可實現上下變頻功能的鏡像抑制混頻器芯片

馬曉亮 李珂

（中國電子科技集團公司第十三研究所 河北省石家莊市 050000）

隨著現代通信系統的發展，其中的微波集成電路受到越來越多的人所關注，成為研究的熱點，對通信系統來說，具有深遠的意義。

混頻器是微波集成電路中重要的一個單元，它實現對信號頻率的線性搬移[1]。通信系統的靈敏度會受到鏡像頻率的干擾，通常系統會引入濾波器或鏡像抑制混頻器來抑制和濾除鏡像信號。鏡像抑制混頻器主要包括兩個無源混頻器單元，射頻端口的功分器單元，本振端口的正交耦合器單元。

在本文中，一個新型的鏡像抑制混頻器芯片被開發，首先中頻電橋采用了螺旋集總正交耦合器結構，便于與鏡像抑制混頻器電路集成，同時對于電橋的兩個輸出或者輸入端口分別引入開關電路，將鏡像抑制混頻器、中頻電橋和開關電路集成在一個芯片上；通過開關切換電橋隔離段口和合成端口，改變了中頻相位的合成效果，實現對發射通道和接收通道同一個邊帶的抑制能力，最終實現鏡像抑制混頻器的上下變頻互易功能。該芯片基于GaAspHEMT工藝開發完成，尺寸為2.25mm*1.50mm*0.10mm。

1 電路設計

1.1 鏡像抑制混頻器理論分析

鏡像抑制混頻器電路由兩個混頻單元，一個90°功分電路組成，是由Hartley在1928年提出的電路結構[2]，如圖1所示。 當用于下變頻系統時，當上邊帶為RF信號時，對應的下邊帶為鏡像干擾信號，分別為：

圖1：Hartly模型

頻率關系為：

ωIF=|ωRF-ωLO|=|ωIM-ωLO|

通過混頻器的乘法原理，得到混頻后的中頻信號，IF端輸出為：

可以看到，RF信號實現了合成，而鏡像信號由于相位相差180°，實現了抵消作用，這就是鏡像抑制混頻器的原理。

與本振信號混頻后，在RF端口有：

圖2：上下變頻模型(低本振工作模式，下變頻電路模型)

這樣有用的中頻信號產生的射頻信號被抑制掉，顯然鏡像抑制混頻器無法直接作為互易結構來用于收發變頻系統中使用。

1.2 上下變頻設計

對于收發互易的鏡像抑制混頻器，設計的方案是如圖2所示，通過對傳統的Hartley鏡像抑制混頻器結構進行改進，在中頻端電橋兩個輸出端，分別引入開關組合，實現中頻輸出的可選擇性。當采用高邊帶為RF信號時，選擇SPST1關斷，SPST2導通，SPST3關斷，SPST4導通，在這個條件下，電路簡化成圖1，下變頻在中頻端口信號被疊加，鏡像信號被抵消；而當上變頻時，選擇SPST1導通，SPST2關斷，SPST3導通，SPST4關斷，IF1位置和IF2端口信號為：

通過混頻器的乘法原理，得到混頻后的RF信號：

可以看到，下變頻時對高邊帶的有用信號進行疊加，低邊帶可以看到，下變頻是對高邊帶的有用信號進行疊加，低邊帶的鏡像信號被抑制；上變頻時混頻后是產生了上邊帶射頻信號，下邊帶信號被抑制。這樣使得該結構能同時實現下變頻和上變頻的互易。在片上集成本振端口的90°電橋，采用LANGE電橋結構[3]，但尺寸太大，本文采用集總參數結構的正交耦合器電路[4]，它由電容、電感或者電容、變壓器來實現。

最終完成了新型的鏡像抑制混頻器芯片，整個芯片的照片如圖3所示。

圖3：鏡像抑制混頻器版圖照片

1.3 芯片的制作和加工

芯片采用GaAs 0.13μm低噪聲PHEMT工藝，內部工藝采用肖特基二極管結構，最終實現鏡像抑制混頻器，芯片成品厚度70μm，尺寸為2.25mm*1.50mm*0.10mm。

2 測試結果

對開發的鏡像抑制混頻器上下變頻芯片進行在片測試，分別測試完成上變頻系統和下變頻系統。

圖4為下變頻和上變頻的變頻損耗指標和鏡像抑制度指標。對于下變頻來說：射頻輸入頻率范圍為14-17GHz, 本振輸入頻率范圍為17-20GHz, 中頻頻率3.5GHz，本振輸入功率為15dBm，可以看到，變頻損耗≥-11dB，而對鏡像信號的抑制度≥22dBc；

圖4：下變頻（左）和上變頻（右）鏡像抑制和變頻損耗測試曲線

對于上變頻來說，中頻輸入頻率范圍為3-4GHz，本振輸入頻率為20GHz, 射頻輸出頻率為16-17GHz，本振輸入功率為15dBm，可以看到，變頻損耗≥-9.5dB，而對邊帶抑制度≥22dBc。

3 結論

在這篇論文中，基于GaAs pHEMT工藝，完成一款新型的鏡像抑制混頻器芯片開發，該鏡像抑制混頻器產品具有上下變頻互易功能，可同時用于上變頻和下變頻系統中。測試數據表明，上下變頻損耗≥-10dB，下變頻時鏡像抑制度≥22dBc,上變頻時邊帶抑制度≥25dBc。該類型的鏡像抑制上下變頻器在各種無線通信系統中具有廣泛的應用。