宽带低噪声混频器的设计

摘要：文章利用安捷伦公司的ADS仿真软件，设计了一款应用于GNSS接收机射频前端的Gilbert混频器芯片，它的工作电压都为3．3V，中频输出口外接负载为800Ω，具有面积小、噪声系数低的特点。通过优化设计，在频率从1～1．6GHz的范围内，获得了超过15dB的转换增益，以及4dB的噪声系数，输入1dB增益压缩点(P-1dB)为-17dBm，功耗为29mW。
关键词：混频器；低噪声；转换增益

0 引言
随着GNSS(Global Navigation Satellite System)的不断发展和中国北斗二代卫星导航系统的加快建设，卫星导航定位系统在各领域的应用将更加广泛和深入，更低功耗、更低噪声、更低成本的卫星接收芯片已成为当前研究的热点，而作为射频前端电路中实现频谱搬移的混频器，是十分重要的模块。
本文研究的最终目的是得到一个宽带应用的低噪声混频器，适用于GNSS接收机。

1 设计指标
这个混频器设计的目的是实现一个宽带应用的低噪声混频器，带宽能够覆盖GNSS所有频段(1GHz～1．6GHz)的混频器，所要求的指标如下：1)输入射频频率：1～1．6GHz；2)中频输出频率：46MHz；3)射频功率：-120～-30dBm；4)本振功率：-10dBm；5)工作电压：3．3V；6)转换增益：10dB；7)噪声系数：4dB；8)1dB压缩点：-17dBm。

2 混频器的整体设计
混频器的电路设计图如图1所示。

负载电路由R1、C1、R2、C2组成，分别构成了两个RC一阶低通滤波器，用于滤除泄漏到混频器输出端口的LO和RF等高频信号。
在跨导级，Q8、R9和Q5、R7以及Q8、R9和Q6、R8构成了比例式镜像电流源电路。其中，基极电阻R7和R8必须足够大，保证射频信号功率很好地注入到Q5和Q6，同时防止干扰信号从基极电阻串扰射频信号。但是，基极电阻也不能太大，否则造成跨导管的基极电流太小，从而影响工作点，导致增益的下降。因为输入的是差分信号，要求R7和R8相等，Q5和Q6尺寸一样。
在开关级，Q7连接成二极管的形式，给开关管提供偏置电压，Q1～Q4为完全一样的晶体管，基极电阻R5和R6也完全一样，而且要求阻值足够大，以使本振信号功率有效注入开关管。R4和R3分别用来设置偏置电流的大小和开关级偏置电压的大小，这两者都不能太大，否则支路电流小，从而影响跨导管工作点的设置，灵活调整两者的比例，可以让电压的分配更合理。电路中C1、C2电容值为2pF；偏置晶体管Q7和Q8选择尺寸比较小的管子，目的是节省功耗，它们的型号为N05005011SH。各个电阻的取值如表1所示。

3 仿真结果
在对增益和噪声进行分析的时候，我们使用了ADS提供的“MixConvGainNF Schematic Template”环境进行仿真。在输入射频信号频率为1．575GHz，功率为-85dBm，输出中频为46MHz，输入本振信号功率为-10dBm的时候，测得的转换增益(conversiongain)为15．79dB，单边带噪声系数为4dB。如图2所示。

本设计混频器应用于GNSS接收机，它要求接收的射频信号频率范围在1～1．6GHz之间，本混频器也要求在这范围内拥有较高的增益和较低的噪声系数。图3为这一变化范围内的增益和噪声，这是经过多点测试，然后用描点法描出来的。

另外，线性度也是混频器需要考虑的一个重要问题。一般从天线接收进来的GNSS射频信号功率在-110～-55dBm之间，经过低噪声放大器放大后，输入到混频器的射频信号功率大约在-100～-40dBm之间。我们知道，当输入信号功率变大，混频器会出现增益压缩的现象。图4为混频器的1dB增益压缩点仿真结果。

4 结果分析
根据图3仿真结果可以看出，在从1～1．6GHz的600MHz带宽范围内，增益下降不到2dB，均大于15dB，提供了足够的增益，符合增益设计要求。另外，噪声系数也出现了较小范围内的变化，实现了宽带低噪声，符合设计要求。根据图4仿真表明，该混频器的1dB增益压缩点为-17dBm，线性范围满足应用要求，也符合项目设计要求。