可實現(xiàn)上下變頻功能的鏡像抑制混頻器芯片

馬曉亮 李珂

（中國電子科技集團公司第十三研究所 河北省石家莊市 050000）

隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展，其中的微波集成電路受到越來越多的人所關注，成為研究的熱點，對通信系統(tǒng)來說，具有深遠的意義。

混頻器是微波集成電路中重要的一個單元，它實現(xiàn)對信號頻率的線性搬移[1]。通信系統(tǒng)的靈敏度會受到鏡像頻率的干擾，通常系統(tǒng)會引入濾波器或鏡像抑制混頻器來抑制和濾除鏡像信號。鏡像抑制混頻器主要包括兩個無源混頻器單元，射頻端口的功分器單元，本振端口的正交耦合器單元。

在本文中，一個新型的鏡像抑制混頻器芯片被開發(fā)，首先中頻電橋采用了螺旋集總正交耦合器結構，便于與鏡像抑制混頻器電路集成，同時對于電橋的兩個輸出或者輸入端口分別引入開關電路，將鏡像抑制混頻器、中頻電橋和開關電路集成在一個芯片上；通過開關切換電橋隔離段口和合成端口，改變了中頻相位的合成效果，實現(xiàn)對發(fā)射通道和接收通道同一個邊帶的抑制能力，最終實現(xiàn)鏡像抑制混頻器的上下變頻互易功能。該芯片基于GaAspHEMT工藝開發(fā)完成，尺寸為2.25mm*1.50mm*0.10mm。

1 電路設計

1.1 鏡像抑制混頻器理論分析

鏡像抑制混頻器電路由兩個混頻單元，一個90°功分電路組成，是由Hartley在1928年提出的電路結構[2]，如圖1所示。 當用于下變頻系統(tǒng)時，當上邊帶為RF信號時，對應的下邊帶為鏡像干擾信號，分別為：

圖1：Hartly模型

頻率關系為：

ωIF=|ωRF-ωLO|=|ωIM-ωLO|

通過混頻器的乘法原理，得到混頻后的中頻信號，IF端輸出為：

可以看到，RF信號實現(xiàn)了合成，而鏡像信號由于相位相差180°，實現(xiàn)了抵消作用，這就是鏡像抑制混頻器的原理。

與本振信號混頻后，在RF端口有：

圖2：上下變頻模型(低本振工作模式，下變頻電路模型)

這樣有用的中頻信號產(chǎn)生的射頻信號被抑制掉，顯然鏡像抑制混頻器無法直接作為互易結構來用于收發(fā)變頻系統(tǒng)中使用。

1.2 上下變頻設計

對于收發(fā)互易的鏡像抑制混頻器，設計的方案是如圖2所示，通過對傳統(tǒng)的Hartley鏡像抑制混頻器結構進行改進，在中頻端電橋兩個輸出端，分別引入開關組合，實現(xiàn)中頻輸出的可選擇性。當采用高邊帶為RF信號時，選擇SPST1關斷，SPST2導通，SPST3關斷，SPST4導通，在這個條件下，電路簡化成圖1，下變頻在中頻端口信號被疊加，鏡像信號被抵消；而當上變頻時，選擇SPST1導通，SPST2關斷，SPST3導通，SPST4關斷，IF1位置和IF2端口信號為：

通過混頻器的乘法原理，得到混頻后的RF信號：

可以看到，下變頻時對高邊帶的有用信號進行疊加，低邊帶可以看到，下變頻是對高邊帶的有用信號進行疊加，低邊帶的鏡像信號被抑制；上變頻時混頻后是產(chǎn)生了上邊帶射頻信號，下邊帶信號被抑制。這樣使得該結構能同時實現(xiàn)下變頻和上變頻的互易。在片上集成本振端口的90°電橋，采用LANGE電橋結構[3]，但尺寸太大，本文采用集總參數(shù)結構的正交耦合器電路[4]，它由電容、電感或者電容、變壓器來實現(xiàn)。

最終完成了新型的鏡像抑制混頻器芯片，整個芯片的照片如圖3所示。

圖3：鏡像抑制混頻器版圖照片

1.3 芯片的制作和加工

芯片采用GaAs 0.13μm低噪聲PHEMT工藝，內(nèi)部工藝采用肖特基二極管結構，最終實現(xiàn)鏡像抑制混頻器，芯片成品厚度70μm，尺寸為2.25mm*1.50mm*0.10mm。

2 測試結果

對開發(fā)的鏡像抑制混頻器上下變頻芯片進行在片測試，分別測試完成上變頻系統(tǒng)和下變頻系統(tǒng)。

圖4為下變頻和上變頻的變頻損耗指標和鏡像抑制度指標。對于下變頻來說：射頻輸入頻率范圍為14-17GHz, 本振輸入頻率范圍為17-20GHz, 中頻頻率3.5GHz，本振輸入功率為15dBm，可以看到，變頻損耗≥-11dB，而對鏡像信號的抑制度≥22dBc；

圖4：下變頻（左）和上變頻（右）鏡像抑制和變頻損耗測試曲線

對于上變頻來說，中頻輸入頻率范圍為3-4GHz，本振輸入頻率為20GHz, 射頻輸出頻率為16-17GHz，本振輸入功率為15dBm，可以看到，變頻損耗≥-9.5dB，而對邊帶抑制度≥22dBc。

3 結論

在這篇論文中，基于GaAs pHEMT工藝，完成一款新型的鏡像抑制混頻器芯片開發(fā)，該鏡像抑制混頻器產(chǎn)品具有上下變頻互易功能，可同時用于上變頻和下變頻系統(tǒng)中。測試數(shù)據(jù)表明，上下變頻損耗≥-10dB，下變頻時鏡像抑制度≥22dBc,上變頻時邊帶抑制度≥25dBc。該類型的鏡像抑制上下變頻器在各種無線通信系統(tǒng)中具有廣泛的應用。