维普资讯 http://www.cqvip.com 第３３眷第１２００７车１月 ＣＨＩＮＡ ＭＥＡＳＵ中国测试技术 。 孟丽Ｅ ｒｆⅡｖ－’ｃＨＮＯ【０ＧＹ 、 ｏ１Ｊａｎ．．３３ Ｎｏ．２０ｏ７ １ Ｘ波段镜像抑制混频器设计 钱可伟 （Ｅｇ子科技大学，四川成都６１００５４） 摘要：随着微波通信技术的迅速发展。作为微波接收机主要部件之一的混频器也向小型化，多功能化发展。利用 ＡＤＳ工具辅助设计和调试了—个Ｘ波段镜像抑制混频器。对常用混频器的结构进行了改进，通过测试结果可以看 出。这种改进能实现较高的镜频抑制度和较低的变频损耗，且各端口间的隔离度也较好。混频器工作频率１０．５ＧＨｚ。 中频１ＧＨｚ，混频管采用ＨＳＭＳ－８１０１。基板为Ｒｏｇｎｍ５８８０，其介电常数为２．２。 关■词：单平衡混频器；３ｄＢ正交耦合电桥；功分器 中田分类号：ＴＮ７４３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－４９８４｛２００７）０１－－０１２２－－０３ Ｘ－ｂａｎｄ ｉｍａｇｅ－ｒｅｊｅｃｔ ｍｉｘｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ＱＩＡＮ Ｋｅ－ｗｅｉ （Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５４・Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｌｃｍｗａｖｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍｉｘｅｒ，ｔｈｅ ｍｅｉｎ ｐａｒｔ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｎ￣ｅｉｖｅｒ，ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｍｏｒｅ ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｓｍａｌｌｅｒ．￣ｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａ Ｘ－Ｂａｎｄ Ｉｍａｇｅ－Ｒｅｊｃｅｔ Ｍｉｘｅｒ Ｄｅｓｉｎｇ ｎａｄ ｉｔｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ｕｓｉｎｇ ＡＤＳ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ． Ｉ１Ｉｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍｉｘｅｒ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ。８０ ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｈｉｇｈｅｒ ｉｍａｇｅ－ｒｅｊ’ｅｃｔｉｏｎ 聃ｗｅｌｌ ａｓ ｌｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｌｏｓｓ．Ａｌｓｏ。ｔｈｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅａｃｈ ｐｏｒｔ ｉ８ ｂｅｔｔｅｒ山ａｎ ｂｅｆｏｒｅ．－Ｉ１ｌｅ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ １０．５ＧＨｚ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉＳ １Ｇ｝Ｉｚ．Ｉｔ ＵＳｅ８ ＨＳＭＳ一８１０１ ｄｉｏｄｅｓ（Ａｇｉｌｅｎｔ）ａｓ ｔｈｅ ｍｉｘｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ｔｌｌｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｉｓ ２．２ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅｉｈｇｔ ｉＳ ０．５ｍｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｉｎｇｌｅ—ｂａｌａｎｃｅｄ ｍｉｘｅｒ；３ｄＢ ｂｒａｎｃｈ－ｌｉｎｅ ｃｏｕｐｌｅｒ；Ｐｏｗｅｒ－ｄｉｖｉｄｅｒ １ 引 言 随着微波通信技术的迅速 发展，微波接收机的小型化，合 理化，多功能化日趋成熟。作为 微波接收机主要部件之一的混射频 频器也向小型化，多功能化发 展。混频器不仅需要有频率变换 作用，还应有镜像信号抑制等功 能。镜像抑制技术是现代战争中 电子对抗技术的一种。为了有效 图１混频器工作原理图 地进行反干扰，在大型电子设备中几乎都采用了镜 号与本振的隔离度￣＞２０ｄＢ，所需最佳本振功率 像抑制技术，此种技术应用在变频器的设计上已取 ６ｄＢｍｏ 得了反干扰效果，它使有用的信号能更充分的被利 ２镜像抑制混频器的工作原理 用，最大限度地抑制了镜像干扰信号。 图ｌ为镜像抑制混频器的工作原理图。它包括 本文用四只二极管制作了镜像抑制混频器，对 两个单平衡混频器，一个功分器，一个３ｄＢ分支电 ３ｄＢ正交耦合电桥进行了ＡＤＳ优化设计，保证了输 桥，两个低通滤波器，一个９ｏ。移相电路和一个合路 出的幅相平衡。混频管采用ＨＳＭＳ一８１０１，工作频率 器。 为１０．５ＧＨｚ，中频频率为ＩＧＨｚ，变频损耗≤ｌＯｄＢ，镜 当本振电压 由本振输入端口馈人３ｄＢ分支 频抑制度＞￣２０ｄＢ，信号与中频的隔离度＞￣３０ｄＢ，信 电桥后，将分别在混频器Ｉ，Ⅱ的输入端口产生两 收稿日期：２００６－０３－２３：收到修改稿日期：２００６－（０－０２ 个大小相等，相位相差９ｏ。的本振电压 。和 ，该 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３３卷第１期 钱可伟：Ｘ波段镜像抑制混频器设计 １２３ 电压与来自于信号端口，经同相功分器平分而得的 信号电压 。和 分别作用于混频器Ｉ和Ⅱ，在两 混频器的中频输出端上产生大小相近，相互正交的 两个中频电压，低通滤波后将信号Ⅱ移相９ｏ。再与 信号Ｉ通过合路器，就形成有用的中频输出。 设：１．无源电路是理想无耗电路 ２．除移相电路外，其他电路无相移 ３．信号电压为ＶＩ＝ ∞ ４．本振电压为Ｖｐ＝ ｏｓ ５．镜频电压为Ｖｉ＝Ｖ￣＊ｃｏｓｏＪ￣ 。， ，∞ ∞广∞ ∞ ｔ０ ∞ｌ 所以加到混频器Ｉ和Ⅱ上的信号电压和本振 电压分别为： 混频器Ｉ：Ｉ，Ｉ－＝—ｌＶ ＿２ ｏｓ （１） （２） 混频器Ⅱ： — 飞，，’ Ｖ，，￣ｇｃｏｓｗ，ｔ （３） 击 ０ｓ（ 。。） （４） 由于混频管分别在两个相位差９ｏｏ的本振电压激励 下的非线性电导为： －ｇ０＋ ｃｏ 抖 ｃｏｓ ｔ＋２＆３ｃｏｓｗ／＋Ｌ（５） ｇｅ＝ｇｏ＋２ｇｔｃｏｓ（％ｔ－９０。）＋２ｇ￣ｃｏｓ２（％ｔ一９０。）＋ ２ｇ３３ｃｏｓ（％ｔ－９０。） （６） 则当仅考虑基波混频时，混频器Ｉ和Ⅱ上的电 流分别为： １１＂ｇｌｃｏｓ％ｔｇ＝寿ＶｓｍＣＯ￥Ｏ￣ｓ拉 ｇｌ ＶｓｍＣ０５（ ）ｌ＋ ｇｌ ＶｓｍＣ０８ ）ｌ （７） ／￣－ｇｌ ｃ０８（ 扣 音ＶｓｍＣＯＳＯＪｓ拉 ｇｌ ｃ０ｓ［（∞， ）ｌ伽ｏ】＋ ｃ０ｓ【（ ）ｌ ｏ】 （８） 由此看出，混频器Ⅱ的输出中频电流相位超前 于混频器Ｉ ９ｏｏ．将其经过９ｏｏ移相器后，可与Ｉ，的 中频电流通过合路器同相相加输出。当信号输入端 馈入镜像干扰信号Ｖ 时，同理有： １ Ｊｌ＝ｇ，ｃｏ￣ｐｔｇ Ｉ， ｃｏ蚴Ｉｔ Ｖ‘ １ ， 、 Ｉ， ｃｏＢ ｉ Ｊ件 ‘Ｖ‘ ‘Ｖ＿Ｉ‘ ｃｏｓ（ ）ｔ （９） ，２ ｃｏ８（ ｌ一９０。 ＣＯＳＯＪｉｔ－－ Ｖ ‘Ｖ＿Ｌ‘ ｇｌ ｃｏｓ【（ ‘）ｔ－９０。】＋ Ｉ，Ｉｍｅ０８［（ ）ｔ－９０。】 （１ｏ） Ｌ Ｖ‘ 由此看出，镜相产生的混频器Ⅱ的输出中频电 流相位滞后于混频器Ｉ ９０￣，将其经过９０￣移相器 后，可与Ｉ。的中频电流通过合路器反相抵消，从而 实现了镜频抑制。 ３镜像抑制混频器的设计方案 根据镜像抑制混频器的工作原理和特性要 求，本文采用了３ｄＢ分支电桥作为本振端的正交 耦合器，其特点是具有较宽的频带及良好的幅度 和相位平衡性。采用一分为二的同相功分器作为 射频信号的同相功分器。其特点是将射频信号一 分为二地等幅同相地输入到混频器Ｉ，Ⅱ的信号 输入端，且设计较为简单。混频器Ｉ，Ⅱ分别为单 平衡混频器。中频输出端分别接低通滤波器，使杂 波得到更好的抑制，再将混频器Ⅱ的输出中频经 过９ｏ。移相并与混频器Ｉ的中频通过一个合路器 同相相加，便可得到中频输出信号。而镜像信号的 输出中频反相抵消，起到了镜像抑制作用。设计过 程中分单元电路进行设计，然后根据实践给予调 整。选择混频管要尽可能使其配对，本文选择 Ａｇｉｌｅｎｔ公司的ＨＳＭＳ一８１０１。 ３．１ ３ｄＢ分支电桥．同相功分器的设计 根据３ｄＢ分支电桥和同相功分器技术指标要 求及工作原理，应用ＡＤＳ软件设计，仿真，并优化。 所得结果准确性高，在理论上保证了各电桥在频带 内的幅相平衡。 ３．２单平衡混额器的设计 单平衡混频器的设计原理图如图２所示，采用 ３ｄＢ分支电桥和匹配电路。实验证明这种设计达到 了预期的目的。整个电路组合后，符合原设计要求。 维普资讯 http://www.cqvip.com １２４ 中国测试技术 ２ｏ０７年１月 图２单平衡混频器 ３．３低通滤波器的设计 考虑到寄生通带的影响，将截止频率设在 ４ＧＨｚ，采用高低阻抗线，用ＡＤＳ仿真并优化。实验 证明将它加在单平衡混频器后可很好的抑制杂波， 并且在中频点（１ＧＨｚ）的插损很小。 ３．４ ９０。移相电路的设计 用一个串联贴片电感和两个并联贴片电容完 成，设计如图３所示。 图３ ９０度移相电路 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ｍ２２ ； １－ｒ 一 ； Ｉｌｉｌ ……・｛…－ 、：：一 ｉ ｉ 。＼ 、 ● ● ，ＧＩ－Ｉｚ 图４相移和损耗 由ＡＤＳ仿真图可见，在中频点（１ＧＨｚ），该组合 电路较好的完成了９Ｏ。的相移，并且插损非常小。 ３．５合路器 根据所要求的技术指标，本电路将１ＧＨｚ时由 ＡＤＳ设计优化的功分器倒过来使用即可用做一个 合路器，其幅度不平衡度和相位不平衡度经过试验 均符合设计要求。 经过以上各电路的反复设计优化，最后把各单 元电路组合在一起，制作在８，－２．２，ｔ－Ｏ．Ｏ０３ｍｍ，＾＝ ０．５ｍｍ的Ｒｏｇｅｒ５８８０基板上。 ３．６仿真结粜 如图５、图６所示，当输入信 号功率为一３０ｄＢｍ时。输出功率 出为一３６．８ｄＢｍ，即变频损耗为一 ６．８ｄＢ；镜像抑制度为输入有用信 号（１Ｏ．５Ｇ ）时的输出功率一 ３６．８１２ｄＢｍ减去输入镜像信号 （８．ＳＧＨｚ）时的输出功靴．１ １５ｄＢｍ等于２５．３ｄＢ；信 号与本振。信号与中频的隔离度分别为２２．６ｄＢ， ３７．９ｄＢ。 ４设计分析 在单平衡混频器后面加入低通滤波器，使镜频 抑制和各端口隔离度都得到较大改善。经过ＡＤＳ仿 真得出镜频抑制度提高９．３ｄＢ，信号与本振隔离度 提高８．１ｄＢ，信号与中频和本振与中频的隔离度均 ＾ｆＡ一目∞ 一 ｌ ｌ 提高１５ｄＢ以上，而插损仅仅增加了０．０ ∞ ３ｄＢ，∞ 可见该 ∞ ＬＰＦ对混频器的性能有较大提高。 用简单的移相电路代替了复杂的专用移相器， 它仅仅由两只电容和一只电感组成，结构简单，插 损极小，较好的实现了移相功能。 １口 ｌ ．＇ ｒ ’ Ｌ Ｊ ＿＝。 ＿● Ｌ Ｌ － —＿● ～ ＿＿＿● ＿ －－－ ● ● Ｊ Ｌ ： Ｊ ｉ● ＿ ＿＿＿ ’－－ －－－● ● … ‘ 一２０ｏ ＿● Ｔ Ｔ — 丘ｅｑ，ＧＨｚ 图５输出频｛普图（１ｏ．５ＧＨｚ） 帆ｌ ｒ ＿●＿●＿● ●－● Ｉ Ｊ ● －●●● ●－●● －。－。。● ● Ｌ ．Ｉ ● ●－－ －●－● － ●●● 。， Ａ－・・一 —▲Ｉ ●Ｔ ●－ ＿●● －２００ ｆｒｅｑ。Ｇｌｉｚ 图６输出频谱图（８．５ＧＨｚ）【下转第１４１页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３３卷第１期 于鹏等：利用插值法和曲线拟合法标定电涡流传感器 １４１ ｂ。ｂｏ，然后就可得到直线方程。 ４结论 电涡流传感器的标定是非常重要的环节，对测 ［２】李庆杨，王能超，易大义．数值分析嗍．武汉：华中理工大 学出版社，２０００． 【３】张善杰，唐汗，高瑞章．实用计算方法【Ｍ】．南京：南京大 学出版社，１９９８． 量结果影响很大。为改善传感器的非线性，可采用 ［４】唐珍，金坚明。李志杰．计算方法嗍．北京：高等教育出 最小二乘法理论进行校正，也可以采用类似模拟量 版社。１９９２． 校正中的折线法，这里我们采用了最小二乘与分段 ［５１上海科学技术大学．精密测试技术【Ｍ】．上海：人民铁道出 处理相结合的方法，既保证了一定精度又易于处 版社。１９７９． 理，实践证明是切实可行的。另外对于传感器的线 【６】费业察．误差理论与数据处理嗍．合肥：合肥工业大学出 版社，１９９４． 性化问题，除软件校正外，还可以采用线性化电路 进行线性处理。 参考文献 【７】毛英泰．误差理论与精度分析【Ｍ】．＝Ｉ匕京：国防工业出版 社。１９８２． 【１】强锡富．传感器 】．北京：机械工业出版社，１９９８． （上接第１２４页） 中频一本振隔离度：（一３９．２ｄＢｍ）一（一７７．５ｄＢｍ） ＝３８．３ｄＢ； 在单平衡混频器中，中频输出线要先从两混频 管中间引出，所以我们将该线宽设为０．１ｍｍ（工艺能 达到的最低线宽）。因为当其线条尽量细（既特性阻 抗尽量高）时，由细线构成的电感对高频有更好的 步减小。 信号一本振隔离度：（一３９．２ｄＢｍ）一（一５９．８ｄＢｍ） ＝２０．６ｄＢ； ＲＦ信号端ＶＳＷＲ １．５。 扼流作用，从而使高频功率向中频电路的泄露进一 ６ 结５实验测试结果 ５．Ｉ测试结果 输入工作频率时的输出功率：一３９．２ｄＢｍ 输入镜像频率时的输出功率：一６４．３ｄＢｍ ＲＦ信号在输出端的功率：一７２．１ｄＢｍ 本振信号在输出端的功率：一７７．５ｄＢｍ 噪声系数：＜ｌｏｄＢ ５．２变频损耗与镜频抑制度 论 本文研制的镜像抑制混频器，电路设计合理， 测试结果较为满意。在输入ＲＦ信号频率为 １０．５ＧＨｚ，本振功率６ｄＢｍ时，镜像抑制度大于 ２０ｄＢ，变频损耗小于ｌＯｄＢ；噪声系数小于ｌＯｄＢ，信 号一中频隔离度大于３０ｄＢ，信号一本振隔离度大于 ２０ｄＢ。本振一中频隔离度大于３ｏｄＢ。 参考文献 【１】Ｅ．Ｆ．Ｂｅａｎｅ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｘｅｒ ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌｓ肚 Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｐｏｗｅｒ【Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｔｒａｍ． Ｅｌｅｃｔｒｏｍｕｇｎ．Ｃｏｍｐａｒ，１９７１，１３：５６－６３． 输入ＲＦ信号功率Ｉ ｓ＝一３０ｄＢｍ，ＲＦ信号频率 ２］ Ｓ．Ｍａａｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｍｉｘｅｒ．Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ，Ｎｏｒｗｏｏｄ，ＭＡＹ， １０．５ＧＨｚ，本振９．５ＧＨｚ，调节本振功率。根据测试结 【１９８６． 果可知，当输＾本振功率为６ｄＢｍ时。变频损耗达到最 、：（一３０ｄＢｍ）一（一３９．２ｄＢｍ）＝９．２ｄＢｍ。且在１０．３ＧＨ 【３】Ｃｈｆｉａｏｔｏｓ Ｔｓｉｒｏｎｉｓ．Ｒｏｍａｎ ａｎｄ Ｒｕｉｎｅｒ Ｓｔａｈａｎｎ．Ｄｕａｌ－Ｇａｔｅ Ｉ￣６ＧＨｚ范围内，镜像抑制度均￣＞２０ｄＢ，在中心频率 ｆ．＝ｌｏ．５ＧＨｚ处，镜像抑制度可达２５ｄＢ。 噪声系数经测试在本振信号功率不变的情况 ＭＥＳＦＥｒ Ｍｉｘｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ ＭＩＴ，１９８４，３２（３）：２４９－２５５． ［４１ Ｓｔｅｐｈｅｎ Ａ，Ｍａｓｓ．Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ＡＩＩｇｌｙ８ｉ８ ｏｆ ＧａＡａ ＭＥＳＦＥＴ Ｍｉｘｅｍ［］Ｊ．ＩＥＥＥ ＭＴｒ，１９８４，３２（１卿１４０２． 下，工作频率在１０．４—１０．６ＧＨｚ范围内，噪声系数 ｎＦ＜ｌＯｄＢ。 【５】顾其净。等．微波集成电路设计【Ｍ１ｔｊ匕京：人民邮电出版 社。１９７８． ５．３隔离度与驻波系数 【６】清华大学＜微带电路＞编写组．微带电路【枷．＝Ｉ匕京：清华大 学出版社。１９８６． 【７］＜中国集成电路大全＞编委会．微波集成电路【 ．北京：国 防工业出版社，１９８５． 输入本振功率６ｄＢｍ，由表格可知。信号一中频 隔离度：（一３９．２ｄＢｍ）一（一７２．１ｄＢｍ）＝３２．９ｄＢ；