胡榮驊，楊士義

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

鏡頻抑制混頻器設(shè)計(jì)中的相位優(yōu)化

胡榮驊1，楊士義2

（1.中國空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽471099；2.駐中國空空導(dǎo)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(shè)計(jì)中，通過ADS軟件進(jìn)行相位優(yōu)化，使鏡頻抑制度的仿真結(jié)果在1 GHz帶寬內(nèi)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(chǎn)生干擾與有用信號同時(shí)在中頻端口輸出。如果接收系統(tǒng)沒有進(jìn)行鏡頻抑制，那么系統(tǒng)的噪聲系數(shù)將會(huì)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(chǔ)上，分析了幅相誤差對鏡頻抑制度的影響，并通過仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。在鏡頻抑制混頻器設(shè)計(jì)過程中，對相位進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償實(shí)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(gè)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(shè)兩個(gè)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(chǎn)生的中頻噪聲在輸出端相互抵消，實(shí)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(huì)引入與理想情況不一致的幅相誤差，由鏡頻信號產(chǎn)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(chǎn)生的中頻電壓幅度為：Vif=

對于有用信號，兩個(gè)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(gè)混頻支路輸出的中頻幅度為Vif1′和Vif2′，相差為鏡頻產(chǎn)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(chǎn)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′|?？梢姡绻@得18 dB以上的鏡頻抑制度，對于鏡頻干擾產(chǎn)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(nèi)。

圖3　幅相誤差對IR的影響結(jié)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(shè)計(jì)與調(diào)試過程中，由于各組成單元不可能設(shè)計(jì)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(dāng)誤差較大時(shí)，鏡頻抑制度將會(huì)惡化，不滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。為提高鏡頻抑制度，對本振功分相位差進(jìn)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(shè)計(jì)中，采取本振功分相位優(yōu)化，對提高鏡頻抑制度進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。其中，兩個(gè)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(jié)果如下：在工作帶寬內(nèi)，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(shí)，鏡像抑制混頻器的鏡頻抑制度和中頻相位差的仿真結(jié)果。其中，虛線為鏡頻產(chǎn)生的中頻相位誤差，實(shí)線為鏡頻抑制度?？梢?，當(dāng)相位差在13度時(shí)，鏡頻抑制度為19 dB；當(dāng)相位差增加到18度以上時(shí)，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(shí)，鏡頻產(chǎn)生的中頻幅度誤差。由圖3得出，當(dāng)相位誤差在13～18度區(qū)間和幅度誤差在0.3 dB以內(nèi)時(shí)，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(jié)果Fig.4　Simulation result of deltaP and IR before optimization

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

下面對本振90度功分電路進(jìn)行優(yōu)化[5]，以實(shí)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(shí)，鏡頻抑制度（實(shí)線）和中頻相位誤差（虛線）的仿真結(jié)果?？梢?，本振功分電路的相位差在80度時(shí)，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(jié)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(jié)果。其中，虛線為鏡頻產(chǎn)生的中頻相位誤差，實(shí)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(jié)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(diào)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(nèi)達(dá)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(jié)果。其中實(shí)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(jié)果Fig.8　Simulation result of conversion loss and VSWR

4　結(jié)束語

文中介紹了鏡頻抑制混頻器在理想情況下的幅相關(guān)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(shè)計(jì)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(jié)果在工作頻帶內(nèi)提高了6～12 dB。采用相位補(bǔ)償，在鏡頻抑制混頻器設(shè)計(jì)過程中，可實(shí)現(xiàn)鏡頻抑制度的指標(biāo)優(yōu)化。

[1]弋穩(wěn)．雷達(dá)接收機(jī)技術(shù)[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(dǎo)體技術(shù)，2001，26（2）:37-40．

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

[4]魏連成．具有鏡頻抑制功能的混頻電路設(shè)計(jì)[J]．國外電子測量技術(shù)，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(shè)計(jì)[J]．微波學(xué)報(bào)，2010（S1）:285-287．

[6]劉文報(bào)，劉宇，楊自強(qiáng)，等．Ku波段Wilkinson功分器仿真與設(shè)計(jì)[J]．應(yīng)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。