射頻電路中混頻器的設(shè)計(jì)

摘要：目前實(shí)現(xiàn)小型化以及低功耗射頻電路的一種可行性方法是實(shí)現(xiàn)收發(fā)機(jī)射頻電路的集成。在射頻電路的前端，混頻器是實(shí)現(xiàn)頻譜搬移的重要器件，是十分重要的模塊。設(shè)計(jì)了一種微帶平衡混頻器，其主要由3 dB定向耦合器、匹配電路、晶體管和低通濾波器組成，濾波器用來(lái)濾除輸出信號(hào)中高次諧波頻率成分，從而得到需要的中頻成分。然后用ADS軟件進(jìn)行各部分電路設(shè)計(jì)、仿真，從功能仿真圖中看到輸出信號(hào)的頻譜中有需要的中頻頻率成分，這就驗(yàn)證了混頻器頻譜搬移的功能。
關(guān)鍵詞：濾波器；頻率變換；混頻器；ADS仿真

0 引言
    隨著通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，無(wú)線應(yīng)用技術(shù)包括PCS電話、射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)、直播電視服務(wù)(DBS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)和本地多點(diǎn)分布系統(tǒng)(LMDS)等在內(nèi)，都獲得了極大的發(fā)展?，F(xiàn)代的通信接收機(jī)都需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行1，2次頻率變換。實(shí)現(xiàn)頻率變換的電路就是混頻器，也叫變頻器?；祛l器廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域使得它有許多種不同的形式，把輸入信號(hào)的頻率變低叫下變頻，提高輸入信號(hào)的頻率叫上變頻。
    混頻器的典型應(yīng)用是在接收系統(tǒng)中將射頻輸入信號(hào)變換為頻率較低的中頻信號(hào)，以便更容易對(duì)信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的調(diào)整和處理?；祛l器對(duì)電子系統(tǒng)的性能、尺寸、重量和成本有著決定性的影響。發(fā)展小型化、高性能的混頻器有相當(dāng)重要的實(shí)際意義。在無(wú)線電技術(shù)中，混頻的應(yīng)用非常普遍。在超外差式接收機(jī)中，所有輸入信號(hào)的頻率都要變成中頻，廣播收音機(jī)的中頻等于465 kHz，電視接收機(jī)的中頻等于38 MHz?；祛l器還廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)、電子對(duì)抗系統(tǒng)、鎖相環(huán)的相位檢波器、天線與射電天文、雷達(dá)和雷達(dá)天文、再生分頻器、頻譜分析、車距檢測(cè)等各領(lǐng)域。
    混頻器的電路結(jié)構(gòu)形式有單管式混頻、兩管平衡式混頻、多管式混頻。單管式混頻只用一支二極管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但噪聲高，抑制干擾能力差，在要求不高時(shí)可以采用；兩管平衡式混頻器借助于平衡電橋可使本機(jī)振蕩器的噪聲抵消，因而噪聲性能得到改善，電橋又使信號(hào)與本振之間達(dá)到良好隔離，因此平衡混頻器是最普遍采用的形式；多管式混頻：比如管對(duì)式雙平衡混頻器、鏡頻抑制混頻器等，它們是專為特殊要求設(shè)計(jì)的，可用于多倍頻程設(shè)備、鏡頻能量回收或自動(dòng)抑制鏡頻干擾等?；祛l器還可分為：?jiǎn)味嘶祛l器、平衡混頻器、雙平衡混頻器。另外，根據(jù)傳輸線的類型還可劃分為波導(dǎo)混頻器、微帶混頻器、鰭線混頻器。
    混頻器位于低噪聲放大器(LNA)之后，直接處理LNA放大后的射頻信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)混頻功能，混頻器還需要接收來(lái)自壓控振蕩器的本振(LO)信號(hào)，其電路完全工作在射頻頻段。因此，混頻器的設(shè)計(jì)通常要考慮轉(zhuǎn)換增益、線性度、噪聲系數(shù)、端口之間的隔離度以及功耗等性能指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)一個(gè)微帶單平衡混頻器，首先介紹了微帶平衡混頻器的原理結(jié)構(gòu)，之后給出了設(shè)計(jì)目標(biāo)，射頻4 GHz，本振3．5 GHz，中頻500MHz。然后用ADS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，先對(duì)3 dB定向耦合器進(jìn)行仿真，得到端口間的反射系數(shù)在-40 dB以下，這樣信號(hào)的反射能被很好地抑制，接著是低通濾波器的設(shè)計(jì)仿真，用于輸出中頻濾波。最后對(duì)完整的混頻器電路進(jìn)行功能仿真。

1 混頻器原理
    本文將設(shè)計(jì)一個(gè)微帶平衡混頻器，該混頻器電路主要由3 dB定向耦合器、匹配電路、晶體管和低通濾波器組成，如圖1所示。

    設(shè)射頻信號(hào)和本振信號(hào)分別從隔離臂1，2端口加入時(shí)，初相位都是0°，考慮到傳輸相同的路徑不影響相對(duì)相位關(guān)系。通過(guò)定向耦合器，加到二極管D1，D2上的信號(hào)和本振電壓分別為：
   
    可見(jiàn)，信號(hào)和本振都分別以π／2相位差分配到兩只二極管上，故這類混頻器稱為π／2型平衡混頻器。由一般混頻電流的計(jì)算公式，并考慮到射頻電壓和本振電壓的相位差，可以得到D1中混頻電流為：
   
   
2 混頻器設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)目標(biāo)：射頻為4 GHz；本振為3．5 GHz；中頻為500 MHz。
    定向耦合器是一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，主要性能指標(biāo)有耦合度、端口隔離度、傳輸系數(shù)和帶寬。本文主要考慮它的端口隔離度和傳輸系數(shù)。下面主要通過(guò)軟件ADS進(jìn)行各部分電路的設(shè)計(jì)，在ADS里設(shè)計(jì)的3 dB定向耦合器的原理圖如圖2所示。

    通過(guò)仿真得到的端口隔離度如圖3所示。

    由于混頻器輸出的頻率成分中包含其他的高次諧波成分，需用中頻濾波器進(jìn)行濾波才能得到需要的中頻信號(hào)，濾波器的設(shè)計(jì)如圖4所示。

    在3 dB定向耦合器后加入混頻管和匹配電路就構(gòu)成了完整的混頻器電路。通過(guò)ADS軟件進(jìn)行仿真，看輸出信號(hào)中是否有所需要的中頻信號(hào)的頻率成分，從而來(lái)判斷混頻器的設(shè)計(jì)是否正確。通過(guò)仿真得到的結(jié)果如圖5所示。

    從圖5中看出，Vout信號(hào)中含有多種頻率成分。由于射頻信號(hào)幅度為4 GHz，本振信號(hào)幅度為3．5 GHz，所以中頻信號(hào)幅度應(yīng)為500 MHz，輸出信號(hào)的頻譜中有這個(gè)頻率成分，這就驗(yàn)證了混頻器的功能。

3 結(jié)論
    本文在ADS設(shè)計(jì)仿真中，只設(shè)計(jì)了微帶線平衡混頻器，設(shè)計(jì)原理圖后，通過(guò)對(duì)功能的仿真，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)基本符合要求。但混頻器的電路形式有多種，不可能一一列出進(jìn)行仿真，主要是通過(guò)設(shè)計(jì)具體的一種混頻器電路結(jié)構(gòu)形式，熟悉ADS的使用，為以后進(jìn)行這方面的研究打下基礎(chǔ)。另外，本文的設(shè)計(jì)研究是在仿真環(huán)境下完成的，實(shí)際研究中需要考慮存在的一些問(wèn)題，如硬件的選擇、安裝等實(shí)際操作問(wèn)題都需進(jìn)一步研究。