IQ混频器设计

周　杨

（贵州广播电视大学遵义分校，贵州 遵义 563000）

【摘　要】从设计指标出发，应用ADS及HFSS软件研究并设计IQ混频器。根据微波混频器设计理论，在分析微波混频器原理的基础上，完成对IQ混频器中180°混合环、功分器、中频低通滤波器、中频电桥以及混频器模块的设计，仿真结果满足要求。

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关键词 IQ混频器；180°混合环；变频损耗；镜像抑制；ADS；HFSS

正交混频器广泛用于宽带电子对抗和雷达系统中，它能把输入的射频信号变换成两路幅度相等、相位正交的中频信号。由于内部电路设计成对称形式，即使本振通道和射频通道交换，同样也能获得正交的中频信号。正交混频器的重要特性是，当射频频率从高于本振频率到低于本振频率变化时，两路中频输出信号之间的正交相位关系也相应地从超前到滞后进行改变。利用该特性可以设计实现镜像抑制混频器，还可以作为单边带调制器使用,输出新的射频信号。

在本文中，笔者用ADS以及HFSS等仿真软件设计二极管双平衡IQ混频器，具有开发成本低、性能优良、设计周期短等特点。设计指标：RF频率范围：2-4GHz；LO频率范围：2-4GHz；IF频率范围：DC-1GHz；变频损耗：<12dB;镜像抑制：>18dB。

1　镜像抑制混频器理论分析

两个性质截然不同的RF输入信号在频率ωRF=ωLO-ωIF处与混频时，将下降到同样的IF频率。这两个频率是双边带信号的上边带和下边带，所需要的响应可任意选择为LSB或HSB，假定去正IF频率，镜像抑制混频器能用来隔离这两个响应，将他们分开为独立的输出信号。我们利用小信号近似分析，设RF输入信号为：

其中，VU和VL分别代表高边带和底边带振幅。利用90°混合结的散射矩阵

从上面的结果可以看出，两个边带之间存在900相移，除了惟一的抑制混频器的通常变频损耗外，镜像抑制混频器不产生任何附加的损耗。

2　IQ混频器设计

2.1　混频器设计综合

根据混频器的设计指标，采用如图1设计框架，基本组成部分包括180°混合网络，功分器，混频器，滤波器以及IF电桥。

2.1.1　180°混合环设计

180°混合环也叫环形耦合器。如图2仿真模型，整个环的周长为1.5λg，四个分支线并联在环上，将环分为4段，λg为混合环波长。混合环有两个端口相互隔离，另外两个端口平分输入功率的特性，因此可以看作是一个3dB定向耦合器。

从上图3中可以看出，S11=-40.47dB表明端口一匹配良好，S12=-3.0091dB S13=-3.1691dB说明端口一将功率等分至二三端口，S14=-37.3292dB说明一口与四口之间有良好的隔离。

2.1.2　功分器设计

功分器采用3dB等分威尔金森功分器设计将信号等幅同相的从两个输出端口输出；模型如图4。

图5可知，在中心频率3GHz附近，S12=-3.0827dB说明一端口到二三端口之间几乎做到了功率分，S11=-21.6948dB表明一端口匹配良S23=-25.7215dB说明二三端口之间隔离良好。

2.1.3　滤波器设计

滤波器为IQ混频器的关键组成部分，其对本振信号和射频信号的抑制作用，防止它们泄露到中频端口降低端口隔离度，增大变频损耗，对整个混频模块性能影响显著，较好的中频滤波是IQ混频器优异性能的关键。应用ADS仿真，如图6所示:

从图7-a可知，滤波器通带从DC到1GHz回波损耗优于24.8dB。从图7-b知，滤波器通带从DC到1GHz插入损耗优于0.5dB，带外抑制从2~4GHz优于31dB。

2.1.4　IF电桥设计

正交混合网络是3dB定向耦合器，其直通和耦合臂的输出之间有90度的相位差.这种类型的混合网络通常做成微带线或带状线的形式。

仿真结果如图9-图11：1、2、3、4端口在500MHz反射系数为-30.784dB;在500MHz处输出端口3和4的相位差为90.184°，且3口和4口幅度比为0.9，基本满足要求。

2.1.5　混频器设计

二极管是混频器的核心部分，其选取很重要，一般要求二极管的截止频率fc至少比工作频率大20倍以上，Cj和Rs尽可能小，并且要求管子特性参数的一致性好，设计采用Avago公司HSCH-5314。

本次设计的IQ混频器中混频核心为两个同样的反相型平衡混频器，ADS建立原理图模型如图12示。

仿真中信号频率取为3.5GHz，功率取为-10dBm。本振频率为3GHz，功率从1dBm至10dBm以1dBm的步长扫描。所得部分结果如下图13、图14所示。

从上图13、图14中可以看出混频后，本振功率为1dBm时中频输出功率为-22.338dBm，相同情况下二次谐波功率为-48.813dBm，其余各次谐波中本振为9dBm时功率最大的七次谐波功率为-37.448dBm，与中频输出相差较大。说明中频滤波器对中频带外谐波起到抑制作用。单个单元混频器的变频损耗受本振功率影响，本振功率越低则变频损耗相应更大，本振为9dBm时变频损耗为-7.324dB，本振功率继续上升，变频损耗进一步减小，减小的幅度有所下降。本振功率为2dBm时变频损耗为-10.835dB，本振功率继续下降，变频损耗增加速度变大。

2.2　IQ混频器的实现

为最终输出两路正交的中频信号，从原理图框图出发，对本次设计进行ADS联合仿真。整体仿真中，将各个模块封装成子电路并对其进行仿真，如图15所示。

图16为其中下边带变频损耗，本振输入为10dBm时，下边带的变频损耗为8.68dB，达到预期目标。

3　结论

本文从设计指标出发，采用双平衡二极管结构对IQ混频器进行优化设计。本论文目的在于通过设计优化IQ混频器电路，掌握射频电路的设计方法，同时对混频器的设计有个深入了解，并对设计电路的性能进行优化分析。

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［责任编辑：刘展］