论文总字数：18587字

摘 要

混频器在现代无线通信系统中应用广泛，并且它起到的作用不可忽视,细微的偏差都可能会对整个通信系统造成巨大的影响。随着混频器在通信系统中的应用越来越广泛，其性能上的一些缺陷也被逐渐放大，人们希望能对混频器进行进一步的研究与优化。尽管混频器有很多优点，但其中的镜像干扰会影响整个系统的准确性，因此为了去除镜像干扰，得到更优质的信号，镜频抑制混频器应运而生。本文利用ADS2017软件工具辅助设计和调试了一个镜像抑制混频器，在4.8GHz的射频频率和5GHz的本振频率下，进行实验设计并进行了实验仿真，其实验结果达到了变频损耗在12dB以内,噪声系数小于15dB,使得镜像抑制混频器能够有效地减少镜像干扰,抑制镜像频率。

关键词：镜像干扰；镜频抑制混频器；变频损耗；噪声系数

Design and Simulation of Image Rejection Mixer

Abstract

The mixer is widely used in modern wireless communication systems,and its role cannot be ignored, even small deviations may have a huge impact on the entire communication system.As mixers are more and more widely used in communication systems,some of their performance defects have been gradually enlarged,people hope to further research and optimization of the mixer.Although the mixer has many advantages,the mirror image interference among them will affect the accuracy of the entire system.Therefore, in order to remove the image interference and obtain a higher quality signal,an image suppression mixer emerges at the historic moment. This article uses the ADS2017 software tool to assist in the design and debugging of an mirror frequency suppressior mixer.At an RF frequency of 4.8GHz and a local oscillator frequency of 5GHz,the experimental design and experimental simulation were carried out.The experimental results reached a conversion loss of less than 12dB. The noise figure is less than 15dB,which makes the image suppression mixer effectively reduce the image interference and suppress the image frequency.

Key words:Mirror Image Interference，Mirror Frequency Suppressor Mixer，Conversion Loss，Noise Figure

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引 言 1

1.1 研究的背景与意义 1

1.2 历史与发展 1

1.3 本课题的研究思路 2

1.4 本文组织分析 2

第二章 射频电路基本原理 3

2.1传输线介绍 3

2.2传输线方程 3

2.3传输线的特性参量 5

2.3.1 传输线的特性阻抗 5

2.3.2传播常数 5

2.3.3 相速和波导波长 6

2.4传输线的工作参量 6

2.4.1输入阻抗 6

2.4.2反射系数 6

2.4.3驻波系数 7

2.4.4传输系数 7

2.5传输线的三种工作状态 8

2.5.1行波状态 8

2.5.2纯驻波状态 8

2.5.3行驻波状态 9

第三章 混频器设计的理论基础 11

3.1 介绍 11

3.2混频器基本原理 11

3.3混频器的性能参数 13

3.3.1噪声系数 13

3.3.2变频损耗 13

3.3.3动态范围 14

3.3.4工作频率 14

3.3.5隔离度 14

3.3.6镜像抑制度 14

3.3.7本振功率与工作点 14

3.3.8端口驻波比 15

3.3.9双频三阶交调 15

第四章 混频器设计 17

4.1 镜频抑制混频器 17

4.1.1什么是镜频 17

4.1.2抑制镜频噪声 17

4.1.3抑制镜频干扰 17

4.2 模块设计 17

4.3 ADS软件 18

4.4 参数设计 19

4.5 参数仿真 20

4.6 优化 23

致 谢 24

参考文献 25

第一章 引 言

1.1 研究的背景与意义

几十年来，通信技术不断成熟，微波器件也不断发展，在雷达探测和通信等领域，系统的噪声系数都得到了明显的降低，这是由于接收系统都把低噪声放大器作为它们的前级，以此提高了灵敏度。就拿混频器来讲，它运用在射频通信系统中，主要功能是实现频率变换，最近几年，看起来它对接收系统来说越来越普遍，以及作用似乎都微乎其微，但这样说是很不正确的。射频系统电路中的混频器，其作用功不可没。在雷达中，微波通信中，或在遥控、遥感甚至是侦察与电子对抗中都会要求使用混频器来对微波信号来进行处理，这也是由于集成式混频器^[1]拥有的独特优点所导致，例如：体积小、设计技术成熟、性能可靠稳定、结构灵活多样，能够较好地适应各种特殊场合的应用等。性能越优越的混频器对整个系统起到关键作用更为重要，导致在当下集成电路市场中，混频器仍旧是现在的主流。电子通信信号系统中，信号频率间的变换，是我们首先碰上的要解决的问题。通常我们都是在低频段下处理信号，处理完后，再将处理好的信号上变频到高频段发射出去，同样地，接收到的射频信号进行下变频，到低频段再做信号处理，在这些步骤中，混频器必不可少^[2]，它通过一些电路器件来对频率谱进行左右的搬移，信号在被加工处理的过程中，有了一些描述混频器性能好坏的参数，比如说是：变频损耗，噪声系数等等，这些参数的过大或过小都会直接影响到这个通信系统，直接就反映在了它的工作性能上，为了得到更优质的信号，人们不断优化混频器，希望能得到性能更加优越的混频器。

1.2 历史与发展

混频器诞生于Edwin Armsting之手,大约在1924年左右，他也是无线电通信历史上最富有创造力者之一，“超外差式”接收机作为现代化通信接收机的基本模型，随着科技的发展，混频器得到不断地发展，混频器相关技术及理论也一步步得到加深和拓宽。一开始，我们用“贝塞尔函数”法来分析小信号对非线性器件的作用，发展到用开关函数法分析大信号对非线性器件的作用^[3]，这一步一步都使得理论和实践越来越接近。近些年，随着我国相关技术的快速发展，以及加工工艺及集成技术水平的提高，混频器的发展一发不可收拾。

同样地，在微波接收机中，混频器也起了重要作用，把微波信号变换成中频信号，再对信号进一步处理如放大和解调。实际上，在一些接收机和放大器中，它既能当前置级来用，又能等当后续级来使用。刚开始的时候，如果信号频率很高的话，还没有能与之匹配的高频率低噪声放大器被研制出来。人们就会采用超外差接收机，但是如果它接收到单边带信号时，会容易地被镜频信号所干扰，因此，便开始对如何有效抑制镜频信号进行研究和实验。一开始，人们发现在信号接收端加镜频抑制滤波器，又或者是使用多次变频技术，这些都能够对电路起到镜频抑制的效果，但都存在些许的不足之处。比如，如果在射频信号的输入端加入镜频抑制滤波器，是能起到抑制的作用。但在一些低中频和高射频的宽带系统情况下，这样就会对滤波器的中心频率有极高的要求，滤波器带宽也要足够窄，在实际生产制造中，这样要求的滤波器是很难研制出来的；并且，带宽是恒定的。采用多次变频的话，需要多个本振源，这样一来就会使得接收机的体积增加，成本也随之提高，运用在实际生产中不太现实。所以为了克服上述两种情况的缺点，应运而生研制出了拥有抑制镜像频率作用的混频器，即镜频抑制混频器，它可以弥补之前方法的不可取之处，还可以根据信号频率的变化自动做出改变，识别出与信号频率所对应的镜像信号频率，这也是它比较特殊的优点。

1.3 本课题的研究思路

本课题以混频器设计原理为核心，整个过程包括准备阶段、ADS电路制作、论文撰写三大阶段，而又可细分为查阅资料、ADS射频电路设计学习、方案论证与混频器电路设计、实验记录、论文纲要制定、论文撰稿与修改等过程，详细流程图如下图1.1所示：

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