鏡頻抑制混頻器設計中的相位優(yōu)化

胡榮驊，楊士義

（1.中國空空導彈研究院 河南 洛陽　471099；2.駐中國空空導彈研究院軍事代表室 河南 洛陽　471099）

鏡頻抑制混頻器設計中的相位優(yōu)化

胡榮驊1，楊士義2

（1.中國空空導彈研究院 河南 洛陽471099；2.駐中國空空導彈研究院軍事代表室 河南 洛陽471099）

介紹了鏡頻抑制混頻器的鏡頻抑制原理，分析了鏡像中頻的幅度和相位誤差對鏡頻抑制度的影響。在一只Ku波段鏡頻抑制混頻器設計中，通過ADS軟件進行相位優(yōu)化，使鏡頻抑制度的仿真結果在1 GHz帶寬內提高了6～ 12 dB，變頻損耗小于8 dB，射頻和本振端口駐波比小于1.2。

鏡頻抑制度；混頻器；相位優(yōu)化；Ku波段

在單邊帶接收系統(tǒng)[1]中，鏡頻噪聲通過與本振信號混頻產生干擾與有用信號同時在中頻端口輸出。如果接收系統(tǒng)沒有進行鏡頻抑制，那么系統(tǒng)的噪聲系數(shù)將會惡化[2]。采用鏡頻抑制混頻器是一種常用的鏡頻抑制方法。

在鏡頻抑制混頻器工作原理的基礎上，分析了幅相誤差對鏡頻抑制度的影響，并通過仿真進行了驗證。在鏡頻抑制混頻器設計過程中，對相位進行優(yōu)化補償實現(xiàn)提高鏡頻抑制度的目的。

1　鏡頻抑制混頻器工作原理

鏡頻抑制混頻器由兩個混頻器單元、射頻同相功分器、本振90度功分器和中頻90度移相器和合路器組成，其原理圖見圖1。

圖1　鏡頻抑制混頻器原理圖Fig.1　Principle of image-rejection mixer

鏡頻抑制混頻器的鏡頻抑制原理如下[3]：在理想情況下，假設兩個混頻支路損耗一致而其余部分無耗，90度移相電路外的其他部分沒有相移，電路間輸入輸出匹配無反射。對于有用信號，兩路混頻輸出的中頻信號（Vif1和Vif2），等幅同相；對于鏡頻干擾，Vif1和Vif2等幅反相。因此，由鏡頻干擾產生的中頻噪聲在輸出端相互抵消，實現(xiàn)鏡頻抑制。

2　幅相因素對鏡頻抑制度的影響分析

功分、移相和混頻電路都會引入與理想情況不一致的幅相誤差，由鏡頻信號產生的中頻噪聲在輸出端不能完全抵消[4]。

圖2　幅相因素影響分析圖Fig.2　Analysis of amplitude and phase

有用信號產生的中頻電壓幅度為：Vif=

對于有用信號，兩個混頻支路輸出的中頻信號幅度為Vif1和 Vif2，相差為 覬；對于鏡頻，兩個混頻支路輸出的中頻幅度為Vif1′和Vif2′，相差為鏡頻產生的中頻電壓幅度為：Vif′=則鏡頻抑制度可表示為：IR=20log（|Vif|/|Vif′|）。圖3為鏡頻干擾產生的兩路中頻幅相差對鏡頻抑制度的影響，圖中相位誤差為：deltaP=|180′-覬′|?？梢?，如果要獲得18 dB以上的鏡頻抑制度，對于鏡頻干擾產生的中頻幅度和相位誤差，要控制在2.2 dB和14°的扇形區(qū)間以內。

圖3　幅相誤差對IR的影響結果圖Fig.3　Result of IR affected by error of amplitude and phase

3　本振功分輸出相差優(yōu)化

在鏡頻抑制混頻器設計與調試過程中，由于各組成單元不可能設計為理想電路，必然引起電路間的失配，使兩路中頻信號的幅度和相位，與理想情況（見第2節(jié)）不同。當誤差較大時，鏡頻抑制度將會惡化，不滿足預期的設計指標要求。為提高鏡頻抑制度，對本振功分相位差進行優(yōu)化[4]，使中頻相位差接近于理想情況。

下面在Ku波段鏡頻抑制混頻器設計中，采取本振功分相位優(yōu)化，對提高鏡頻抑制度進行了仿真驗證。其中，兩個混頻單元為完全相同的單平衡混頻器，其主要性能參數(shù)仿真結果如下：在工作帶寬內，變頻損耗小于7.5 dB，噪聲系數(shù)小于7 dB，射頻端口和本振端口駐波比小于1.2。

圖4為優(yōu)化前，本振功分輸出為90度相差時，鏡像抑制混頻器的鏡頻抑制度和中頻相位差的仿真結果。其中，虛線為鏡頻產生的中頻相位誤差，實線為鏡頻抑制度?？梢?，當相位差在13度時，鏡頻抑制度為19 dB；當相位差增加到18度以上時，鏡頻抑制度惡化為16 dB以下。表1為優(yōu)化前本振功分輸出為90度相差時，鏡頻產生的中頻幅度誤差。由圖3得出，當相位誤差在13～18度區(qū)間和幅度誤差在0.3 dB以內時，相位誤差是鏡頻抑制度惡化的主要因素。

圖4　優(yōu)化前相位差和鏡頻抑制度仿真結果Fig.4　Simulation result of deltaP and IR before optimization

表1　優(yōu)化前幅度差仿真結果Tab.1　Simulation result of amplitude difference before optimization

下面對本振90度功分電路進行優(yōu)化[5]，以實現(xiàn)混頻后輸出的兩路中頻信號相位平衡。圖5為本振功分的兩路輸出相位差從70度到90度變化時，鏡頻抑制度（實線）和中頻相位誤差（虛線）的仿真結果?？梢?，本振功分電路的相位差在80度時，鏡像中頻相位誤差最小，鏡頻抑制度最大。圖6為80度相差本振功分電路[6]。

圖5　本振功分相差掃描仿真結果Fig.5　Simulation result of LO divider's phase difference

圖6　80度相差本振功分電路Fig.6　80 degree LO divider

圖7為優(yōu)化后，采用80度相差本振功分，鏡像抑制混頻器的鏡頻抑制度和中頻相位差的仿真結果。其中，虛線為鏡頻產生的中頻相位誤差，實線為鏡頻抑制度。

圖7　優(yōu)化后相位差和鏡頻抑制度仿真結果Fig.7　Simulation result of deltaP and IR after optimization

表2　相位差和鏡頻抑制度優(yōu)化前后差值Tab.2　Difference before and after optimization

由表2可見，將本振功分移相90度調整為80度后，相位誤差減小了9～10度，從而使鏡頻抑制度提高了6～12 dB，在1 GHz的頻帶內達到22 dB以上。圖8為優(yōu)化后的鏡頻抑制混頻器其他參數(shù)仿真結果。其中實線為變頻損耗，長短虛線分別為本振和射頻端口的駐波比。

圖8　變頻損耗和駐波比仿真結果Fig.8　Simulation result of conversion loss and VSWR

4　結束語

文中介紹了鏡頻抑制混頻器在理想情況下的幅相關系，分析了鏡像中頻幅度差和相位差對鏡頻抑制度的影響。在一只Ku波段鏡頻抑制混頻器設計過程中，采取本振功分輸出相差優(yōu)化措施，在其他參數(shù)無明顯惡化的前提下，使鏡頻抑制度的仿真結果在工作頻帶內提高了6～12 dB。采用相位補償，在鏡頻抑制混頻器設計過程中，可實現(xiàn)鏡頻抑制度的指標優(yōu)化。

[1]弋穩(wěn)．雷達接收機技術[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

[2]魏福立．寬頻帶高鏡像抑制度混頻器[J]．半導體技術，2001，26（2）:37-40．

[3]錢可偉．X波段鏡像抑制混頻器設計[J]．中國測試技術，2007，33（1）:122-124．

[4]魏連成．具有鏡頻抑制功能的混頻電路設計[J]．國外電子測量技術，2007，26（6）:23-25．

[5]胡澹，國云川，徐銳敏．Ka波段基波鏡像抑制混頻器無源電路的設計[J]．微波學報，2010（S1）:285-287．

[6]劉文報，劉宇，楊自強，等．Ku波段Wilkinson功分器仿真與設計[J]．應用科技，2014，41（2）:35-37．

Phase optimization in design of image-rejection mixer

HU Rong-hua1，YANG Shi-yi2
（1.China Airborne Missile Academy，Luoyang 471099，China；2.Military Representative office at China Airborne Missile Academy，Luoyang 471099，China）

Image-rejected principle of image-rejection mixer is presented in this paper.It is analyzed that image-rejection ratio is influenced by the error of amplitude and phase of image IF.In design of a Ku-band image-rejection mixer，the phase is optimized using ADS.The simulated result shows that，the image-rejection ratio is improved by 6-12dB，over 1GHz bandwidth，conversion loss is less than 8dB，both VSWR of RF port and LO port are less than 1.2.

image frequency rejection；mixer；phase optimization；Ku-band

TN773

A

1674－6236（2016）01-0080-02

2015-02-10稿件編號：201502093

胡榮驊（1982—），男，四川宜賓人，碩士，工程師。研究方向：射頻接收與發(fā)射電路。