可实现上下变频功能的镜像抑制混频器芯片

马晓亮 李珂

（中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050000）

随着现代通信系统的发展，其中的微波集成电路受到越来越多的人所关注，成为研究的热点，对通信系统来说，具有深远的意义。

混频器是微波集成电路中重要的一个单元，它实现对信号频率的线性搬移[1]。通信系统的灵敏度会受到镜像频率的干扰，通常系统会引入滤波器或镜像抑制混频器来抑制和滤除镜像信号。镜像抑制混频器主要包括两个无源混频器单元，射频端口的功分器单元，本振端口的正交耦合器单元。

在本文中，一个新型的镜像抑制混频器芯片被开发，首先中频电桥采用了螺旋集总正交耦合器结构，便于与镜像抑制混频器电路集成，同时对于电桥的两个输出或者输入端口分别引入开关电路，将镜像抑制混频器、中频电桥和开关电路集成在一个芯片上；通过开关切换电桥隔离段口和合成端口，改变了中频相位的合成效果，实现对发射通道和接收通道同一个边带的抑制能力，最终实现镜像抑制混频器的上下变频互易功能。该芯片基于GaAspHEMT工艺开发完成，尺寸为2.25mm*1.50mm*0.10mm。

1 电路设计

1.1 镜像抑制混频器理论分析

镜像抑制混频器电路由两个混频单元，一个90°功分电路组成，是由Hartley在1928年提出的电路结构[2]，如图1所示。 当用于下变频系统时，当上边带为RF信号时，对应的下边带为镜像干扰信号，分别为：

图1：Hartly模型

频率关系为：

ωIF=|ωRF-ωLO|=|ωIM-ωLO|

通过混频器的乘法原理，得到混频后的中频信号，IF端输出为：

可以看到，RF信号实现了合成，而镜像信号由于相位相差180°，实现了抵消作用，这就是镜像抑制混频器的原理。

与本振信号混频后，在RF端口有：

图2：上下变频模型(低本振工作模式，下变频电路模型)

这样有用的中频信号产生的射频信号被抑制掉，显然镜像抑制混频器无法直接作为互易结构来用于收发变频系统中使用。

1.2 上下变频设计

对于收发互易的镜像抑制混频器，设计的方案是如图2所示，通过对传统的Hartley镜像抑制混频器结构进行改进，在中频端电桥两个输出端，分别引入开关组合，实现中频输出的可选择性。当采用高边带为RF信号时，选择SPST1关断，SPST2导通，SPST3关断，SPST4导通，在这个条件下，电路简化成图1，下变频在中频端口信号被叠加，镜像信号被抵消；而当上变频时，选择SPST1导通，SPST2关断，SPST3导通，SPST4关断，IF1位置和IF2端口信号为：

通过混频器的乘法原理，得到混频后的RF信号：

可以看到，下变频时对高边带的有用信号进行叠加，低边带可以看到，下变频是对高边带的有用信号进行叠加，低边带的镜像信号被抑制；上变频时混频后是产生了上边带射频信号，下边带信号被抑制。这样使得该结构能同时实现下变频和上变频的互易。在片上集成本振端口的90°电桥，采用LANGE电桥结构[3]，但尺寸太大，本文采用集总参数结构的正交耦合器电路[4]，它由电容、电感或者电容、变压器来实现。

最终完成了新型的镜像抑制混频器芯片，整个芯片的照片如图3所示。

图3：镜像抑制混频器版图照片

1.3 芯片的制作和加工

芯片采用GaAs 0.13μm低噪声PHEMT工艺，内部工艺采用肖特基二极管结构，最终实现镜像抑制混频器，芯片成品厚度70μm，尺寸为2.25mm*1.50mm*0.10mm。

2 测试结果

对开发的镜像抑制混频器上下变频芯片进行在片测试，分别测试完成上变频系统和下变频系统。

图4为下变频和上变频的变频损耗指标和镜像抑制度指标。对于下变频来说：射频输入频率范围为14-17GHz, 本振输入频率范围为17-20GHz, 中频频率3.5GHz，本振输入功率为15dBm，可以看到，变频损耗≥-11dB，而对镜像信号的抑制度≥22dBc；

图4：下变频（左）和上变频（右）镜像抑制和变频损耗测试曲线

对于上变频来说，中频输入频率范围为3-4GHz，本振输入频率为20GHz, 射频输出频率为16-17GHz，本振输入功率为15dBm，可以看到，变频损耗≥-9.5dB，而对边带抑制度≥22dBc。

3 结论

在这篇论文中，基于GaAs pHEMT工艺，完成一款新型的镜像抑制混频器芯片开发，该镜像抑制混频器产品具有上下变频互易功能，可同时用于上变频和下变频系统中。测试数据表明，上下变频损耗≥-10dB，下变频时镜像抑制度≥22dBc,上变频时边带抑制度≥25dBc。该类型的镜像抑制上下变频器在各种无线通信系统中具有广泛的应用。