镜像抑制混频器详细解释_关于GPS/BD射频接收机中镜像抑制混频器设计

随着近年来卫星导航产业的快速发展，人们对射频接收机前端芯片在面积、功耗、性能和成本等方面有了更高的要求。由于混频器在射频前端芯片链路中处于低噪声放大器和中频滤波器之间，其性能指标对整个射频前端芯片的性能有着重要的影响[1]，而镜像抑制混频器由于能够抑制镜像信号的干扰，所以很受混频器设计者的欢迎。本文在传统Hartely镜像抑制结构的基础上，设计了一种以普通射频输入正交混频结构为核心单元的镜像抑制混频器，能够很好地抑制镜像信号的干扰。

1 Hartely结构原理传统的Hartly镜像抑制结构如图1所示。正交本振信号和RF输入信号进行下变频，然后对下变频后的信号中的一个进行滤波和90相移，最后将两个信号相加，消除镜像中频信号[2]。我们假设射频输入信号为ARFcos(RFt)，镜像干扰信号为AIMcos(IMt)，本振信号的频率为LO，中频信号的频率为IF，那么它们之间的频率关系可以表示为公式(1):

经过正交混频和滤波后，点A1、A2的信号可以表示为公式(3)和公式(4):

从等式(6)可以看出，镜像中频信号在求和后被消除[3]。

以上分析仅限于理想情况。实际上，由于输入信号的相位和增益不匹配，有些镜像信号无法完全消除，从而降低了镜像抑制能力。在本文设计的电路中，利用公共射频输入端的正交混频器结构来降低信号相位和增益之间的失配，从而增强混频器的镜像抑制效果[4]。

2电路设计2.1混频器核心单元设计本文设计的公共射频输入正交混频核心单元的结构如图2所示。

该电路由四部分组成，即R1-R4组成的负载级、M3-M10组成的开关级、M1-M2组成的跨导级和M11-M14组成的尾电流源级。其中跨导级将射频输入电压信号转换成电流信号。开关级由大的本地振荡器信号控制，以实现混频功能。负载级通过负载电阻将电流信号转换成电压信号，输出到IFIP、IFIN、IFQP、IFQN四个端口。尾电流源级通过基本镜像结构为电路提供稳定的尾电流；电路中的射频输入采用伪差分结构，跨导级的DC偏置由DC偏置VRFM通过R9、R10提供。本地振荡器输入端口的四个信号需要是正交差分I/Q信号。差分结构一方面可以解决偶次谐波、端口泄漏和共模抑制问题，另一方面正交信号和射频信号的混合可以为后续的PPH提供正交差分输入信号。开关级的DC偏置分别由DC偏置VLOM通过R5-R8提供[5]。对于负载级电路，通过增加电容C1-C6形成RC滤波电路。滤波电路既能保证开关级和跨导级工作在饱和区，又能保证输出干扰频率的衰减[6]。

此外，电路跨导级的设计采用了常见的射频输入结构M1-M2，可以在一定程度上减少由于两个输入正交混频器跨导级不匹配而导致的中频输出信号不匹配，为后续的PPH提供良好的输入信号。

2.2无源多相滤波器的设计无源多相滤波器由基本RC_CR电路组成，如图3 [7]所示。

通过分析可知，其传递函数为公式(7):

由于本文设计的电路输出的中频信号的频率为4 MHz，带宽设计指标为2 MHz，基于RC_CR电路的非理想效应，通过调整电阻R和电容C的大小，将两个频点设置为2.5 MHz和5.5 MHz[8]，设计出符合要求的两级无源多相滤波器，如图4所示。

从等式(8)可以看出，输入有用的IF信号IFIP、IFQP、IFIN和IFQN

对于镜像IF输入信号，四个信号A、B、C、D分别为0、0、0、0。表明无源多相滤波器可以通过有用的中频信号，抑制镜像中频信号。

2.3求和单元的设计本文设计的求和电路结构如图5所示。该电路是基于简单叠加原理和运算放大器原理设计的[10]。IP、In、QP、QN四路输入信号由前面的PPH提供，负载部分串联纯电阻。PMOS开关对由两个数字信号C0和C1控制，调节输出阻抗，进而调节增益。

当C0=1、C1=1:

3仿真结果及分析本文电路采用TSMC 0.18微米COMS工艺设计，电源电压为1.8 V，求和电路中两位数字控制信号分别为C0=1、C1=1，L1频率为1 575 MHz，B1频率为1 567 MHz，输出中频信号均为4 MHz。L1频率的镜像频率可以通过公式(1)获得。利用Candence软件中的Spectre对电路进行了仿真。

3.1转换增益和镜像抑制比的仿真

从图6可以看出，在1 575 MHz的L1频率处的转换增益是24 dB，在1 567 MHz的L1频率处的转换增益是-23.83 dB，这可以通过计算获得：

同样，从图7可以看出，B1频点的转换增益为24 dB，B1频点在1 553 MHz的镜像频点的转换增益为-23.83 dB，可以计算得到：

3.2单边带噪声系数仿真从图8可以看出，L1、B1频点的单边带噪声系数分别为14.88 dB和14.87 dB。

3.3输入1 dB压缩点的仿真从图9可以看出，L1、B1频点的输入P1dB分别为-23.3552 dBm和-23.3995 dBm。

本文设计了一种用于GPS/BD导航系统的镜像抑制混频器。该混频器采用普通射频输入正交混频结构、PPH结构和求和电路。在平衡转换增益、线性度和噪声系数的基础上，有效抑制镜像干扰信号。仿真结果表明，在GPS L1和北斗B1的不同频率下，镜像抑制混频器的IRR为47.8 dB，转换增益为24 dB，输入P1dB为-23.4 dBm，单边带NF为14.9 dB，可用于GPS/BD射频接收机。