CN100505518C

CN100505518C - 一种镜频抑制混频器

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Publication number: CN100505518C
Application number: CNB2005100222258A
Authority: CN
Inventors: 杨涛; 杨自强
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2025-12-06
Also published as: CN1808893A

Abstract

一种镜频抑制混频器，属于电子通信技术领域，涉及一种微波毫米波镜频抑制混频器集成技术。包括等幅同相功分电路、两个偶次谐波混频单元、两个中频滤波电路、等幅0°/90°功分电路、90°移相电路和合路器六个单元，前四个单元集成在一个芯片上；所述等幅同相功分电路为阻抗匹配的T接头网络，所述偶次谐波混频单元由采用电容加载技术的马卡德巴伦和无偏置的两个混频管构成，所述中频滤波电路为一段λ/2开路线。其实质是通过单独或综合采用上述改进技术特征，在充分保证变频损耗、镜频抑制度和LO和RF的隔离度等性能指标要求下，大大缩小镜频抑制混频器芯片部分的面积，降低器件的制造成本，从而满足现代通信、雷达系统对电路小型化、低成本的要求。

Description

一种镜频抑制混频器

技术领域

一种镜频抑制混频器，属于电子通信技术领域，涉及一种微波毫米波镜频抑制混频器集成技术。

背景技术

随着微波通讯技术的迅速发展，人们对通讯设备的要求也越来越高。体积小，重量轻，可靠性高，稳定性好等优点使得微波单片集成电路(MMIC)在微波通讯领域逐渐取代了波导系统和混合集成电路。微波单片集成电路是用半导体工艺把有源器件、无源器件和微波传输线、互连线等全部制作在一片砷化镓或硅片上而构成的集成电路。

混频器是超外差式微波集成电路接收系统中必不可少的部件。无论是微波通信、雷达、遥控、遥感、还是侦察与电子对抗，以及许多微波测量系统，都必须将微波信号用混频器降到中低频来进行处理。至今各种微波系统中几乎都采用了集成电路混频器，主要是因为集成式混频器体积小，性能稳定可靠，设计技术成熟，而且结构灵活多样，可以适合各种特殊应用。

在任何SSB超外差式微波系统中，镜频抑制都是颇为重要的、且是必须解决的技术问题。首先是为了避免噪声恶化，如果超外差接收机没有进行镜频抑制，即使在混频器之前有低噪声放大器，而且尽管低噪声放大器的噪声系数很低、增益也很高，则全系统的噪声仍将恶化3dB；其次是为了避免镜频干扰，大气、天电，尤其是镜频附近的高频信号对通信、雷达等无线电设备更构成威胁。

在超外差系统中抑制镜频干扰主要有两种办法，一是在混频器前加镜频抑制滤波器，但只适用于高中频的情况。当中频频率不很高时，镜频与信频相距不远，这时，带通滤波器(或带阻滤波器)很难做到既不影响信频传输，又针对镜频有很高的抑制度。尤其是在信号频率经常改变的微波设备中，例如捷变频雷达或者某些宽频带微波通信机，当信号频率改变时，镜频超出滤波器抑制频带，滤波器就不起作用了。另一种办法就是采用镜频抑制混频器，它的主要特点是对镜频的抑制作用是自动的，能识别外来信号是有用信号还是镜象信号。也就是说，当本振频率和信号频率改变时，被抑制的镜频也自动变化，起到抑制镜频作用。

通常镜频抑制混频器采用的电路结构如图1所示，包括等幅同相功分电路1、混频单元2、中频滤波电路3、等幅0°/90°功分电路4、90°移相电路5、功率合成电路6六个部分，前四个部分一般在芯片上实现。其基本工作原理为：本振(LO)信号等幅同相地分配到两个混频单元；射频(RF)信号分为等幅的0°/90°两路信号，分别加到两个混频单元；在中频口，采用中频滤波电路滤出中频信号；然后利用90°移相电路对其中一路中频信号移相90°，再把两路中频信号输入到功率合成电路，由于信频产生的中频(IF)信号等幅同相，而镜频产生的中频信号等幅反相，使得功率合成电路输出信频产生的IF信号(所需IF信号)，而抑制了镜频产生的IF信号。此种混频器对电路结构的对称性要求很高，任何幅度和相位的不平衡都会造成混频器的镜频抑制度变差。

现有的一种正交混频器芯片结构如图2所示(见K.S.Ang，M.Chongcheawchamnan，D.Kpogla，P.R.Young，I.D.Robertson，D.Kim，M.Ju，and H.Seo，“Monolithic Ka-bandeven-harmonic quadrature resistive mixer for direct conversion receivers，”in IEEERadio Frequency In tegrated Circuits Symp.Dig.，Phoenix，AZ，May 2001，pp.169-172.)，它与镜频抑制混频器的唯一区别是两路中频信号不需要合成输出，因此它的电路结构与镜频抑制混频器芯片部分的电路结构完全相同。包括采用威尔金森电桥作为等幅同相功分电路1、由马卡德巴伦(Marchand Balun)和两个pHEMT管组成的偶次谐波混频单元2、采用由串联高阻抗微带线和并联电容组成的低通滤波器作为中频滤波电路3和采用兰格电桥作为等幅0°/90°功分电路4。L0信号通过威尔金森电桥等幅同相分配到两个偶次谐波混频单元；RF信号通过兰格电桥分为等幅0°/90°两路信号，分别加到两个偶次谐波混频单元；在中频口，采用由串联高阻抗微带线和并联电容组成的低通滤波器为中频滤波电路滤出中频信号，实现了正交解调。混频单元采用阻性FET混频，L0信号经过马卡德巴伦变为等幅反向信号，分别加到两个PHEMT管栅极，RF信号等幅同相加到两个PHEMT管漏极，这就实现了偶次谐波混频。

利用这种正交混频器芯片加上90°移相电路、功率合成电路就可以组成一种镜频抑制混频器。但是利用这种正交混频器芯片做成的镜频抑制混频器由于正交混频器芯片本身尺寸较大，不利于整个镜频抑制混频器的小型化(其中，芯片部分尺寸最小只能做到2.1*2.9)；另外，整个镜频抑制混频器的性能有待进一步提高(文献中报道的正交混频器采用2次谐波混频)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有更小尺寸的镜频抑制混频器，与同类产品相比，具有同等优良的性能(镜频抑制度、变频损耗)，并实现四次谐波混频。

本发明的详细技术方案为：

一种镜频抑制混频器，如图3所示，包括等幅同相功分电路1、两个偶次谐波混频单元2、两个中频滤波电路3、等幅0°/90°功分电路4、90°移相电路5、功率合成电路6等六个单元，前四个单元集成在一个芯片上；LO信号通过等幅同相功分电路I等幅同相地分配到两个偶次谐波混频单元2；RF信号通过等幅0°/90°功分电路4分为等幅的0°/90°两路信号，分别加到两个偶次谐波混频单元2；在中频口，采用中频滤波电路3滤出所需的中频信号；然后利用90°移相电路5对其中一路中频信号移相90°，再把两路中频信号通过功率合成电路6合成输出，得到信频产生的IF信号，从而对镜频产生的IF信号进行抑制；

其特征在于，所述等幅同相功分电路1为一简单的输入、输出端口阻抗相匹配的T接头网络；

所述偶次谐波混频单元2采用阻性场效应晶体管(FET)混频，由采用电容加载技术的马卡德巴伦和两个混频管组成，其中，采用电容加载技术的马卡德巴伦结构如图5所示，其耦合线长度缩短为未加载电容的马卡德巴伦耦合线长度的八分之一，LO信号经过采用电容加载技术的马卡德巴伦变为等幅反向信号，分别加到两个混频管栅极，RF信号等幅同相加到两个混频管漏极，以实现偶次谐波混频；混频管可采用增强型赝晶型高电子迁移率管(pHEMT管)或增强型高电子迁移率管(HEMT管)；

所述中频滤波电路3为一段λ/2开路线，其一端与两个混频管漏极相连，另一端悬空，IF信号从距开路点λ/4处取出，以实现对RF信号的抑制，同时防止RF信号从中频口泄漏。

需要说明的是，上述三方面的改进技术特征可以单独采用，也可以综合采用，可以实现不同需求的多种镜频抑制混频器。如果把偶次谐波混频单元2中的采用电容加载技术的马卡德巴伦和无需偏置电路的混频管视为偶次谐波混频单元的两个改进技术特征，则以上四方面的改进技术特征可以单独采用，也可以综合采用。

本发明所述的镜频抑制混频器，其实质在于如何缩小该混频器芯片部分的尺寸。主要改进有四个方面：(1)、设计一简单的T接头网络来实现LO信号的功率分配，与常用的wilkinson电桥相比，能实现相同的电气性能，但大大缩小面积；(2)、对Marchand Balun进行改进设计，它是镜频抑制混频器芯片中的关键部件，通过电容加载技术缩小Marchand Balun尺寸，改进后Marchand Balun耦合线长度仅为改进前Marchand Balun耦合线长度的八分之一，大大缩小了Balun的面积，进而缩小了镜频抑制混频器芯片部分的面积；(3)、采用不需要任何偏置电路的三极管阻性混频，可进一步减小电路复杂度，缩小芯片面积。一般三极管混频都需要加直流偏置，这无疑会增加电路复杂度和芯片面积，在本发明中，采用三极管阻性混频，不需要在漏极加偏置，同时采用增强型pHEMT(或HEMT)管作为混频管，在不加栅偏压的情况下，该管已处于截止状态，符合开关混频的要求，因此也不用加栅偏置；(4)、中频滤波电路采用简单的λ/2开路线实现滤波，无需并联电容，一定程度上更加简化了电路和缩小了镜频抑制混频器芯片部分的面积。通过以上四点改进，整个镜频抑制混频器的电路尺寸大大缩小，满足了现代通信、雷达系统对电路小型化的要求；同时电路体积的缩小也降低了制造成本，对于降低通信、雷达等整机系统的成本也很有意义。表一列出了本发明和现有技术中一种正交混频器的比较。从表中可以看出，和国外的设计相比，本发明所述的镜频抑制混频器芯片部分面积缩小了56％，同时性能上也有所提高，实现了四次谐波混频。

参考	混频结构	本振谐波次数	工作频率(GHz)	镜频抑制度(dB)	变频损耗(dB)	尺寸(mm<sup>2</sup>)
参考	混频结构	本振谐波次数	工作频率(GHz)	镜频抑制度(dB)	变频损耗(dB)	尺寸(mm<sup>2</sup>)	现有技术	阻性混频	2	30~40	未知	约14~24	2.1*2.9
本发明	阻性混频	4	30~40	15~34	21~29.5	1.4*1.9	现有技术	阻性混频	2	30~40	未知	约14~24	2.1*2.9

附图说明

图1为通常镜频抑制混频器的电路结构示意图，其中，1为等幅同相功分电路，2为偶次谐波混频单元，3为中频滤波电路，4为等幅0°/90°功分电路，5为90°移相电路，6为功率合成电路。

图2为现有的一种正交混频器芯片结构示意图，其中，1为采用威尔金森电桥等幅同相功分电路，2为由马卡德巴伦和两个pHEMT管组成的偶次谐波混频单元，3为采用由串联高阻抗微带线和并联电容组成的低通滤波器的中频滤波电路，4为采用兰格电桥的等幅0°/90°功分电路。

图3为本发明所述的一种镜频抑制混频器的电路结构示意图，其中，1为采用输入、输出端口阻抗相匹配的T接头网络的等幅同相功分电路，2为由改进的马卡德巴伦和两个混频管组成的偶次谐波混频单元，3为采用一段λ/2开路线实现的中频滤波电路，4为采用兰格电桥的等幅0°/90°功分电路，5为90°移相电路，6为合路器。

图4为马卡德巴伦结构示意图。

图5为本发明所述的采用了电容加载技术的改进的马卡德巴伦结构示意图。

图6为Ka频段四次谐波镜频抑制混频器芯片部分实物照片。

图7为Ka频段四次谐波镜频抑制混频器实物照片。

图8为本发明所述的Ka频段四次谐波镜频抑制混频器的变频损耗测试结果。

图9为本发明所述的Ka频段四次谐波镜频抑制混频器的镜频抑制度测试结果。

图10为本发明所述的Ka频段四次谐波镜频抑制混频器的LO和RF的隔离度测试结果。

具体实施方式

一种四次谐波镜频抑制混频器，如图3所示，包括采用输入、输出端口阻抗相匹配的T接头网络的等幅同相功分电路1、由改进的马卡德巴伦和两个混频管组成的偶次谐波混频单元2、采用一段λ/2开路线实现的中频滤波电路3、采用兰格电桥的等幅0°/90°功分电路4、90°移相电路5和合路器6，前四个部分在芯片上实现；RF信号通过兰格电桥分成0°/90°两路信号分别加到两个偶次谐波混频单元，而LO信号通过T接头网络等幅同相分配到两个偶次谐波混频单元，在中频输出口，利用90°移相电路对一路中频信号移相90°，再把两路同相的中频信号通过合路器合成输出，实现镜频抑制；混频单元采用阻性FET混频，LO信号经过马卡德巴伦变为等幅反向信号，分别加到两个PHEMT管栅极，RF信号等幅同相加到两个PHEMT管漏极，这就实现了偶次谐波混频。

所述T接头网络的输入端采用50欧姆微带线，两个输出端采用100欧姆微带线，以实现输入、输出端口的阻抗匹配。

对于兰格电桥，首先采用已有的公式计算出兰格电桥的初始尺寸，再用电磁仿真软件HFSS对电路进行仿真和优化，最后得到兰格电桥在30—40GHz的频率范围内幅度不平衡度小于0.55dB，相位不平衡度小于1度。

对于偶次谐波混频单元，由于采用了四次谐波混频，LO频率相对较低，常用的马卡德巴伦(如图4所示)的λ/4耦合线长度相对于芯片来说很长，不利于在芯片上实现，因此采用集总参数元件加载的办法来缩小马卡德巴伦尺寸。特性阻抗为Z₀的λ/4传输线可以等效为特性阻抗为Z，长度短于λ/4，两端接有并联电容的传输线。它们之间的等效关系为：

Z = \frac{Z_{0}}{\sin (θ)},

C = \frac{\cos (θ)}{2 {πfZ}_{0}}

其中，Z₀是原马卡德巴伦的特性阻抗；Z和θ是进行电容加载后马卡德巴伦的特性阻抗和耦合长度；C是加载电容大小；f是工作频率。图5是采用电容加载技术后的马卡德巴伦结构示意，其偶合线长度缩小为未加载马卡德巴伦耦合线长度的八分之一，大大缩小了马卡德巴伦面积。采用电磁仿真软件对该电路进行仿真，幅度不平衡度小于1.27dB，相位不平衡度小于3度。

阻性FET混频一般需要在三极管栅极加一负电压，以使三极管处于夹断状态，实现开关混频，提高混频效率。在本设计中，采用增强型pHEMT(或HEMT)管作为混频管，在不加栅偏压的情况下，该管已处于截止状态，因此可以去掉栅偏置电路，简化电路设计，缩小芯片面积。

对于中频滤波电路，在IF口采用一段λ/2开路线实现对RF信号的抑制，防止RF信号从中频口泄漏，IF信号从距开路点λ/4处取出。

图6是Ka频段四次谐波镜频抑制混频器芯片部分实物照片，采用商用的0.18-μm GaAsPHEMT工艺制造，芯片尺寸仅为1.4*1.9mm²。图7是Ka频段四次谐波镜频抑制混频器实物照片，包括芯片部分、90°移相电路和合路器。

在RF为30—40GHz，IF固定在60MHz，对该混频器进行测试：RF输入功率为—20dBm，LO输入功率为12dBm；变频损耗为21dB—29.5dB，包括输入、输出接头和IF合路器的损耗(约为1dB)，如图8所示；镜频抑制度为15dB—34dB，在30—40GHz的大部分频率点上镜频抑制度都大于20dB，只是在频率低端稍差，如图9所示；由于采用偶次谐波混频，L0和RF端口的隔离度很好，在LO为7.5—10GHz时，LO和RF的隔离度为23.8dB—35dB，如图10所示。

Claims

1、一种镜频抑制混频器，包括等幅同相功分电路、两个偶次谐波混频单元、两个中频滤波电路、等幅0°/90°功分电路、90°移相电路、合路器六个单元，前四个单元集成在一个芯片上；本振信号通过等幅同相功分电路等幅同相地分配到两个偶次谐波混频单元；射频信号通过等幅0°/90°功分电路分为等幅的0°/90°两路信号，分别加到两个偶次谐波混频单元；在中频口，采用中频滤波电路滤出所需的中频信号；然后利用90°移相电路对其中一路中频信号移相90°，再把两路中频信号通过合路器合成输出，得到信频产生的中频信号，从而对镜频产生的中频信号进行抑制；其特征在于，所述等幅同相功分电路为一简单的输入、输出端口阻抗相匹配的T接头网络；所述偶次谐波混频单元采用阻性场效应晶体管混频，由采用电容加载技术的马卡德巴伦和两个混频管组成，其中.采用电容加载技术的马卡德巴伦其耦合线长度缩短为未加载电容的马卡德巴伦耦合线长度的八分之一，本振信号经过采用电容加载技术的马卡德巴伦变为等幅反向信号，分别加到两个混频管栅极，射频信号等幅同相加到两个混频管漏极，以实现偶次谐波混频；所述偶次谐波混频单元的混频管采用增强型赝晶型高电子迁移率管或增强型高电子迁移率管。

2、根据权利要求1所述的一种镜频抑制混频器，其特征在于，所述T接头网络的输入端采用50欧姆微带线，两个输出端采用100欧姆微带线，以实现输入、输出端口的阻抗匹配。

3、根据权利要求1或2所述的一种镜频抑制混频器，其特征在于，所述中频滤波电路3为一段λ/2开路线，其一端与两个混频管漏极相连，另一端悬空，中频信号从距开路点λ/4处取出，以实现对射频信号的抑制，同时防止射频信号从中频口泄漏。