CN101621278A - 可重新配置的外差混频器及配置方法 - Google Patents

Abstract

一种可重新配置的外差混频器及配置方法，该外差混频器包括：信号RF的分频器，用于产生信号RF1和信号RF2；参考装置，包括产生参考信号LO的本地振荡器；第二分频装置，用于将参考信号分频成参考信号LO1和参考信号LO2；至少两个混频单元，其一方面将信号RF1与参考信号LO1混频以产生中频信号IF1，另一方面将信号RF2与参考信号LO2混频以产生中频信号IF2；合成器，用于将中频信号IF1与中频信号IF2重新合成为中频输出信号IF。该混频器包括至少一个用于通过远程控制对信号进行移相的可配置移相装置。

Description

可重新配置的外差混频器及配置方法

技术领域

本发明涉及用于电磁信号的外差混频器领域。更特别地，本发明涉及用于降低外差混频器输出端的干扰信号的装置。

背景技术

一般而言，外差混频器包括至少一个本地振荡器，用LO表示，用于混频输入信号，用RF表示，以产生所需的中频信号，用IF表示。

混频器中的一个已知问题是产生许多混频分量(mixture products)，也称为互调分量(intermodulation products)。这些干扰信号是频率为+/-mRF+/-nLO的分量，其中{n，m}为自然数。特别地，当振荡器和/或输入信号的频谱非常宽时，该问题加重。在后一种情况下，在混频器的输出端在所需频带内或所需频带附近会发现大量干扰信号。

一种已知的解决方案是在混频器输出端利用适当的滤波装置来消除干扰混频分量。该解决方案具有有效地滤除在所需信号周围的干扰信号的优点，但是存在无法处理在所需频带内或接近所需频带的干扰信号的缺点。

另一种解决方案为选择设计成通过构造来消除特定的干扰信号的外差混频器结构。

在这些设计中，存在简单平衡混频器，其由利用在RF和/或LO和/或IF端分频器和合成器的两个简单混频器连接而成。使用这种混频器能够将所需频带内的干扰射线的数量减半。

图1表示这种简单平衡混频器。该混频器包括第一分频器1，其用于将输入信号RF分频成两个振幅平衡的信号RF1和RF2，RF1和RF2的相位可以不同。第二分频器3用于将信号LO分频成振幅相同、相位可以不同的两个信号LO1、LO2。

两个混频器4、5分别一方面将信号RF1和信号LO1混频成第一所需信号IF1，另一方面将信号RF2和信号LO2混频成第二所需信号IF2。

信号IF1和IF2具有相同的振幅和相同的频谱。一方面根据LO1和LO2的相移、另一方面根据RF1和RF2的相移，信号IF1和信号IF2之间可包含相移。

合成器2用于将信号IF1和IF2合成为所需输出信号IF。通常，根据IF1和IF2的相移值，对IF1和IF2之间的0°相移建立Wilkinson耦合器，对90°相移建立Lange耦合器(常被称为“支线”)，对180°相移建立Marchand耦合器。

通过合成，通过构造信号IF可以利用这样结构的原理来减少特定的干扰射线。通过聚合包含例如180°的相移来简单地消除特定的干扰信号。

可以使用其他更为复杂的结构以通过构造来消除更多射线。例如，其中包括双平衡混频器或三平衡混频器。

图2表示包括信号RF的分频器1的双平衡混频器的示例性结构。分频器1用于获得两个振幅平衡、相位取决于分频器引入的相移而可以有所不同的信号RF1和RF2。

与前面相同，分频器3用于将从本地振荡器获得的信号分频，以获得两个振幅平衡的信号LO1、LO2。四个混频器20、21、22和23用于将信号RF1、RF2与信号LO1和LO2混频，以获得信号IF1和IF2。然后合成器2将信号IF1、IF2合成，以获得输出信号IF。

该解决方案比简单平衡混频器更为复杂，使得可以通过信号LO1和LO2之间的相移和信号RF1和RF2之间的相移以及最终在信号IF1和IF2之间的相移，在输出合成器2中合成时部分消除干扰信号。

该解决方案具有能够根据信号相移通过信号的简单合成来消除所需频带内或接近所需频带的干扰信号的优点。

另一方面，该解决方案存在重要缺点。在实践中，互调分量取决于输入信号，尤其取决于输入信号的频率和所需频带。因此，频率+/-mRF+/-nLO处的干扰射线使得从设计的相位中为分频器和合成器选择适当的相移成为关键。通常，对于给定的应用，即对于给定的输入信号RF，选择各个分频器和合成器元件的相移可以消除绝大多数的难以解决的干扰射线。

因此，一个缺点在于，这种受限于为特定输入信号尤其是根据其频率所设计的结构缺乏灵活性。因此，这种混频器的应用比非专用混频器频繁，除非通过改变组件，这种混频器并未提供充分的模块化以适应新的输入信号或新的应用。

此外，由于必须开发与应用一样多的混频器，因此这种解决方案的设计成本高。

发明内容

本发明提供一种克服上述缺点的方法。

为此目的，本发明可以具有可编程移相器，该可编程移相器或者直接处于外差混频器的分频器中和/或合成器中，或者处于分频器和/或合成器的输入端或输出端。

该方案可以根据应用的类型通过电控制来调整分频与合成信号之间的相移。

有利地，外差混频器包括：

输入信号RF的振幅平衡式第一分频装置1，用于产生第一信号RF1和第二信号RF2；

振幅平衡式第二分频装置3，用于将参考信号LO分频成第一参考信号LO1和第二参考信号LO2；

至少两个振幅平衡式混频单元4、5，一方面将第一信号RF1与第一参考信号LO1混频以产生第一中频信号IF1，另一方面将第二信号RF2与第二参考信号LO2混频以产生第二中频信号IF2；

合成装置2，用于将第一中频信号IF1与第二中频信号IF2重新合成为中频输出信号IF。

有利地，可使用至少一个可配置移相装置将信号相移一相位，可通过远程控制调整该相位，可配置移相器位于混频器的分频装置或合成装置任一个中，选择可调相位以便在合成装置2中将分频的输入信号RF1、RF2与分频的参考信号LO1、LO2之间的一组不期望的混频分量反相聚合。

有利地，每个可通过远程控制来调整的所述两个可配置移相器位于输入信号RF和参考信号LO各自的分频装置的每一个中。

有利地，在另一实施例中，每个可通过远程控制来调整的所述两个可配置移相器位于输入信号RF和中频信号IF各自的分频装置的每一个中。

有利地，在另一实施例中，每个可通过远程控制来调整的所述两个可配置移相器位于参考信号LO和中频信号IF各自的分频装置的每一个中。

有利地，在另一实施例中，每个可通过远程控制来调整的所述两个可配置移相器位于输入信号RF、参考信号LO和中频信号IF各自的分频装置的每一个中。

有利地，在另一实施例中，每个可通过远程控制来调整的三个可配置移相器位于信号RF和信号IF2各自的分频装置的每一个的输出端以及合成装置的输入端。

有利地，所述一组不期望的混频分量选自一组整数{n，m}，其满足下式：IF＝+/-mRF+/-nLO，其中LO是参考信号的频率，RF是外差混频器的输入信号的频率。

有利地，远程控制驱动将电压控制在N个状态的电气控制，N是自然数。

有利地，可配置移相装置的可调相位选自相位0°，-90°，+90°或-180°。

有利地，选择可配置移相装置的可调相位，使得：

其中是位于输入信号的分频装置的输出端之一的可配置移相装置的可调相位，是位于参考信号的分频装置的输出端之一的可配置移相装置的可调相位。

有利地，一种消除干扰根据本发明的混频器获得的中频信号IF的一组互调分量的方法，用于输入信号RF频率有变化的应用，其特征在于，该方法包括：

·第一步骤，计算新的中频IF；

·第二步骤，计算在中频信号IF上引入干扰的互调分量，在于找到整数n和m，使得：

在所需频带内或者接近所需频带处IF＝+/-mRF+/-nLO；

·第三步骤，通过至少一个远程控制来调整混频器的可配置移相装置的至少一个可调相位，以在合成装置的输入端获得在中频信号IF上引入干扰的一组反相互调分量。

有利地，第一步骤是选择满足等式IF＝|±mRF±nLO|的中频。

有利地，第二步骤包括计算n和m小于或等于5且分量+/-mRF+/-nLO的振幅大于预定阈值的互调分量。

附图说明

通过下面根据附图给出的描述，本发明的其他特征和优点将显而易见，其中：

图1：现有技术中的简单平衡混频器；

图2：现有技术中的双平衡混频器；

图3：根据本发明的简单平衡混频器。

具体实施方式

在说明书下文中，将通过动态、准静态或静态控制信号来驱动相位的移相器称为“可编程移相器”或“可配置移相器”。

在说明书下文中，将动态、准静态或静态控制信号无差别地称为“远程控制”。

本发明可以在外差混频器中改变合成器和/或分频器的相移的至少其中之一。适当的选择这些相移其中之一可以消除在中频的所需频带内或接近所需频带处引入干扰的大部分互调分量。此外，本发明可以改变相移，从而不需要改变或更换外差混频器的组件。

图3表示简单平衡混频器的优选实施例，其包括分频器模块30、分频器模块32以及合成器模块34，分频器模块30包括分频器1和可编程移相器31，分频器模块32包括分频器3和可编程移相器33，合成器模块34包括合成器2和可编程移相器35。

分频器1将输入信号RF分频成两个振幅平衡的信号RF1和RF2。信号RF2可以从信号RF1相移相位

可以通过驱动可编程移相器31的远程控制300、301来调整相位

可编程移相器31可以无差别地位于通道RF1和/或RF2上。

图3表示各自的三个远程控制。每个远程控制包括调节器(actuator)301和到可编程移相器的链路300。

分频器3将本地振荡器LO分频成两个振幅平衡的信号LO1和LO2。信号LO2可以从信号LO1相移相位

可以通过驱动可编程移相器33的第二远程控制300、301来调整相位

可编程移相器33可以无差别地位于通道LO1和/或LO2上。

通过混频器4将信号RF1和LO1混频，并且信号的分量产生所需信号IF1。类似地，通过混频器5将信号RF2和LO2混频，并且信号的分量产生所需信号IF2。

最后，通过合成器2合成信号IF1和IF2。使用移相器35来调整输入到合成器2的信号IF2的相位

可以通过驱动可编程移相器的远程控制300、301来调整信号IF2的相位

可编程移相器35可以无差别地位于通道IF1和/或IF2上。

变体实施例允许使用位于任一分频器或合成器模块中的单个移相器。

通过仅使用在单个平衡混频器的至少两个分频器和/或合成器模块中的两个可编程移相器来得到其他变体。

因此存在多个变体，例如其中混频器只包括一个可编程移相器。可以是下列三种情况：

·分频器模块30中的可编程移相器；

·分频器模块32中的可编程移相器；

·合成器模块34中的可编程移相器。

此外，外差混频器可以包括至少两个可编程移相器。可以是下列四种情况：

·分频器模块30中的可编程移相器和合成器模块32中的另一可编程移相器；

·分频器模块30中的可编程移相器和合成器模块34中的另一可编程移相器；

·分频器模块32中的可编程移相器和合成器模块34中的另一可编程移相器；

·每个分频器模块30和32中的可编程移相器和合成器模块34中的另一可编程移相器；

在实践中，通常从三个相位

中进行选择以调整一个或两个或三个相移。

在一个实施例中，可配置移相器的相移优选在-180°、-90°、0°、+90°、+180°之中选择，但不排除中间值。该可能的相移选择可以更有效地计算混频器的两个支路的信号的相移合成。

一个优选实施例使合成器34能够将信号IF1和IF2的所需频谱同相合成，将信号IF1和IF2的干扰互调分量反相合成。相同频率和相同振幅的干扰信号的反相聚合具有将其从在合成器的输出端重新合成的所需信号中消除的作用。

在外差混频器的支路之一包括两个可配置移相器的示例性实施例中，可以通过远程控制来调整两个相移。因此，对于在分频器1中包括可配置移相器31并且在分频器3中包括可配置移相器33的外差混频器，可以在外差混频器的支路之一中调整相移

和

然后选择相移

和

以消除接近或基本等于所需信号IF的频率的不期望的互调分量。

理论上，存在无穷的自然数对{m；n}，在示例性实施例中用其得到：IF＝+/-mRF+/-nLO。

在实践中，得到的干扰所需信号的互调分量是信号RF和LO的低倍频。通常，当n和m的值相当小时，信号振幅变的更高。

对于被分成两个具有相同振幅和相同频率的信号RF1和RF2的信号RF以及被分成两个具有相同振幅和相同频率的信号LO1和LO2的本地振荡器LO，混频器在外差混频器的每个支路中产生类型{+/-mRF1+/-nLO1}和{+/-mRF2+/-nLO2}的信号的相同的干扰分量，其中{n，m}为自然数。

通常通过合成类型RF1-LO1或RF1+LO1以及RF2-LO2或RF2+LO2来获得外差混频器的每个支路中的所需分量IF1和IF2。但是，也可以选择其他合成来产生所需中频IF。例如，另外一种情况可能是IF＝2LO-RF。这取决于应用和为混频器所选择的结构。

使用分频器来获得具有相同振幅和相似频谱的中频信号IF1和IF2。

对值n和m获得对于处理信号IF而言最难以解决的互调分量，使得+/-mRF+/-nLO基本等于或非常接近所需频率IF。

从远程控制引入外差混频器支路之一的相移和使得可以在信号IF1和IF2之间引入相移。

在示例性实施例中，可以调整信号IF2的相移

使得对于所需频带内或接近所需频带的干扰信号{m；n}，相移Φ基本接近+/-180°。

该选择还可以在合成器中将之前被分频和混频并且具有相同频率和相同振幅的不期望的信号进行反相聚合。

在后一种情况下，在外差混频器的支路之一中引入的180°相移Φ使得可以在合成器中将干扰信号聚合，使之抵消。

通常，对于小于10的整数n和m，对所需信号引入强干扰的互调分量是信号LO和RF的倍频。因此，对m和n的不同值来检查不同的可能组合是重要的，使得：

对于中频带IF中不期望的干扰分量

取决于信号RF和LO的值，可以选择

和

的值，以对于最大的干扰互调分量得到等于+/-180°的相移Φ。

当在任务过程中必须改变频率RF时，这种解决方案的一个优点在于具有很大的灵活性，表现为可以重新计算干扰互调分量并且调整可配置移相器以通过远程控制来改变相移。

在根据本发明的简单平衡混频器的示例性实施例中，一种情况可以通过下列值获得：

·输入信号：RF＝30GHz；

·本地振荡器：LO＝10GHz；

·载有所需信号的中频：IF＝20GHz；

根据所进行的测量，三种互调分量在所需频带内引入显著干扰：

·5LO-RF＝20GHz；

·2RF-4LO＝20GHz；

·2LO＝20GHz；

对于选择

以及

消除了分量2RF-4LO和

这种方案的一个优点在于，对需要处理输入到混频器中的不同接收信号RF的不同应用，能够调整相位

和

如果应用要求信号RF发生频率偏移，可以从远程控制来改变外差混频器的支路之一的相移。

至少一个可编程移相器的相位的简单重新配置能够用于调整信号IF1和IF2，使得引入干扰的分量能够在合成器中反相地存在。

在另一实施例中，移相器可以直接合并到分频器或合成器中，即组件本身中。

在变体实施例中，远程控制可以是将电压控制在n个状态的电控制，n为自然数。

在变体实施例中，远程控制能够通过微波通道来驱动可编程移相器。在后一情况中，在例如卫星等嵌入式应用中，对于任务的改变，可以重新配置至少一个可编程移相器。

最后，一个变体实施例可以通过配线将例如图2中所示的混频器的分频器或合成器至少之一中的双平衡混频器中的可配置移相器预置为固定电压。

这种方案的一个优点是能够通过设计去掉外差混频器的复杂结构，该外差混频器包括处理混频分量抑制定律的宽频带。

另一优点是能够用可变本地振荡器来动态地重新配置混频器，该混频器处理宽频带输入信号RF。该方案提供了根据本地振荡器的值来消除混频分量的方法。

Claims (12)

1、一种外差混频器，包括：

输入信号(RF)的振幅平衡式第一分频装置(1)，用于产生第一信号(RF1)和第二信号(RF2)；

振幅平衡式第二分频装置(3)，用于将参考信号(LO)分频成第一参考信号(LO1)和第二参考信号(LO2)；

至少两个振幅平衡式混频单元(4，5)，一方面将第一信号(RF1)与第一参考信号(LO1)混频以产生第一中频信号(IF1)，另一方面将第二信号(RF2)与第二参考信号(LO2)混频以产生第二中频信号(IF2)；

合成装置(2)，用于将第一中频信号(IF1)与第二中频信号(IF2)重新合成为中频输出信号(IF)，

其特征在于，至少两个可配置移相装置，每个用于将信号分别相移第一相位和第二相位，可通过两个远程控制来调整所述第一相位和第二相位，每个可配置移相器位于混频器的分频装置或合成装置的任一个中，选择每个可调相位以便在合成装置(2)中将分频的输入信号(RF1，RF2)与分频的参考信号(LO1，LO2)之间的一组不期望的混频分量反相聚合。

2、如权利要求1所述的外差混频器，其特征在于，每个可通过远程控制来调整的所述两个可配置移相器位于输入信号(RF)和参考信号(LO)各自的分频装置的每一个中。

3、如权利要求1所述的外差混频器，其特征在于，第一可配置移相器位于输入信号(RF)的分频装置中，第二可配置移相器位于中频信号(IF)的合成装置中。

4、如权利要求1所述的外差混频器，其特征在于，第一可配置移相器位于参考信号(LO)的分频装置中，第二可配置移相器位于中频信号(IF)的合成装置中。

5、如权利要求1所述的外差混频器，其特征在于，每个可通过远程控制来调整的三个可配置移相器位于信号RF和信号IF2各自的分频装置的每一个的输出端以及信号IF的合成装置的输入端。

6、如权利要求1至5任一项所述的外差混频器，其特征在于，所述一组不期望的混频分量选自一组整数{n，m}，其满足如下等式：IF＝+/-mRF+/-nLO，其中LO是参考信号的频率，RF是外差混频器的输入信号的频率。

7、如权利要求1所述的外差混频器，其特征在于，远程控制驱动将电压控制在N个状态的电控制，N是自然数。

8、如权利要求2至5任一项所述的外差混频器，其特征在于，可配置移相装置的可调相位选自相位0°，-90°，+90°或-180°。

9、如权利要求6所述的外差混频器，其特征在于，选择可配置移相装置的可调相位，使得：

其中

是位于输入信号(RF)的分频装置的输出端之一的可配置移相装置的可调相位，

是位于参考信号(LO)的分频装置的输出端之一的可配置移相装置的可调相位。

10、一种消除干扰中频信号(IF)的一组互调分量的方法，所述中频信号从根据如权利要求3至9任一项所述的混频器获得，该方法用于输入信号(RF)频率有变化的应用，其特征在于，该方法包括：

第一步骤，计算新的中频(IF)；

第二步骤，计算在中频信号(IF)上引入干扰的互调分量，在于找到整数n和m，使得：

在所需频带内或者接近所需频带处IF＝+/-mRF+/-nLO；

第三步骤，通过至少一个远程控制来调整混频器的可配置移相装置的至少一个可调相位，以在合成装置的输入端获得一组反相互调分量。

11、如权利要求10所述的消除干扰中频信号(IF)的一组互调分量的方法，其特征在于，第一步骤是选择满足等式IF＝|±mRF±nLO|的中频。

12、如权利要求10所述的消除干扰中频信号(IF)的一组互调分量的方法，其特征在于，第二步骤包括计算分量+/-mRF+/-nLO的振幅大于预定阈值的互调分量。

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