Jenny Xun from RFMD

概述

镜像抑制混频器（IRM）被广泛的应用于基站和微波产品中。很多工程师都能很好的理解其对镜像的抑制能力，但是却可能忽略其对某些杂散的抑制作用。为了能够更好的理解IRM的功能，本应用笔记着重介绍了IRM的基本结构以及如果精确的测量IRM对镜像和杂散的抑制能力。

镜像抑制混频器对镜像和杂散的抑制

1. 镜像干扰

当混频器的输入端输入RF信号fRF ，与本振频率fLO相混频，产生中频信号fIF= fRF- fLO ，如果同时存在一个RF干扰信号，其频率为fIMG= 2* fLO- fRF ，那么这个干扰信号与本振相混频将产生一个中频干扰信号fIFSPUR=fLO-fIMG=fRF- fLO ，此时fIFSPUR=fIF ，这将会严重干扰接收机的灵敏度。我们将这个RF干扰信号称为镜像干扰。

2. 镜像抑制混频器基本结构

图1显示了一个Hartley IRM的基本结构（其他结构的IRM工作原理基本相同）。下面来分析一下这种结构是怎样抑制镜像的。

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图 1 Hartley混频器结构

VIN = MRF coswRFt + MIMG coswIMGt (1)

假设 wLO< wRF, wIF=wRF – wLO=wLO – wIMG (2)

然后，I 和Q信号是

vI=MRF/2*sin(wLOt – wRFt)+MIMG/2*sin(wLOt – wIMGt)

=-MRF/2*sinwIFt+MIMG/2*sin wIFt (3)

vQ=MRF/2*cos(wLOt – wRFt)+MIMG/2*cos(wLOt – wIMGt)

=MRF/2*coswIFt+MIMG/2*cos wIFt (4)

I点经过90度移相变成IR点，

vIR=MRF/2*coswIFt - MIMG/2*coswIFt (5)

最后输出点，

vOUT= vIR+ vQ= MRF*coswIFt (6)

从方程（6）可知，镜像已经抑制掉了。

3. 用RFMD RFRX5932A举例说明镜像抑制

前面第2部分用数学方法解释了IRM的基本原理。接下来用实例来阐释它的工作原理。RFMD RFRX5932A是一个工作在微波频段的下变频器，其包括一个可变增益低噪放和镜像抑制混频器。

图2是RFRX5932A的简略框图。

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图 2 RFRX5932A 简略框图

图3是基本的测试设置框图，RF输入信号是11.5GHz,LO输入是4.6GHz(x2 = 9.2GHz)，得到图4所示的IF = 2.3GHz。

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图 3 RFRX5932中频信号测试设置

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图 4 RFRX5932中频测试结果

根据方程（2），FIMG=2*9.2-11.5=6.9 GHz. 这表明当一个6.9GHz的镜像干扰出现在射频输入端时将产生与有用信号中频频率相同的中频干扰信号，图5是6.9GHz镜像干扰信号输入的中频测试结果。比较图5和图4，可以看到RFRX5932A大约有23dBc的镜像抑制能力。

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图 5 RFRX5932A 镜像抑制中频测试结果

4. 用RFMD RFRX5932A举例说明杂散抑制

假设RF输出信号是11.55GHz,LO频率是4.6GHz(x2 = 9.2GHz). 在I或者Q路的中频是2.35GHz.

但是见图2点 LOA，此处除了存在9.2GHz的LO信号，还存在有13.8GHz的杂散（输入LO频率的三次谐波），这个本振杂散和11.55GHz的输入信号相混频得到2.25GHz的中频杂散，而这个杂散与中频有用信号相隔很近，将大大影响接收机的灵敏度。

接下来我们看看IRM是否能抑制这个杂散信号。下面通过仿真来验证一下。从图6的仿真结果可见，理论上讲RFRX5932A已经完全抑制掉了 2.25GHz的杂散频率。但由于实际上I路和Q路的相位和幅度不平衡，实际的抑制大概是23dBc.

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图 6_1 11.55GHz VIN 射频输入频谱 图 6_2 LO信号和3次谐波频谱

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图 6_3 2.35GHz中频输出频谱

5. 精确测量镜像抑制混频器

一般情况下，工程师在评估测试 RFRX5932A时常用如图7所示的I或者Q单端连接的方式。但是由于IRM对镜像和相关杂散的抑制作用，有时会需要从测到的杂散值减去23dB来得到实际的杂散值，但这样得到的结果不是很精确，所以这种方式并不推荐。

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图7 RFRX5932A杂散测试的单端连接设置

如果需要得到精确的测试结果，我们需要用前面提到的图3 那样的I路和Q路平衡连接的测试方式。耦合器用来实现平衡结构的配置，从而实现RFRX5932A的镜像抑制能力。

图8_1 和 8_2是RFRX5932A杂散抑制的测试结果。图8_1是图7所示连接得到的测试结果，2.25GHz杂散值只比2.35GHz中频有用信号低4dB。而图8_2是上面图3所示连接得到的测试结果，2.25GHz杂散值比2.35GHz有用信号低23dB。结果表明IRM对杂散有23dBc 的抑制。

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图 8_1 RFRX5932A I 或者 Q 路径单端输出频谱

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图 8_2 RFRX5932A平衡结构输出频谱

总结

本篇应用笔记给了读者一些基本理论和概念关于镜像抑制混频器的功能和如何精确地评估测试。希望对读者的工作有所帮助。至于RFRX5932A的其他指标可从RFMD网站下载参见器件资料。

参考

[1] B. Razavi, RF Microelectronics, Upper Saddle River: Prentice Hall, 1998.

[2] RFMD RFRX5932A 器件资料