镜频抑制混频器设计中的相位优化

胡荣骅，杨士义

（1.中国空空导弹研究院 河南 洛阳　471099；2.驻中国空空导弹研究院军事代表室 河南 洛阳　471099）

镜频抑制混频器设计中的相位优化

胡荣骅1，杨士义2

（1.中国空空导弹研究院 河南 洛阳471099；2.驻中国空空导弹研究院军事代表室 河南 洛阳471099）

介绍了镜频抑制混频器的镜频抑制原理，分析了镜像中频的幅度和相位误差对镜频抑制度的影响。在一只Ku波段镜频抑制混频器设计中，通过ADS软件进行相位优化，使镜频抑制度的仿真结果在1 GHz带宽内提高了6～ 12 dB，变频损耗小于8 dB，射频和本振端口驻波比小于1.2。

镜频抑制度；混频器；相位优化；Ku波段

在单边带接收系统[1]中，镜频噪声通过与本振信号混频产生干扰与有用信号同时在中频端口输出。如果接收系统没有进行镜频抑制，那么系统的噪声系数将会恶化[2]。采用镜频抑制混频器是一种常用的镜频抑制方法。

在镜频抑制混频器工作原理的基础上，分析了幅相误差对镜频抑制度的影响，并通过仿真进行了验证。在镜频抑制混频器设计过程中，对相位进行优化补偿实现提高镜频抑制度的目的。

1　镜频抑制混频器工作原理

镜频抑制混频器由两个混频器单元、射频同相功分器、本振90度功分器和中频90度移相器和合路器组成，其原理图见图1。

图1　镜频抑制混频器原理图Fig.1　Principle of image-rejection mixer

镜频抑制混频器的镜频抑制原理如下[3]：在理想情况下，假设两个混频支路损耗一致而其余部分无耗，90度移相电路外的其他部分没有相移，电路间输入输出匹配无反射。对于有用信号，两路混频输出的中频信号（Vif1和Vif2），等幅同相；对于镜频干扰，Vif1和Vif2等幅反相。因此，由镜频干扰产生的中频噪声在输出端相互抵消，实现镜频抑制。

2　幅相因素对镜频抑制度的影响分析

功分、移相和混频电路都会引入与理想情况不一致的幅相误差，由镜频信号产生的中频噪声在输出端不能完全抵消[4]。

图2　幅相因素影响分析图Fig.2　Analysis of amplitude and phase

有用信号产生的中频电压幅度为：Vif=

对于有用信号，两个混频支路输出的中频信号幅度为Vif1和 Vif2，相差为 覬；对于镜频，两个混频支路输出的中频幅度为Vif1′和Vif2′，相差为镜频产生的中频电压幅度为：Vif′=则镜频抑制度可表示为：IR=20log（|Vif|/|Vif′|）。图3为镜频干扰产生的两路中频幅相差对镜频抑制度的影响，图中相位误差为：deltaP=|180′-覬′|。可见，如果要获得18 dB以上的镜频抑制度，对于镜频干扰产生的中频幅度和相位误差，要控制在2.2 dB和14°的扇形区间以内。

图3　幅相误差对IR的影响结果图Fig.3　Result of IR affected by error of amplitude and phase

3　本振功分输出相差优化

在镜频抑制混频器设计与调试过程中，由于各组成单元不可能设计为理想电路，必然引起电路间的失配，使两路中频信号的幅度和相位，与理想情况（见第2节）不同。当误差较大时，镜频抑制度将会恶化，不满足预期的设计指标要求。为提高镜频抑制度，对本振功分相位差进行优化[4]，使中频相位差接近于理想情况。

下面在Ku波段镜频抑制混频器设计中，采取本振功分相位优化，对提高镜频抑制度进行了仿真验证。其中，两个混频单元为完全相同的单平衡混频器，其主要性能参数仿真结果如下：在工作带宽内，变频损耗小于7.5 dB，噪声系数小于7 dB，射频端口和本振端口驻波比小于1.2。

图4为优化前，本振功分输出为90度相差时，镜像抑制混频器的镜频抑制度和中频相位差的仿真结果。其中，虚线为镜频产生的中频相位误差，实线为镜频抑制度。可见，当相位差在13度时，镜频抑制度为19 dB；当相位差增加到18度以上时，镜频抑制度恶化为16 dB以下。表1为优化前本振功分输出为90度相差时，镜频产生的中频幅度误差。由图3得出，当相位误差在13～18度区间和幅度误差在0.3 dB以内时，相位误差是镜频抑制度恶化的主要因素。

图4　优化前相位差和镜频抑制度仿真结果Fig.4　Simulation result of deltaP and IR before optimization

表1　优化前幅度差仿真结果Tab.1　Simulation result of amplitude difference before optimization

下面对本振90度功分电路进行优化[5]，以实现混频后输出的两路中频信号相位平衡。图5为本振功分的两路输出相位差从70度到90度变化时，镜频抑制度（实线）和中频相位误差（虚线）的仿真结果。可见，本振功分电路的相位差在80度时，镜像中频相位误差最小，镜频抑制度最大。图6为80度相差本振功分电路[6]。

图5　本振功分相差扫描仿真结果Fig.5　Simulation result of LO divider's phase difference

图6　80度相差本振功分电路Fig.6　80 degree LO divider

图7为优化后，采用80度相差本振功分，镜像抑制混频器的镜频抑制度和中频相位差的仿真结果。其中，虚线为镜频产生的中频相位误差，实线为镜频抑制度。

图7　优化后相位差和镜频抑制度仿真结果Fig.7　Simulation result of deltaP and IR after optimization

表2　相位差和镜频抑制度优化前后差值Tab.2　Difference before and after optimization

由表2可见，将本振功分移相90度调整为80度后，相位误差减小了9～10度，从而使镜频抑制度提高了6～12 dB，在1 GHz的频带内达到22 dB以上。图8为优化后的镜频抑制混频器其他参数仿真结果。其中实线为变频损耗，长短虚线分别为本振和射频端口的驻波比。

图8　变频损耗和驻波比仿真结果Fig.8　Simulation result of conversion loss and VSWR

4　结束语

文中介绍了镜频抑制混频器在理想情况下的幅相关系，分析了镜像中频幅度差和相位差对镜频抑制度的影响。在一只Ku波段镜频抑制混频器设计过程中，采取本振功分输出相差优化措施，在其他参数无明显恶化的前提下，使镜频抑制度的仿真结果在工作频带内提高了6～12 dB。采用相位补偿，在镜频抑制混频器设计过程中，可实现镜频抑制度的指标优化。

[1]弋稳．雷达接收机技术[M]．北京：电子工业出版社，2005．

[2]魏福立．宽频带高镜像抑制度混频器[J]．半导体技术，2001，26（2）:37-40．

[3]钱可伟．X波段镜像抑制混频器设计[J]．中国测试技术，2007，33（1）:122-124．

[4]魏连成．具有镜频抑制功能的混频电路设计[J]．国外电子测量技术，2007，26（6）:23-25．

[5]胡澹，国云川，徐锐敏．Ka波段基波镜像抑制混频器无源电路的设计[J]．微波学报，2010（S1）:285-287．

[6]刘文报，刘宇，杨自强，等．Ku波段Wilkinson功分器仿真与设计[J]．应用科技，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稿件编号：201502093

胡荣骅（1982—），男，四川宜宾人，硕士，工程师。研究方向：射频接收与发射电路。