1 引言

近年來，無線通信技術得到了迅猛地發展。它對收發信機前端電路提出的新要求是：高線性，低電壓，低功耗，高度集成。混頻器作為無線通信系統射頻前端的核心部分之一，其性能的好壞將直接影響整個系統的性能。從頻域角度看，混頻器是頻譜的線性搬移。實現頻譜搬移的基本方法是將兩個信號相乘。混頻器利用器件的非線性特性來實現信號載波頻率的變化， 產生輸入頻率的和頻和差頻分量。文章基于Gilbert 乘法器平衡混頻器的工作原理，提出了一個新型混頻器的結構，采用COMS 開關實現了一種平衡混頻器，根據實測其性能完全滿足工程需要且有低成本、高線性度、大動態等優點。

2 單平衡混頻器的工作原理

常用有源單平衡混頻器為Gilbert 單平衡混頻器， 其實質為一可變互導乘法器，見圖1 所示。它由三部分組成，一是由本振信號VLO(t)激勵的差分對管Q2、Q3; 二是輸出電流受射頻信號VRF(t)控制的晶體管Q1;三是中頻負載RL。如圖1 所示。Q1 是射頻小信號線性放大器(也稱輸入跨導級);差分對Q2、Q3 在本振大信號作用下可看作輪流導通的雙向開關

;當雙端輸出時，輸出電流i 是兩電流i2和i3 的差。

圖1 單平衡混頻器原理圖

為保證Q1 工作于放大區，必須加上偏置電路給它設置合適的工作點。設其直流工作點電流是ICQ1在信號VRF(t)作用下，Q1 的集電極電流為(設Re短路)

由以上分析， 有源單平衡混頻器是通過本振開關電路(Q2、Q3) 對跨導級電路(Q1) 形成的射頻電流信號進行開關調制, 實現混頻功能。負載級電路把混頻產生的中頻電流信號轉換成電壓信號。

3 CMOS 模擬開關實現平衡混頻器

吉爾伯特單平衡混頻器的基本結構框圖如圖2 所示，組成單元為放大器、開關和負載。混頻器的最終輸出等于輸入信號與一個開關函數相乘，此開關函數與本振信號頻率相同。

圖2 單平衡混頻器等效電路

綜上所述，得到一混頻器設計思路一一尋找一個放大器，然后在輸出之前，尋找一合適位置，設一開關級，使用平衡結構，再通過選擇合適的負載輸出信號。

3.1 CMOS 模擬開關的特性

CMOS 模擬開關雖然具有開關性但是和機械開關有所不同，本身具有半導體特性。模擬開關的簡單示意圖如圖3 所示， 由圖中可以看出模擬開關實際是由兩個對偶的N 溝道MOSFET 與P 溝道MOSFET 構成。如果將不同VIN 值所對應的P 溝道與N 溝道的導通電阻并聯， 可得到結構下的RON 隨輸入電壓VIN 的變化關系。導通電阻RON 隨輸入信號VIN 變化，如果不考慮溫度、電源的影響RON 隨輸入信號Vin 呈線性關系。

圖3 典型CMOS 模擬開關內部結構

低導通電阻RON 帶來一負面效應，每次開關導通或斷開瞬間都有一定數量的電荷被注入或吸出模擬通道。開關本身根據負載大小提供十幾毫安的電流,假設開關能夠為固定負載提供的電流為Iout,導通電阻隨輸入信號VIN 變化導致的電流變化為gmlVRF，則開關輸出的呈現變化的電流為：

此函數與Gilbert 單平衡混頻器的中頻輸出電流函數等效。可利用中頻諧振網絡將中頻信號濾除，選出需要的頻率。

3.2 開關混頻器的設計

實際設計的開關混頻器電路如圖4 所示。CMOS 模擬開關采用FAILCHILD 公司的FSA3157,其為單刀雙擲，導通電阻小于10 歐姆，3 dB 帶寬可達250 MHz。射頻輸入端采用變壓器， 將射頻信號由非平衡轉換為平衡輸出分別連接至單刀雙擲開關的兩路輸出端;本振信號(+5 V，TTL)連接至開關的控制端，直接驅動開關;中頻輸出端采用低通濾波器濾出中頻頻率;開關公共端接地。

圖4 開關混頻器的實際電路

3.3 混頻器性能測試

混頻器的性能指標主要包括變頻增益、線性度、隔離度等。變頻增益反映了從射頻輸入信號到輸出信號衰減或放大的程度，負的變頻增益常被稱為變頻損耗。實測的開關混頻器的變頻損耗如圖5 所示，在本振頻率為50 MHz,射頻輸入頻率為55 MHz～110 MHz 時的變頻損耗， 在測試頻段內損耗小于7 dB，波動小于1 dB。

圖5 混頻器變頻損耗曲線

LdB 壓縮點是表征線性度的一個指標。混頻器的輸出信號隨輸入信號功率的變化曲線圖如圖6 所示。可以看到當輸入信號比較小時， 轉換增益是一個常數， 增強到某一個值開始，它就偏離了直線。實測混頻器的l dB 壓縮點大于13.5 dB。混頻器隔離度是指各頻率端口間的相互隔離， 實測本振與中頻端口的隔離度在10 dB 左右。

圖6 增益壓縮特性曲線圖

3.4 混頻器特性分析

實測表明利用CMOS 開關可以實現開關混頻器， 但CMOS 開關的參數影響比較大，應用中要注意以下幾點：

① 模擬開關的導通和關斷時間，決定了開關混頻器的工作頻帶，限制了混頻器的使用;

② 開關驅動信號實際為本振信號。由于CMOS 模擬開關的邏輯控制端驅動電流極小，一般低于納安級，因此它完全可以由數字I/O 直接驅動，因此可直接采用DDS 或時鐘芯片直接控制，從而達到降低功耗、簡化電路的目的;

③ 模擬開關大多可以使信號雙向傳輸， 因此開關混頻器即可以作為上變頻器，也可以作為下變頻器;

④ 開關混頻器的線性度取決于模擬開關的導通電阻RON，盡量選擇導通電阻較小的開關;

⑤ 由于開關的輸入輸出阻抗不是50 歐姆，因此使用過程中要對輸入輸出口進行阻抗匹.配;

⑥ 測試表明單平衡的本振隔離度交差， 這由電路本身的結構決定，可采用雙平衡方式，提高本振的隔離度;

⑦ 混頻器的奇數諧波比較豐富， 使用時需采用濾波網絡進行濾波。這一特點在實際使用混頻器時必須考慮。

4 結束語

提出了一種基于CMOS 開關實現的單平衡混頻器電路，具有成本低、易實現、高線性度等優點。本振采用方波驅動，易于和數字電路集成， 在實際應用中， 增大了接收機的動態范圍，提高了超外差接收機的性能。