射頻電路中混頻器的設計

摘要：目前實(shí)現小型化以及低功耗射頻電路的一種可行性方法是實(shí)現收發(fā)機射頻電路的集成。在射頻電路的前端，混頻器是實(shí)現頻譜搬移的重要器件，是十分重要的模塊。設計了一種微帶平衡混頻器，其主要由3 dB定向耦合器、匹配電路、晶體管和低通濾波器組成，濾波器用來(lái)濾除輸出信號中高次諧波頻率成分，從而得到需要的中頻成分。然后用ADS軟件進(jìn)行各部分電路設計、仿真，從功能仿真圖中看到輸出信號的頻譜中有需要的中頻頻率成分，這就驗證了混頻器頻譜搬移的功能。
關(guān)鍵詞：濾波器；頻率變換；混頻器；ADS仿真

0 引言
隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，無(wú)線(xiàn)應用技術(shù)包括PCS電話(huà)、射頻識別(RFID)系統、直播電視服務(wù)(DBS)、全球定位系統(GPS)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)和本地多點(diǎn)分布系統(LMDS)等在內，都獲得了極大的發(fā)展?，F代的通信接收機都需要根據實(shí)際應用進(jìn)行1，2次頻率變換。實(shí)現頻率變換的電路就是混頻器，也叫變頻器?；祛l器廣泛的應用領(lǐng)域使得它有許多種不同的形式，把輸入信號的頻率變低叫下變頻，提高輸入信號的頻率叫上變頻。
混頻器的典型應用是在接收系統中將射頻輸入信號變換為頻率較低的中頻信號，以便更容易對信號進(jìn)行后續的調整和處理?；祛l器對電子系統的性能、尺寸、重量和成本有著(zhù)決定性的影響。發(fā)展小型化、高性能的混頻器有相當重要的實(shí)際意義。在無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中，混頻的應用非常普遍。在超外差式接收機中，所有輸入信號的頻率都要變成中頻，廣播收音機的中頻等于465 kHz，電視接收機的中頻等于38 MHz?；祛l器還廣泛應用于控制系統、電子對抗系統、鎖相環(huán)的相位檢波器、天線(xiàn)與射電天文、雷達和雷達天文、再生分頻器、頻譜分析、車(chē)距檢測等各領(lǐng)域。
混頻器的電路結構形式有單管式混頻、兩管平衡式混頻、多管式混頻。單管式混頻只用一支二極管，結構簡(jiǎn)單，成本低，但噪聲高，抑制干擾能力差，在要求不高時(shí)可以采用；兩管平衡式混頻器借助于平衡電橋可使本機振蕩器的噪聲抵消，因而噪聲性能得到改善，電橋又使信號與本振之間達到良好隔離，因此平衡混頻器是最普遍采用的形式；多管式混頻：比如管對式雙平衡混頻器、鏡頻抑制混頻器等，它們是專(zhuān)為特殊要求設計的，可用于多倍頻程設備、鏡頻能量回收或自動(dòng)抑制鏡頻干擾等?；祛l器還可分為：?jiǎn)味嘶祛l器、平衡混頻器、雙平衡混頻器。另外，根據傳輸線(xiàn)的類(lèi)型還可劃分為波導混頻器、微帶混頻器、鰭線(xiàn)混頻器。
混頻器位于低噪聲放大器(LNA)之后，直接處理LNA放大后的射頻信號。為實(shí)現混頻功能，混頻器還需要接收來(lái)自壓控振蕩器的本振(LO)信號，其電路完全工作在射頻頻段。因此，混頻器的設計通常要考慮轉換增益、線(xiàn)性度、噪聲系數、端口之間的隔離度以及功耗等性能指標。本文設計一個(gè)微帶單平衡混頻器，首先介紹了微帶平衡混頻器的原理結構，之后給出了設計目標，射頻4 GHz，本振3．5 GHz，中頻500MHz。然后用ADS軟件進(jìn)行設計，先對3 dB定向耦合器進(jìn)行仿真，得到端口間的反射系數在-40 dB以下，這樣信號的反射能被很好地抑制，接著(zhù)是低通濾波器的設計仿真，用于輸出中頻濾波。最后對完整的混頻器電路進(jìn)行功能仿真。

1 混頻器原理
本文將設計一個(gè)微帶平衡混頻器，該混頻器電路主要由3 dB定向耦合器、匹配電路、晶體管和低通濾波器組成，如圖1所示。

設射頻信號和本振信號分別從隔離臂1，2端口加入時(shí)，初相位都是0°，考慮到傳輸相同的路徑不影響相對相位關(guān)系。通過(guò)定向耦合器，加到二極管D1，D2上的信號和本振電壓分別為：