CN104821792A - 一种通过对消抑制输出本振谐波幅度的混频器及方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过对消抑制输出本振谐波幅度的混频器及方法，采用0°功分桥将来自外部本振源的本振信号，功分为两路等幅同相的本振信号分别进入两路混频器，两路混频器输出的本振基波及谐波信号，经过180°耦合桥，将等幅同相的两路本振基波及谐波信号变为两路等幅反相信号，对本振基波及谐波信号对消抑制，重点解决星载接收机频率变换过程中本振基波及谐波抑制困难或无法抑制的难点，所有的电路经过合理的布局设计，可作为星载接收机、发射机的频率变换混频器使用，降低了射频链路的设计难度，提升了接收机谐杂波抑制性能,安全性高，可以很好的应用在星载通信系统中。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过对消抑制输出本振谐波幅度的混频器及方法，属于微波技术领域。
背景技术
随着通信卫星技术的不断发展，卫星通信容量不断增加，系统对星载微波接收机的设计要求越来越高，主要体现在高的集成度、较小的体积尺寸、较高的谐杂波抑制度等。而目前，在通信卫星有效载荷转发器中微波接收机的频率变换往往存在本振基波或谐波离输出中频频率非常近，或者直接落在中频工作频带内(如低本振、高中频的接收机变频模式)，造成滤波器对本振谐波抑制难度极高或根本无法进行抑制的情况，从而影响了接收机的性能。
混频器作为星载微波接收机中的一种核心的微波器件，其性能好坏直接影响着接收机的性能。混频器有多种类型，包括单终端、单平衡、双平衡形式，随着星载有源产品对集成度的要求越来越高，目前，航天产品星载接收机中的混频器基本采用MMIC集成的双平衡混频器或单平衡混频器，具有体积小、一致性好、可靠性高的特点，但这类混频器对本振谐波的抑制能力非常有限，对于高中频、低本振变频模式的接收机应用来讲，本振的二次或高次谐波往往离输出中频频率非常近，或者直接落在中频工作频带内，造成滤波器设计难度巨大或根本无法直接滤除，带来了接收机射频链的复杂或接收机带内杂波性能不达标。
附图3给出了传统的混频器电路的设计实例。其中混频器本振输入信号为2.225GHz，射频输入信号为5.925GHz，最终输出的中频信号为3.7GHz及一系列谐杂波信号。
附图3中频信号产生除3.7GHz以外的一系列谐杂波信号是由于混频器的非线性特性决定的。
附图4给出了利用附图3方案设计的传统混频器最终的中频信号输出频谱的仿真结果。图中m1标记了附图2中所示的中频3.7GHz信号；m2标记了附图2中所示的本振2.225GHz信号；m3标记了附图2中所示的本振二次谐波4.45GHz信号；m4标记了附图2中所示的本振三次谐波6.675GHz信号
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种通过对消抑制输出本振谐波幅度的混频器及方法，通过在传统混频器电路结构中加入0°功分器、180°耦合桥和50Ω匹配负载，很好的对消抑制了传统混频器电路中中频信号输出端的常见的本振基波和谐波信号，重点解决星载微波接收机高中频、低本振变频模式下，本振谐波抑制困难或无法抑制的难题，大大降低了射频链路的设计难度。该新设计电路主要包括两个混频器、0°功分器和180°耦合桥。
本发明解决的技术方案为：一种通过对消抑制输出本振谐波幅度的混频器，包括0°功分器、第一混频器、第二混频器、第一50Ω匹配负载、第二50Ω匹配负载、180°耦合桥；第一混频器包括本振端、射频端和中频输出端，第一混频器、第二混频器结构相同；
由外部本振源送来的本振信号通过0°功分器，将外部本振信号功分为两个幅度相等、相位相同的本振信号，分别馈入第一混频器、第二混频器的本振端，两个等幅同相的本振信号中的一路与第一混频器射频端馈入的射频信号进行混频，第一混频器中频输出端输出的中频信号、本振信号的基波及本振信号的谐波信号，送至180°耦合桥的第一输入端口；两个同幅同相的本振信号中的另一路送至第二混频器的本振端，第二混频器的射频端接第一50Ω匹配负载，第二混频器中频输出端仅输出本振信号的基波及本振信号的谐波信号，送至180°耦合桥的第二输入端口，180°耦合桥将第一混频器送来的中频信号、本振信号的基波及本振信号的谐波信号和第二混频器送来的同幅同相的本振信号的基波及本振信号的谐波信号，进行功率合成，同幅同相本振信号的基波及本振信号的谐波信号幅度对消，中频信号不变，合成信号分两路输出，第一路通过第二50Ω匹配负载接地，第二路输出至外部接收机中频通道，本振基波及谐波信号对消抑制20dB以上而所需的中频信号仅幅度降低3dB。
中频输出端输出的中频信号，除了包括混频产生的中频信号，还有本振信号及其谐波信号，是由第一混频器和第二混频器自身的非线性特性决定。
一种通过对消抑制输出本振谐波幅度的方法，步骤如下：
(1)由外部本振源送来的本振信号通过0°功分器，将外部本振信号功分为两个幅度相等、相位相同的本振信号，分别馈入第一混频器、第二混频器的本振端；
(2)将步骤(1)两个等幅同相的本振信号中的一路与第一混频器射频端馈入的射频信号进行混频，第一混频器中频输出端输出的中频信号、本振信号的基波及本振信号的谐波信号，送至180°耦合桥的第一输入端口；
(3)将步骤(1)两个同幅同相的本振信号中的另一路送至第二混频器的本振端，第二混频器的射频端接第一50Ω匹配负载，第二混频器中频输出端仅输出本振信号的基波及本振信号的谐波信号，送至180°耦合桥的第二输入端口；
(4)180°耦合桥将步骤(2)第一混频器送来的中频信号、本振信号的基波及本振信号的谐波信号和步骤(4)第二混频器送来的同幅同相的本振信号的基波及本振信号的谐波信号，进行功率合成，同幅同相本振信号的基波及本振信号的谐波信号幅度对消，中频信号不变，合成信号分两路输出，第一路通过第二50Ω匹配负载接地，第二路输出至外部接收机中频通道，本振基波及谐波信号对消抑制20dB以上而所需的中频信号仅幅度降低3dB。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明在传统混频器电路中加入了0°功分器和180°耦合桥，在实现接收机频率变换的同时可将两个混频器输出的本振基波及其谐波信号对消抑制，使本振基波及谐波信号幅度抑制20dB以上，使接收机中频通道无需再增加本振基波及谐波的高抑制腔体滤波器，缩小了接收机体积和重量，可使接收机实现小型化轻量化。
(2)本发明通过简单的0°功分器能够实现将外部本振源输入信号分成两路等幅同相的本振信号输入给两个混频器，作为激励混频器工作的本振信号。
(3)本发明通过简单的180°耦合桥将两路混频器中频输出端输出的等幅同相本振基波及谐波信号进行反相对消抑制20dB以上，而中频信号仅损失3dB。
附图说明
图1为本发明电路图；
图2为本发明具体实例电路图；
图3为传统混频器电路图；
图4为传统混频器输出频谱；
图5为本发明混频器输出频谱。
具体实施方式
本发明的基本思路为：提供一种通过对消抑制输出本振谐波幅度的混频器及方法，针对传统的混频器电路加入了0°功分器、180°耦合桥和匹配负载，其电路原理是由外部本振源送来的本振信号通过0°功分器，将外部本振信号功分为两个幅度相等、相位相同的本振信号，分别馈入第一混频器、第二混频器的本振端，第一混频器射频端馈入的射频信号进行混频，第二混频器的射频端接第一50Ω匹配负载，第一混频、第二混频器的输出信号经过180°耦合桥功率合成，输出中频信号、本振和本振谐波信号，本振基波及谐波信号对消抑制20dB以上而所需的中频信号幅度仅降低3dB，很好的抑制了传统混频器中常见的本振基波和谐波信号。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
来自外部本振源的本振信号通过0°功分器，输出两路同幅同相的本振信号LO1和LO2，将两路同幅同相的本振信号LO1和LO2分别输入到第一混频器、第二混频器的本振信号输入端。第一混频器将0°功分器送来的本振信号LO1与接收机外部送来的射频信号RF进行混频，并且输出中频信号；第二混频器的射频端口通过第一50Ω匹配负载接地，50欧姆匹配完成混频器射频端口与50欧姆微波传输线系统特征阻抗的匹配，消除射频端口反射，本振端口将0°功分器送来的本振信号LO2作为本振输入信号，第二混频器的中频输出端输出本振基波和谐波信号。180°耦合桥将第一混频器、第二混频器输出的信号分别输入给第一输入端口和第二输入端口，180°耦合桥的隔离端通过第二50Ω匹配负载电阻连接接地，50欧姆匹配负载完成耦合桥隔离端口与50欧姆微波传输线系统特征阻抗的匹配，消除隔离端口反射，180°耦合桥的分布式结构和隔离端口的50欧姆匹配负载电阻共同保证180°电桥将第一混频器、第二混频器输出的信号在其输出端实现等幅反相对消，输出端最终输出中频信号以及被对消抑制的本振基波和谐波信号。附图2给出了使用本发明电路的设计实例。
其中将图1中的本振信号LO用2.225GHz替代，将图1中的射频信号RF用5.925GHz替代。
具体电路实现的指标如下：
射频输入频率：5.925GHz
本振工作频率：2.225GHz
中频输出频率：3.7GHz
中频端口泄露本振功率：≤-60dBm
中频端口测得的本振二次谐波功率：≤-60dBm
中频端口测得的本振三次谐波功率：≤-60dBm
本发明在实际应用中，从接收机本振端口输入的2.225GHz本振信号通过0°功分器，输出两路相同幅度相同相位的2.225GHz信号，将两路相同幅度相同相位的信号2.225GHz分别输入到第一混频器、第二混频器的本振端口。第一混频器将送来的2.225GHz本振信号与外部送来的5.925GHz射频信号进行混频，并且输出中频信号3.7GHz、2.225GHz和2.225GHz谐波信号；第二混频器射频端口通过第一50Ω匹配负载接地，本振端口将0°功分器送来的2.225GHz信号作为本振输入信号，第二混频器的中频端口输出中频信号、本振2.225GHz信号及本振2.225GHz谐波信号。180°耦合桥将第一混频器和第二混频器中频端口送来的一系列信号输入到自身的第一输入端口和第二输入端口进行功率合成，180°耦合桥的隔离端口通过第二50Ω匹配负载接地，输出端口输出最终的中频信号以及被对消抑制的本振基波和谐波信号。
附图5给出了使用本发明混频器最终的中频信号输出频谱的仿真结果。图中的m5标记了附图2中所示的中频3.7GHz信号；
仿真结果表明，与传统的混频器相比，采用本方案的混频器电路对于本振基波、谐波的抑制效果明显，本振基波、谐波的幅度均得到了对消，在理想情况下，对消可以达到无限好，即抑制度无限大，而中频信号幅度仅降低了3dB，即变损增加3dB(180°耦合桥带来的损耗)。
本发明实例中，电路结构简单，所用到的器件均为MMIC，一致性好，电路体积小，集成度高，性能稳定，不需要调试，可靠性高。本发明设计的混频器对本振基波及本振各次谐波的抑制性能有一个大幅度的提升，给接收机整机带来的积极效果至少有两方面：一方面，对于某些工作频段上，由于需要规避本振谐波离中频频率过近或落入中频工作带内而采用两次变频方案(或多次变频)的接收机，可以考虑采用一次变频方案，减少了频率源的数量，大大降低了射频链的设计难度，接收机的重量和体积可以减少约一半，同时节约了成本；另一方面，由于混频器本身对本振各次谐波的抑制性能非常理想，可以降低滤波器的设计难度，减少中频输出滤波器的使用级数，同时节省了为抑制本振杂波而在射频链路中增加的介质或者腔体滤波器，降低了射频链的复杂度，由于省去了需要高抑制性能的滤波器(而这些滤波器往往采用腔体或介质形式，体积庞大)，从而可以更好的运用MCM及SIP等集成电路形式，不仅减少了模块多次封装带来的电性能和可靠性问题，而且极大程度提升了接收机射频链的集成度，同时将整机的集成度提升到一个新台阶，体积和质量能降至传统接收机的1/3以下，性能更可靠，一致性更高，从而星载接收机在性能、体积和质量等方面可以媲美Alcatel、NTS、As truim等欧美日一流宇航公司接收机产品，提升星载接收机产品的国际影响力和竞争力。
本发明设计的混频器产品结构简单、设计灵活、便于集成、设计通用性强，可以采用多级MMIC芯片级联使用，选用现用芯片即可实现；也可以将此电路拓扑运用到MMIC单片设计中，采用一个MMIC单片实现全部功能，一致性和可靠性更高。同时，本发明设计思想很容易推广到其它频段，能适应更高频段的要求，可以应用到各种需要的微波和毫米波电路和系统中，解决了本振各次谐波抑制在接收机实现中的一系列难点，为本振谐波抑制混频器的设计提供了极佳的设计思路和模板，具有加大的实用价值和推广价值。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
Claims (3)
1.一种通过对消抑制输出本振谐波幅度的混频器，其特征在于：包括0°功分器、第一混频器、第二混频器、第一50Ω匹配负载、第二50Ω匹配负载、180°耦合桥；第一混频器包括本振端、射频端和中频输出端，第一混频器、第二混频器结构相同；
由外部本振源送来的本振信号通过0°功分器，将外部本振信号功分为两个幅度相等、相位相同的本振信号，分别馈入第一混频器、第二混频器的本振端，两个等幅同相的本振信号中的一路与第一混频器射频端馈入的射频信号进行混频，第一混频器中频输出端输出的中频信号、本振信号的基波及本振信号的谐波信号，送至180°耦合桥的第一输入端口；两个同幅同相的本振信号中的另一路送至第二混频器的本振端，第二混频器的射频端接第一50Ω匹配负载，第二混频器中频输出端仅输出本振信号的基波及本振信号的谐波信号，送至180°耦合桥的第二输入端口，180°耦合桥将第一混频器送来的中频信号、本振信号的基波及本振信号的谐波信号和第二混频器送来的同幅同相的本振信号的基波及本振信号的谐波信号，进行功率合成，同幅同相本振信号的基波及本振信号的谐波信号幅度对消，中频信号不变，合成信号分两路输出，第一路通过第二50Ω匹配负载接地，第二路输出至外部接收机中频通道，本振基波及谐波信号对消抑制20dB以上而所需的中频信号仅幅度降低3dB。
2.根据权利要求1所述的一种通过对消抑制输出本振谐波幅度的混频器，其特征在于：中频输出端输出的中频信号，除了包括混频产生的中频信号，还有本振信号及其谐波信号，是由第一混频器和第二混频器自身的非线性特性决定。
3.一种通过对消抑制输出本振谐波幅度的方法，其特征在于步骤如下：
(1)由外部本振源送来的本振信号通过0°功分器，将外部本振信号功分为两个幅度相等、相位相同的本振信号，分别馈入第一混频器、第二混频器的本振端；
(2)将步骤(1)两个等幅同相的本振信号中的一路与第一混频器射频端馈入的射频信号进行混频，第一混频器中频输出端输出的中频信号、本振信号的基波及本振信号的谐波信号，送至180°耦合桥的第一输入端口；
(3)将步骤(1)两个同幅同相的本振信号中的另一路送至第二混频器的本振端，第二混频器的射频端接第一50Ω匹配负载，第二混频器中频输出端仅输出本振信号的基波及本振信号的谐波信号，送至180°耦合桥的第二输入端口；
(4)180°耦合桥将步骤(2)第一混频器送来的中频信号、本振信号的基波及本振信号的谐波信号和步骤(4)第二混频器送来的同幅同相的本振信号的基波及本振信号的谐波信号，进行功率合成，同幅同相本振信号的基波及本振信号的谐波信号幅度对消，中频信号不变，合成信号分两路输出，第一路通过第二50Ω匹配负载接地，第二路输出至外部接收机中频通道，本振基波及谐波信号对消抑制20dB以上而所需的中频信号仅幅度降低3dB。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |