双平衡混频器设计与研究

池 凯，刘 飞

（91919部队，湖北 黄冈 438000）

双平衡混频器设计与研究

池 凯，刘 飞

（91919部队，湖北 黄冈 438000）

在射频电路的前端，混频器是实现频谱搬移的重要器件，是十分重要的模块。采用Win公司砷化镓工艺，设计了一款二极管双平衡混频器，其中巴伦采用平面螺旋式结构，用ADS软件进行各部分电路设计、仿真，从功能仿真图中看到输出信号的频谱中有需要的中频频率成分，验证了混频器频谱搬移的功能，在所设计的频段耦合度和隔离度能够满足要求。其中射频端口和本振端口的频率为0.8~1.2 GHz，中频频率DC~300 MHz，变频损耗8~10 dB，噪声系数9 dB左右，芯片面积0.9 mm×1 mm。

混频器；双平衡；二极管；巴伦

1 引言

微波混频器是通信收发系统中比较关键的元器件之一，它是基于器件的非线性特性对输入信号的频段进行频谱搬移，方便数字信号的处理。随着系统的小型化集成需求，使得微波器件也向着集成的方向发展，并且芯片面积越来越小。

本文的设计由平面螺旋巴伦和环形的二极管堆构成。这种混频器是通过微波巴伦进行单端转差分的实现，每两个二极管之间的相位相差180°，巴伦的好坏决定了混频器性能的好坏，所以巴伦是整个混频器的重点。另外本设计的二极管由场效应管源漏连接而成，其栅宽也会影响混频器的性能，对此也做了相关设计。

2 双混频器原理

混频器是具有混频作用的非线性器件，器件的非线性特性能够将输入其端口的本振和射频信号相乘，其中会有其差频与和频的信号，通过低通滤波器能够获得这些频率成分。

令RF信号vr=VRsin（ωRt），LO信号为vl=VLsin（ωLt），二者相乘将有无数的混频分量产生：

混频产生的主要分量ωL+ωR、ωL-ωR来自第二项a2{1/2VR2[1-cos（2ωRt）]+VRVL[cos（ωR-ωL）t+cos（ωL+ωR）t+1/2VL2[1-cos（2ωLt）]}。

3 无源双平衡混频器的结构

图1 双平衡混频器

图1表示的是一个基本的双平衡混频器的拓扑结构。它包括一个二极管电桥和两个巴伦来代替定向耦合器和高低频旁路短截线。由于信号端和本振端分别接在二极管电桥的两个相对的对角线上，如果这4个二极管的性能完全一样，接线也一样那么能够保证电桥的平衡，则信号端和本振端就可以完全隔离。另一方面由于二极管电桥为二极管提供了高低频直流通路，不需要另外加高频短路线与中频的接地线，所以可以达到多个倍程的带宽。

4 巴伦的设计与优化

环形混频器中比较重要的部分是巴伦，实现了对射频信号、本振信号从非平衡到平衡的转换。一般用的巴伦结构有平行线巴伦、变压器巴伦和marchand巴伦，除了变压器巴伦以外其他的巴伦均需要使用90°波长线，如果使用的频段很低，那么需要的微带线会很长，意味着占用很大的芯片面积，文中采用的是变压器结构的平面螺旋巴伦，这种结构利用微带线的侧边耦合和涡流耦合来增加耦合度减少损耗，不仅带宽较宽，而且面积较小，是很实用的一种结构。

螺旋式巴伦有三种基本的结构，平行线互绕结构、对称互绕结构和交叉互绕结构，这里采用的是对称互绕的形式，如图2所示。图3是巴伦长度与其应用频率的关系，可以看出选择长度在16 mm的巴伦满足我们0.8~1.2 GHz的要求。

图2 平面螺旋巴伦版图

由图2可以看出该巴伦是对称互绕的形式，实际最小间距4 μm，金层走线宽10 μm，巴伦两端引出，用于后面接入二极管桥。中心抽头是用于接入到地。

图3 巴伦长度与其应用频率的关系

由图3可以确定对于巴伦来说，其绕线长度越长，其中心频率越低，其实对应于巴伦上面的损耗，由于线圈的电阻增加也会有所增加。我们选用的Win公司的ED2 PD5001工艺，其金属厚度为3 μm，线间最小间距能够做到4 μm，虽然比ED3工艺的3.5 μm要大，但是耦合度依然满足所需要的设计指标。

5 混频器仿真结果

混频器仿真原理如图4所示，其输出频谱如图5所示。其中m9为中频的信号功率，m7为射频信号泄漏功率，m8为本振的泄漏功率值。其中RF功率为-14 dBm，本振为15 dBm。混频器的变频损耗为其最重要的性能指标，仿真的结果趋势会与实际相差不大，但是用ADS场仿真结果不会太准。以实际做出来的芯片值为主，这里初步仿真损耗即可，其他指标仿真没有实际的参考性。

图6表示的是射频到中频的隔离度。表1和表2为该混频器典型的仿真性能。

图4 仿真原理图

图5 输出频谱

图6 射频到中频隔离度

表1 噪声系数

表2 变频损耗

6 混频器测试结果

图7 测试变频损耗结果

由图7测试的变频损耗结果来看，实测的结果会比仿真的损耗小。经过分析得出是由于该工艺做出来的二次布线金属会向外扩，导致间距小于4 μm，耦合度提高，损耗会比仿真的好一点。在带内0.8~1.2 GHz小于10 dB。从图8可以看出射频到中频的隔离度不够，是因为没有在IF端增加滤波电容的原因，实际应用可以根据需要增加，不将滤波电容集成的好处是实际应用的中频带宽会比较宽，选择性比较大。

Double Balanced Mixer Design and Research

CHI Kai, LIU Fei
（Unit91919,Huanggang438000,China）

Mixer circuit is an important part in the spectrum shift, it is also important in front of the RF module. The author designs a diode double balanced mixer the balun using planar spiral structure in Win GaAs technology company. The author accomplish various parts of the circuit of the design and simulation using ADS software. The output signals from the functional simulation graph emerge the frequency spectrum of the frequency components need, which verif i es the frequency shifting function of the mixer. The coupling and isolation meet the requirements in designed frequency. The RF port and LO port frequency is 0.8~1.2 GHz, IF frequency is DC~300 MHz, conversion loss is about 8~10 dB, 9 dB noise fi gure around. Chip size 0.9 mm×1 mm.

mixers; double balanced; diode; balun

TN402

A

1681-1070（2014）09-0025-03

2013-11-26