计为
，表示从0.01GHz，扫描到4GHz。
◇按“F7”仿真。
◇在出现的“DataDisplay”窗口中，按，选择加入S21，仿真结果如下图所示。
图10 低通滤波器仿真结果
2.4 混频器频谱分析
2.41设计完整的电路图
图11 完整的电路图
把混频器的电路图分解为如下图所示的8个部分，下面分别说明一下这8个部分具体的情况。
第一部分第二部分
第三部分就是上面设计出来的3dB定向耦合器，具体请参考3dB耦合器一章。
第4部分匹配电路
第5 部分是晶体管，其中晶体管是使用了模型，具体操作是这样的，先在类“Devices-Diodes”里面，选择，并双击修改里面的属性，建立二极管模型，具体的参数设计参考下图13。
选择，并在相应的位置把器件放好，
其中DIODE1，和DIODE2都是
引用了刚才设计的二极管模板“DIODEM1”。
第6部分是输出阻抗匹配电路，使用传输线做阻抗匹配，
第7部分是低通滤波器，具体电路参考低通滤波器设计电路。
第8部分是一个“Term”，用来做输出负载的。
“Term”是在“Simulation S-Param”中获得的。
注意：第1部分是射频输入端口，端口号就是(Num)要设计为“1”；
第2部分是
本振输入端口，端口号要设计为“3”。
这是一般用HB Simulation仿真的规范要
求。
2.42设置变量
◇在电路原理图窗口上，选择，双击，修改其属性，如下图所示。
◇在类“Optim/Stat/Yield/DOE”里面，选择，并双击修改其属性为
2.43配置仿真器
◇在类“Simulation-HB”里面选择和，先双击修改其属性，主要是
把温度改为符合IEEE标准的16.85度。
◇双击，配置谐波平衡仿真器，具体参见下图
◇按“F7”进行仿真。
◇在出现的“DataDisplay”窗口中，选择，并点击“advance”项目，在对话框里面输入“dBm(Vif)”点击“Ok”就可以显示中频输出的频谱分量。
仿真结果如下图所示：
◇选择，选择显示“ConvGain”结果如下图所示
◇
2.5噪音系数仿真
在上面仿真的基础上，稍微把仿真器修改一下就可以得到噪音系数的仿真结果，双击，修改第二项“Sweep”
图23
表示不在对本振功率“PLO”进行扫描，其他项目不需要做任何改动。
◇按“F7”进行仿真。
◇在新出现的“DataDisplay”窗口中，选择，并把nf(2)添加进去
2.7噪声系数随RF频率的变化
在上面噪音仿真的基础上，做如下改动：
◇修改变量如下图所示：
◇把射频输入端的功率源换成一个“Term”。
◇在类“Simulation-HB”选择一个，双击修改其属性为：
表示从1。
0GHz 扫描到6.0GHz，步长是0.1GHz。
◇配置仿真器，如下图所示。
◇按“F7”进行仿真。
◇在新出现的“DataDisplay”窗口中，点击，并在“advance”对话框中输入“plot_vs(nf(2),HB_NOISE.RFfreq)
最后的仿真结果如下图所示。
2.8三阶交调系数
电路原理图不变，然后做下面的修改
◇设置变量如下图所示：
◇设计输出变量，在类“Optim/Stat/Yield/DOE”里面点击，然后双击编辑
属性
◇在类“Sources-Freq Domain”里面，选择，并把该器件放在1端口，就
是射频输入端口，双击修改其属性。
◇仿真器配置
◇按“F7”进行仿真
◇在新出现的“DataDisplay”窗口中，选择，双击，在“advance”里面
加入“dBm(Vif)”，，并修改坐标最后的仿真结果如下图所示
图35
2.9功率－三阶交调系数
◇在上面的基础上，修改下面的参数
◇变量
◇把仿真器中的一项改掉，其他不变，就是加入了一个扫描变量
◇最后仿真的结果是
◇
心得体会：
这是一个微带平衡混频器，主要是有几部分组成：3dB定向耦合器、二极管的输
入、输出阻抗匹配电路、两个二极管、输出低通滤波器。
在这个实验中，我们应
该先温习好书本上的知识，这样在实验的过程中才会对仿真出来的波形的走势有一个比较好的理解。