射频电路中混频器的设计

摘要：目前实现小型化以及低功耗射频电路的一种可行性方法是实现收发机射频电路的集成。在射频电路的前端，混频器是实现频谱搬移的重要器件，是十分重要的模块。设计了一种微带平衡混频器，其主要由3 dB定向耦合器、匹配电路、晶体管和低通滤波器组成，滤波器用来滤除输出信号中高次谐波频率成分，从而得到需要的中频成分。然后用ADS软件进行各部分电路设计、仿真，从功能仿真图中看到输出信号的频谱中有需要的中频频率成分，这就验证了混频器频谱搬移的功能。
关键词：滤波器；频率变换；混频器；ADS仿真

0 引言
    随着通信技术的发展日新月异，无线应用技术包括PCS电话、射频识别(RFID)系统、直播电视服务(DBS)、全球定位系统(GPS)、无线局域网(WLAN)和本地多点分布系统(LMDS)等在内，都获得了极大的发展。现代的通信接收机都需要根据实际应用进行1，2次频率变换。实现频率变换的电路就是混频器，也叫变频器。混频器广泛的应用领域使得它有许多种不同的形式，把输入信号的频率变低叫下变频，提高输入信号的频率叫上变频。
    混频器的典型应用是在接收系统中将射频输入信号变换为频率较低的中频信号，以便更容易对信号进行后续的调整和处理。混频器对电子系统的性能、尺寸、重量和成本有着决定性的影响。发展小型化、高性能的混频器有相当重要的实际意义。在无线电技术中，混频的应用非常普遍。在超外差式接收机中，所有输入信号的频率都要变成中频，广播收音机的中频等于465 kHz，电视接收机的中频等于38 MHz。混频器还广泛应用于控制系统、电子对抗系统、锁相环的相位检波器、天线与射电天文、雷达和雷达天文、再生分频器、频谱分析、车距检测等各领域。
    混频器的电路结构形式有单管式混频、两管平衡式混频、多管式混频。单管式混频只用一支二极管，结构简单，成本低，但噪声高，抑制干扰能力差，在要求不高时可以采用；两管平衡式混频器借助于平衡电桥可使本机振荡器的噪声抵消，因而噪声性能得到改善，电桥又使信号与本振之间达到良好隔离，因此平衡混频器是最普遍采用的形式；多管式混频：比如管对式双平衡混频器、镜频抑制混频器等，它们是专为特殊要求设计的，可用于多倍频程设备、镜频能量回收或自动抑制镜频干扰等。混频器还可分为：单端混频器、平衡混频器、双平衡混频器。另外，根据传输线的类型还可划分为波导混频器、微带混频器、鳍线混频器。
    混频器位于低噪声放大器(LNA)之后，直接处理LNA放大后的射频信号。为实现混频功能，混频器还需要接收来自压控振荡器的本振(LO)信号，其电路完全工作在射频频段。因此，混频器的设计通常要考虑转换增益、线性度、噪声系数、端口之间的隔离度以及功耗等性能指标。本文设计一个微带单平衡混频器，首先介绍了微带平衡混频器的原理结构，之后给出了设计目标，射频4 GHz，本振3．5 GHz，中频500MHz。然后用ADS软件进行设计，先对3 dB定向耦合器进行仿真，得到端口间的反射系数在-40 dB以下，这样信号的反射能被很好地抑制，接着是低通滤波器的设计仿真，用于输出中频滤波。最后对完整的混频器电路进行功能仿真。

1 混频器原理
    本文将设计一个微带平衡混频器，该混频器电路主要由3 dB定向耦合器、匹配电路、晶体管和低通滤波器组成，如图1所示。

    设射频信号和本振信号分别从隔离臂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，加到二极管D1，D2上的信号和本振电压分别为：
   

    可见，信号和本振都分别以π／2相位差分配到两只二极管上，故这类混频器称为π／2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：
   

   

2 混频器设计
    设计目标：射频为4 GHz；本振为3．5 GHz；中频为500 MHz。
    定向耦合器是一个四端口网络，主要性能指标有耦合度、端口隔离度、传输系数和带宽。本文主要考虑它的端口隔离度和传输系数。下面主要通过软件ADS进行各部分电路的设计，在ADS里设计的3 dB定向耦合器的原理图如图2所示。

    通过仿真得到的端口隔离度如图3所示。

    由于混频器输出的频率成分中包含其他的高次谐波成分，需用中频滤波器进行滤波才能得到需要的中频信号，滤波器的设计如图4所示。

    在3 dB定向耦合器后加入混频管和匹配电路就构成了完整的混频器电路。通过ADS软件进行仿真，看输出信号中是否有所需要的中频信号的频率成分，从而来判断混频器的设计是否正确。通过仿真得到的结果如图5所示。

    从图5中看出，Vout信号中含有多种频率成分。由于射频信号幅度为4 GHz，本振信号幅度为3．5 GHz，所以中频信号幅度应为500 MHz，输出信号的频谱中有这个频率成分，这就验证了混频器的功能。

3 结论
    本文在ADS设计仿真中，只设计了微带线平衡混频器，设计原理图后，通过对功能的仿真，验证了该设计基本符合要求。但混频器的电路形式有多种，不可能一一列出进行仿真，主要是通过设计具体的一种混频器电路结构形式，熟悉ADS的使用，为以后进行这方面的研究打下基础。另外，本文的设计研究是在仿真环境下完成的，实际研究中需要考虑存在的一些问题，如硬件的选择、安装等实际操作问题都需进一步研究。