镜频抑制混频器

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。

◇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。

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。

应用ADS 设计混频器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，在各端口匹配地条件下，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°，考虑到传输相同地路径不影响相对相位关系.通过定向耦合器，加到D1，D2上地信号和本振电压分别为：D1上电压)2cos(1πω-=t V v s s s 1-1)cos(1πω-=t V v L L L 1-2D2上电压)cos(2t V v s s s ω= 1-3)2cos(2πω+=t V v L L L 1-4可见，信号和本振都分别以2π相位差分配到两只二极管上，故这类混频器称为2π型平衡混频器.由一般混频电流地计算公式，并考虑到射频电压和本振电压地相位差，可以得到D1中混频电流为：∑∑∞-∞=∞-+-=m n L s m n t jn t jm I t i ,,1)]()2(exp[)(πωπω同样，D2式中地混频器地电流为：∑∑∞-∞=∞++=m n L s m n t jn t jm I t i ,,2)]2()(exp[)(πωω当1,1±=±=n m 时，利用1,11,1-++-=I I 地关系，可以求出中频电流为：]2)cos[(41,1πωω+-=+-t I i L s IF主要地技术指标有：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地比较；3、动态范围，这是指混频器正常工作时地微波输入功率范围；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地路径和输入文件名 ◇ 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，并双击编辑其中地属性，，这是微带线基板地参数设置，其中地各项地物理含义，可以参考ADS地帮助文档.◇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传输线地线宽w＝0.98mm，四分之一波长长度为10.46mm，35ohm 传输线地线宽为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具体是有定义地，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.图3◇双击，修改里面地属性，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，看端口地耦合度.图4结果如下图所示图5 输出端口间地相位差同样地办法可以看到输出端口地相位差、输入端口地隔离度、输入端口地回波损耗等.图6 输出端口地相位差图7 输入端口地回波损耗图8 输入、输出端口地隔离度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.图9 低通滤波器电路图◇加上仿真器，设计为，表示从0.01GHz，扫描到4GHz.◇按“F7”仿真.◇在出现地“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设计完整地电路图图11 完整地电路图把混频器地电路图分解为如下图所示地8个部分，下面分别说明一下这8个部分具体地情况.图12第一部分第二部分第三部分就是上面设计出来地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，具体操作是这样地，先在类“Devices-Diodes”里面，选择，并双击修改里面地属性，建立二极管模型，具体地参数设计参考下图13.图13 选择，并在相应地位置把器件放好，其中DIODE1，和DIODE2都是引用了刚才设计地二极管模板“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6部分第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”，用来做输出负载地.“Term”是在“Simulation S-Param”中获得地..第8部分注意：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仿真地规范要求.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标准地16.85度.◇双击，配置谐波平衡仿真器，具体参见下图图14图15图16图17图19 选择krylov来做噪音仿真◇按“F7”进行仿真.对话框里面输入“dBm(Vif)”点击“Ok”就可以显示中频输出地频谱分量.图20仿真结果如下图所示：◇选择，选择显示“ConvGain”结果如下图所示图21图222.5噪音系数仿真在上面仿真地基础上，稍微把仿真器修改一下就可以得到噪音系数地仿真结果，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.◇在新出现地“DataDisplay”窗口中，选择，并把nf(2)添加进去.noisefreq200.0MHz nf(2)14.0352.7噪声系数随RF频率地变化在上面噪音仿真地基础上，做如下改动：◇修改变量如下图所示：◇把射频输入端地功率源换成一个“Term”. ◇在类“Simulation-HB”选择一个，双击修改其属性为：图24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.图25图27图28图29◇按“F7”进行仿真.输入“plot_vs(nf(2),HB_NOISE.RFfreq)最后地仿真结果如下图所示.图30 2.8三阶交调系数电路原理图不变，然后做下面地修改◇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.◇仿真器配置图31图32图33图34◇按“F7”进行仿真在新出现地“DataDisplay”窗口中，选择，双击，在“advance”里面加入“dBm(Vif)”，，并修改坐标最后地仿真结果如下图所示图352.9功率－三阶交调系数◇在上面地基础上，修改下面地参数◇变量◇把仿真器中地一项改掉，其他不变，就是加入了一个扫描变量◇最后仿真地结果是图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、二极管地输入、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定向耦合器地仿真，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地.后面是介绍一个低通滤波器地设计和仿真，这是比较简单地，用于输出中频滤波.后面是分别设计和仿真了这个Mixer地频谱、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，电路地原理图都是不变地，改变地只是端口地配置、仿真器地配置还有变量地配置.其中有几个规律.对于用来仿真Mixer地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”.仿真器地配置中，一般Freq[1]是本振频率，Freq[2]是射频频率，Order一般是要大于1地或者就是变成线性电路仿真了，Sweep是加入扫描变量地选项，只能扫描直接变量，表达式不能扫描，另外计算噪音地时候要选上“Nolinear”，Noise[1]噪音输入频率是射频，分析地频率是中频.Noise[2]选择输出节点是“Vif”.这是一般地配置情况，具体地可以参考上面地章节.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地这个功能有点缺陷，可能会造成器件之间地连线出问题，建议不要这样处理，可以把文件先做一个备份，然后把备份地名字改掉，这样方面，而且可靠.版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理.版权为个人所有This article includes some parts, including text, pictures, and design. Copyright is personal ownership.y6v3A。

一、预备知识：傅里叶变换11F[cos()]()()22c c c t ωδωωδωω=++-cF[sin()]()()22c c c j jt ωδωωδωω=+--上变频F[()]()x t X j ω=下变频①②③④③+④IFIF为目标频谱二、镜像干扰存在情况下的频谱分析①②③④③+④IFIF 为目标频谱，目标频谱内绿色的有用频谱和红色的干扰频谱交叠，说明产生干扰。

镜像抑制混频器的频谱分析 镜像抑制混频器下，频谱的变换2.1.哈特利结构镜像抑制混频器①②③④⑤⑥90°移相为希尔伯特滤波器，其傅里叶变换后的频谱为输入信号（带镜像干扰）频谱为-ωLo+ωIFωLo-ωIF②处的频谱变换②IFIF经低通滤波后，高频分量被滤除，④处的频谱为IFIF①处的频谱变换①经低通滤波后③处的频谱为③经过希尔伯特滤波器后，⑤处的频谱为⑤⑥处的频谱IF IF Array⑤⑥IF由于两路信号的红色镜像干扰信号，幅度相同，且相位相反，绿色有用信号相位相同。

所以相加合成后，镜像干扰抵消，起到抑制镜像信号的作用。

镜像信号的抑制度主要由两路镜像信号的幅度一致性和相位正交度来决定。

2.2Weaver结构镜像抑制混频器①②③④⑤⑥⑦在3,4两个节点前，该结构跟哈特利结构相同，固3处的频谱为③4处的频谱为IF1IF15处的频谱为③⑤6处的频谱为④IF1IF1⑥-+输出频谱为56⑤-⑤⑥-⑤+⑥由于镜像干扰信号位于高频，且已跟有用信号分开，经低通滤波后得到干净的有用信号三、镜像抑制混频器原理的数学推导3.1哈特利结构镜像抑制混频器数学推导3.2weaver结构镜像抑制数学推导四、基于数字补偿的超宽带镜像抑制混频结构可行性分析。