180° Hybrid 單平衡混頻器方塊圖180° Hybrid Single-Balanced Mixer Block Diagram180° ハイブリッド単平衡ミキサのブロック図
slide 28 — 逐元件解說slide 28 — element-by-element explainedslide 28 — 要素ごとの解説

與 90° 版本的鏡像:LO 隔離度無條件完美、RF 匹配取決於二極體The mirror image of the 90° version: LO isolation is unconditionally perfect, the RF match depends on the diodes90° 版の鏡像:LO アイソレーションは無条件に完全で、RF 整合はダイオードに依存します

RF 輸入input入力 LO 輸入input入力 (Σ port) (Δ port) VΓRF VΓLO 1 2 3 4 λ/4 3λ/4 (長臂)(long arm)(長アーム) λ/4 λ/4 3 dB 180° hybrid (rat-race ring) −90° +90° VΓ1 VΓ2 + v₁ + v₂ i₁ i₂ i_o = i₁ + i₂ 低通Low-pass低域通過 濾波器filterフィルタ IF 輸出output出力

slide 28 的標註重建 — hybrid 現在畫成 rat-race ring:三條 $\lambda/4$ 短臂(藍)+一條 $3\lambda/4$ 長臂(紅)。RF 從 Σ 埠(port 1)進入,LO 從 Δ 埠(port 4)進入。相位標註顯示 LO 在 port 2/3 的行為(反相,$\pm 90°$);RF 以同相 $-90°$ 到達兩個二極體。Annotated reconstruction of slide 28 — the hybrid is now drawn as a rat-race ring: three $\lambda/4$ short arms (blue) + one $3\lambda/4$ long arm (red). RF enters the Σ port (port 1), LO enters the Δ port (port 4). Phase labels show LO behavior at port 2/3 (anti-phase, $\pm 90°$); RF reaches both diodes in-phase at $-90°$.slide 28 の注釈付き再構成 — hybrid は rat-race ring として描かれています:三本の $\lambda/4$ 短アーム(青)+一本の $3\lambda/4$ 長アーム(赤)。RF は Σ ポート(port 1)から、LO は Δ ポート(port 4)から入ります。位相ラベルは port 2/3 における LO の振る舞い(逆相、$\pm 90°$)を示し、RF は同相の $-90°$ で両方のダイオードに到達します。

圖中每個元件的意義What every element in the figure means図中の各要素の意味

① 兩個輸入埠:RF input (Σ port) 與 LO input (Δ port)① The two input ports: RF input (Σ port) and LO input (Δ port)① 二つの入力ポート:RF input (Σ port) と LO input (Δ port)

左側兩條箭頭分別注入:The two arrows on the left inject, respectively:左側の二本の矢印は、それぞれ次を注入します:

90° 與 180° 拓樸的根本差異The fundamental difference between the 90° and 180° topologies90° と 180° トポロジーの根本的な違い
90° hybrid:兩條路徑的 RF/LO 相位差 90° hybrid: the RF/LO phase differences of the two paths are 90° hybrid:両経路の RF/LO 位相差が互相交換swapped with each other互いに入れ替わります(不對稱)。(asymmetric).(非対称)。
180° hybrid: 180° hybrid: 180° hybrid:RF 同相、LO 反相RF in phase, LO in anti-phaseRF は同相、LO は逆相 — 這個 Σ/Δ 結構是 180° 拓樸的招牌。結果是 RF 反射在 — this Σ/Δ structure is the hallmark of the 180° topology. As a result, the RF reflections at the — この Σ/Δ 構造こそが 180° トポロジーの特徴です。その結果、RF 反射は兩個two二つの二極體上相同 ($V_\Gamma^1=V_\Gamma^2$),所以走回 Δ 埠(LO)剛好對消,走回 Σ 埠(RF)剛好相加。 diodes are identical ($V_\Gamma^1=V_\Gamma^2$), so travelling back to the Δ port (LO) they cancel exactly, while travelling back to the Σ port (RF) they add exactly. ダイオードで同一 ($V_\Gamma^1=V_\Gamma^2$) となり、Δ ポート(LO)へ戻る成分はちょうど打ち消し合い、Σ ポート(RF)へ戻る成分はちょうど加算されます。
名詞解釋:「hybrid」到底是什麼?Terminology: what exactly is a “hybrid”?用語解説:「hybrid」とは結局何か?

Hybrid(hybrid junction / hybrid coupler)是微波工程界對一類特定(hybrid junction / hybrid coupler) is the microwave-engineering name for a particular class of (hybrid junction / hybrid coupler)は、マイクロ波工学において特定の一群の四埠被動元件four-port passive component四ポート受動素子的稱呼。把一個訊號. It splits one signal を指す呼称です。一つの信号を分成兩份into two二つに分配,或把兩個訊號, or combines two signals 、あるいは二つの信号を合成一份into one一つに合成,並嚴格控制兩條路徑之間的, while strictly controlling the しつつ、二つの経路の間の相位差與功率比phase difference and power ratio位相差と電力比.を厳密に制御します。

定義性的四個性質The four defining properties定義となる四つの性質

  1. 四個埠(4-port)Four ports (4-port)四つのポート(4-port),每個埠單獨來看都, each of which, taken on its own, is を持ち、各ポートは単独で見るといずれも完美匹配perfectly matched完全に整合($S_{ii}=0$)。($S_{ii}=0$).しています($S_{ii}=0$)。
  2. 等功率分配Equal power split等電力分配(3 dB):訊號從任一埠入射 → 兩個輸出埠各拿一半的功率。(3 dB): a signal incident on any port → each of the two output ports takes half the power.(3 dB):いずれかのポートに信号が入射すると → 二つの出力ポートがそれぞれ電力の半分を受け取ります。
  3. 兩個輸出埠之間有There is a 二つの出力ポートの間には固定相位差fixed phase difference一定の位相差(本拓樸為 $180°$)。 between the two output ports ($180°$ for this topology).があります(本トポロジーでは $180°$)。
  4. 剩下那個埠跟入射埠The remaining port is 残りのポートは、入射したポートから完全隔離completely isolated完全にアイソレーションされます.

180° hybrid 的具體實作Concrete implementations of the 180° hybrid180° hybrid の具体的な実装

180° vs. 90°:180° vs. 90°:180° vs. 90°: 90° 用於需要正交 (I/Q) 輸出的場合(image-reject mixer、quadrature splitter);180° 用於需要差動驅動(differential drive)的場合 — 反向二極體對混頻器、平衡放大器、Σ/Δ 接收器。 the 90° version is used where quadrature (I/Q) outputs are needed (image-reject mixers, quadrature splitters); the 180° version is used where differential drive is needed — anti-parallel diode-pair mixers, balanced amplifiers, Σ/Δ receivers. 90° 版は直交 (I/Q) 出力が必要な場面(イメージ除去ミキサ、直交分配器)に、180° 版は差動駆動が必要な場面 — 逆並列ダイオード対ミキサ、平衡増幅器、Σ/Δ 受信機 — に用いられます。

② 中央方塊:3 dB 180° hybrid(rat-race ring 實作)② The central block: a 3 dB 180° hybrid (rat-race ring implementation)② 中央のブロック:3 dB 180° hybrid(rat-race ring 実装)

方塊裡畫的是 What is drawn inside the block is a ブロック内に描かれているのは rat-race(環形)耦合器rat-race (ring) couplerrat-race(リング)カプラ:一個總周長 $3\lambda/2$ 的環狀傳輸線。: a ring of transmission line with a total circumference of $3\lambda/2$.:総周長 $3\lambda/2$ のリング状伝送線路です。

$\lambda/4$ 與 $3\lambda/4$ 的The $\lambda/2$ path-length difference $\lambda/2$ の経路長差路徑長度差 $\lambda/2$between $\lambda/4$ and $3\lambda/4$($\lambda/4$ と $3\lambda/4$ の間) 就是 is こそが整顆 hybrid 之所以能做出 $180°$ 相位差the very reason the whole hybrid can produce a $180°$ phase differenceハイブリッド全体が $180°$ の位相差を作り出せる根源です的根源(每多走 $\lambda/2$ 多 $180°$)。(every extra $\lambda/2$ travelled adds $180°$).(余分に $\lambda/2$ 進むごとに $180°$ 増えます)。

整顆 4-port 結構的散射矩陣(埠號照 ①②③④)為:The scattering matrix of the complete 4-port structure (port numbering as in ①②③④) is:4-port 構造全体の散乱行列(ポート番号は ①②③④ に従う)は次のとおりです:

$$[S] = \frac{-j}{\sqrt{2}}\begin{bmatrix} 0 & \cssId{rfd1a}{1} & \cssId{rfd2a}{1} & 0 \\ \cssId{rfd1b}{1} & 0 & 0 & \cssId{lod1a}{-1} \\ \cssId{rfd2b}{1} & 0 & 0 & \cssId{lod2a}{1} \\ 0 & \cssId{lod1b}{-1} & \cssId{lod2b}{1} & 0 \end{bmatrix}$$
[S] 矩陣元素解讀(port 1 = RF/Σ, 2 = diode 1, 3 = diode 2, 4 = LO/Δ)Reading the [S]-matrix elements (port 1 = RF/Σ, 2 = diode 1, 3 = diode 2, 4 = LO/Δ)[S] 行列要素の読み方(port 1 = RF/Σ, 2 = diode 1, 3 = diode 2, 4 = LO/Δ)

讀法:How to read it:読み方: $S_{ij}=$ 從 port $j$ 入射 → 在 port $i$ 出射的複數電壓比。所有非零元素的 $S_{ij}=$ the complex voltage ratio for a wave incident at port $j$ and emerging at port $i$. Every non-zero element has $S_{ij}=$ は port $j$ から入射して port $i$ から出射する複素電圧比です。非零要素はすべて大小都是 $1/\sqrt{2}$magnitude $1/\sqrt{2}$大きさ $1/\sqrt{2}$(3 dB 等分),加上一個總體 $-j$ 前綴;矩陣裡的 $\pm 1$ 決定額外的 $0°$ 或 $180°$ 相位。(an equal 3 dB split) plus an overall $-j$ prefix; the $\pm 1$ in the matrix sets the additional $0°$ or $180°$ of phase.(3 dB 等分)を持ち、全体に $-j$ の係数が付きます。行列中の $\pm 1$ が追加の $0°$ または $180°$ の位相を決めます。

元素Element要素 Value 路徑($j\to i$)Path ($j\to i$)経路($j\to i$) 物理意義Physical meaning物理的意味
$S_{11},S_{22},S_{33},S_{44}$ $0$ 自己 → 自己self → self自分 → 自分 四個埠都All four ports are 四つのポートはすべて完美匹配perfectly matched完全に整合(return loss = ∞)(return loss = ∞)(return loss = ∞)
$S_{14}=S_{41}$ $0$ RF(Σ) ↔ LO(Δ) Σ 與 Δ 埠The Σ and Δ ports are Σ ポートと Δ ポートは天生隔離inherently isolated本質的にアイソレート(不靠對稱)(not by virtue of symmetry)(対称性に頼らない)
$S_{23}=S_{32}$ $0$ diode 1 ↔ diode 2 兩個二極體埠互相隔離The two diode ports are isolated from each other二つのダイオードポートは互いにアイソレートされる
$S_{21}=S_{12}$ $\dfrac{-j}{\sqrt{2}}$ RF (1) → diode 1 (2) Σ 同相分配:半功率、Σ in-phase split: half power, Σ 同相分配:半電力、$-90°$
$S_{31}=S_{13}$ $\dfrac{-j}{\sqrt{2}}$ RF (1) → diode 2 (3) Σ 同相分配:半功率、Σ in-phase split: half power, Σ 同相分配:半電力、$-90°$(與上一格((上のセルと同相in phase同相!) with the cell above!)!)
$S_{24}=S_{42}$ $\dfrac{+j}{\sqrt{2}}$ LO (4) → diode 1 (2) Δ 反相分配:半功率、Δ anti-phase split: half power, Δ 逆相分配:半電力、$+90°$
$S_{34}=S_{43}$ $\dfrac{-j}{\sqrt{2}}$ LO (4) → diode 2 (3) Δ 反相分配:半功率、Δ anti-phase split: half power, Δ 逆相分配:半電力、$-90°$(與上一格((上のセルと反相in anti-phase逆相!) with the cell above!)!)

核心對稱性:The core symmetry:核心となる対称性: $S_{21}=S_{31}$(RF 同相到兩顆二極體)但 $S_{24}=-S_{34}$(LO 反相到兩顆二極體)。這是 Σ/Δ 行為的數學定義。 $S_{21}=S_{31}$ (RF reaches both diodes in phase) but $S_{24}=-S_{34}$ (the LO reaches the two diodes in anti-phase). This is the mathematical definition of Σ/Δ behaviour. $S_{21}=S_{31}$(RF は同相で両方のダイオードに到達)ですが $S_{24}=-S_{34}$(LO は逆相で両方のダイオードに到達)。これが Σ/Δ 動作の数学的な定義です。

幺正性與互易:Unitarity and reciprocity:ユニタリ性と相反性: 矩陣對稱(reciprocal)、$[S]^\dagger[S]=[I]$(lossless)、對角線全 0(matched)。三條性質一起把它鎖死為理想的 180° 4-port hybrid。 the matrix is symmetric (reciprocal), $[S]^\dagger[S]=[I]$ (lossless), and the diagonal is all zeros (matched). Together these three properties pin it down as an ideal 180° 4-port hybrid. 行列は対称(reciprocal)、$[S]^\dagger[S]=[I]$(lossless)、対角成分はすべて 0(matched)。この三つの性質が合わさることで、理想的な 180° 4-port hybrid として一意に定まります。

③ 標在 port 2 / port 3 旁的「$-90°$」與「$+90°$」③ The “$-90°$” and “$+90°$” marked beside port 2 / port 3③ port 2 / port 3 の脇に記された「$-90°$」と「$+90°$」

圖上的角度標的是 The angles in the figure are the phases of the 図中の角度が示しているのは LO 訊號LO signalLO 信号從 port 4 進入後,分別到達 port 2、3 時的相位(取適當參考): as it arrives at ports 2 and 3 after entering at port 4 (to a suitable reference):が port 4 から入ったあと、port 2、3 にそれぞれ到達したときの位相です(適当な基準を取る):

兩個埠的 LO 相位差 $180°$ — 這就是 180° hybrid 名稱的由來,也是 Δ 埠的反相分配。The LO phases at the two ports differ by $180°$ — that is where the name “180° hybrid” comes from, and it is the anti-phase split of the Δ port.二つのポートの LO 位相は $180°$ 異なります — これが「180° hybrid」という名称の由来であり、Δ ポートの逆相分配そのものです。

⚠ 注意:圖上的「$\pm 90°$」⚠ Note: the “$\pm 90°$” in the figure is ⚠ 注意:図中の「$\pm 90°$」は RF の位相notではありません是 RF 的相位。RF 從 Σ 埠進來後,會以 the phase of the RF. Once the RF enters from the Σ port it reaches both diodes with 。RF は Σ ポートから入ると、同樣的 $-90°$the same $-90°$同じ $-90°$到達兩個二極體($S_{21}=S_{31}=-j/\sqrt{2}$)— 也就是 RF 是「共模」、LO 是「差模」。要顯式比較的話:($S_{21}=S_{31}=-j/\sqrt{2}$) — that is, the RF is common-mode and the LO is differential-mode. Comparing them explicitly:で両方のダイオードに到達します($S_{21}=S_{31}=-j/\sqrt{2}$)— つまり RF は「コモンモード」、LO は「ディファレンシャルモード」です。明示的に比較すると:

路徑Path経路相位Phase位相注解Comment注釈
RF (1) → diode 1$-90°$Σ 行為 — 兩條同相Σ behaviour — the two are in phaseΣ 動作 — 二つは同相
RF (1) → diode 2$-90°$
LO (4) → diode 1$+90°$Δ 行為 — 兩條反相Δ behaviour — the two are in anti-phaseΔ 動作 — 二つは逆相
LO (4) → diode 2$-90°$

④ 兩個二極體(反向對 anti-parallel pair)④ The two diodes (an anti-parallel pair)④ 二つのダイオード(逆並列対 anti-parallel pair)

跟 90° 版本完全一樣 — 兩個二極體Exactly as in the 90° version — the two diodes are connected in series with 90° 版とまったく同じで — 二つのダイオードは方向反過來opposite orientation向きを逆にして串接,使得上面那顆等效係數 $+a_1$、下面 $-a_1$。, so that the upper one has an effective coefficient of $+a_1$ and the lower one $-a_1$.直列接続され、上側の等価係数が $+a_1$、下側が $-a_1$ となります。

為什麼信號流圖上寫「diode pair, ±a₁v²」?Why does the signal-flow diagram say “diode pair, ±a₁v²”?なぜ信号流れ図に「diode pair, ±a₁v²」と書かれているのか?

① $a_1 v^2$ 從哪來?① Where does $a_1 v^2$ come from?① $a_1 v^2$ はどこから来るのか? 單一二極體的 I-V 曲線非線性,把電流對外加電壓做 Taylor 展開: The I–V curve of a single diode is nonlinear; expanding the current as a Taylor series in the applied voltage: 単一ダイオードの I–V 曲線は非線形であり、電流を印加電圧について Taylor 展開すると:

$$i(v) = a_0 v + a_1 v^2 + a_2 v^3 + \cdots$$

本課/Pozar 的編號慣例是把The numbering convention in this course (and in Pozar) calls the 本講義(および Pozar)の番号付けの慣例では、二次項second-order term二次の項叫 $a_1$。$a_1$ 是$a_1$. So $a_1$ is the を $a_1$ と呼びます。つまり $a_1$ は平方律係數square-law coefficient平方則係数,是, and it is であり、整顆混頻器的引擎the engine of the entire mixerミキサ全体のエンジン — 沒有 $v^2$ 項就沒有混頻。 — without the $v^2$ term there is no mixing.です — $v^2$ 項がなければ周波数混合は起こりません。

② 「$\pm$」從哪來?② Where does the “$\pm$” come from?②「$\pm$」はどこから来るのか? 兩個二極體是反向串接,下面那顆帶 The two diodes are connected in series back to back, so the lower one carries a 二つのダイオードは背中合わせに直列接続されているため、下側のものには負號minus signマイナス符号:が付きます:

$$i_1(t) \approx \mathbf{+}a_1\bigl[v_1(t)+v_n(t)\bigr]^2, \qquad i_2(t) \approx \mathbf{-}a_1\bigl[v_2(t)+v_n(t)\bigr]^2$$

$v_n(t)$ = LO 上的 AM 噪聲;因為 hybrid 線性,兩顆二極體看到同一個 $v_n(t)$(共模)。 = the AM noise on the LO; because the hybrid is linear, both diodes see the same $v_n(t)$ (common mode). = LO に乗った AM 雑音。hybrid は線形なので、二つのダイオードは同じ $v_n(t)$ を見ます(コモンモード)。

③ 加總:③ Summing:③ 合算:

$$i_o = i_1 + i_2 \approx a_1\bigl[v_1^2 - v_2^2\bigr] + 2a_1 v_n(t)\bigl[v_1 - v_2\bigr]$$

$v_1^2 - v_2^2$ 把共模東西對消,只保留 RF×LO 的差頻乘積。$v_1^2 - v_2^2$ cancels the common-mode terms and keeps only the RF×LO difference-frequency product.$v_1^2 - v_2^2$ はコモンモードの項を打ち消し、RF×LO の差周波数成分だけを残します。

⑤ 右側方塊(summing junction)+ ⑥ Low-pass filter⑤ The block on the right (summing junction) + ⑥ Low-pass filter⑤ 右側のブロック(summing junction)+ ⑥ Low-pass filter

$i_1, i_2$ 在共同節點相加 → 全部低通濾波,留下 IF tone。對 180° 版本,$v_1, v_2$ 與 RF/LO 的關係是:$i_1$ and $i_2$ add at a common node → the whole lot is low-pass filtered, leaving the IF tone. For the 180° version, $v_1$ and $v_2$ relate to the RF/LO as:$i_1$ と $i_2$ が共通ノードで加算され → 全体が低域通過フィルタを通って IF トーンだけが残ります。180° 版では、$v_1$ と $v_2$ は RF/LO と次のように関係します:

$$v_1 = \tfrac{1}{\sqrt{2}}\bigl[V_{RF}\sin\omega_{RF}t - V_{LO}\sin\omega_{LO}t\bigr], \quad v_2 = \tfrac{1}{\sqrt{2}}\bigl[V_{RF}\sin\omega_{RF}t + V_{LO}\sin\omega_{LO}t\bigr]$$

注意 RF 部分在 $v_1, v_2$ 是Note that the RF parts of $v_1$ and $v_2$ have 注目すべきは、$v_1$ と $v_2$ の RF 成分が同號the same sign同符号(共模),LO 部分是(common mode) while the LO parts have (コモンモード)であるのに対し、LO 成分は反號opposite signs逆符号(差模)。代入 $v_1^2-v_2^2$ 得(differential mode). Substituting into $v_1^2-v_2^2$ gives(ディファレンシャルモード)である点です。$v_1^2-v_2^2$ に代入すると

$$v_1^2 - v_2^2 = -2 V_{RF} V_{LO} \sin\omega_{RF}t \sin\omega_{LO}t = -V_{RF}V_{LO}\bigl[\cos(\omega_{RF}-\omega_{LO})t - \cos(\omega_{RF}+\omega_{LO})t\bigr]$$

過 LPF 後 IF 輸出:After the LPF, the IF output is:LPF を通したあとの IF 出力は:

$$\color{#c01020}{\boldsymbol{i_{IF}(t) \approx -a_1 V_{RF}V_{LO}\cos(\omega_{RF}-\omega_{LO})t = -\tfrac{1}{2}g'_{DC}V_{RF}V_{LO}\cos\omega_{IF}t}}$$

注意:180° 版本的 IF 是Note: the IF of the 180° version has a 注意:180° 版の IF は cos形式(相對 90° 版本的 sin);兩者振幅相同,只差 $90°$ 相位。form (versus sin for the 90° version); the amplitudes are identical and only the $90°$ of phase differs.の形になります(90° 版の sin に対して)。振幅は両者とも同じで、違うのは $90°$ の位相だけです。

⑦ 紅色的捲回箭頭:$V_\Gamma^{RF}, V_\Gamma^{LO}, V_\Gamma^1, V_\Gamma^2$⑦ The red curled-back arrows: $V_\Gamma^{RF}, V_\Gamma^{LO}, V_\Gamma^1, V_\Gamma^2$⑦ 赤い巻き戻り矢印:$V_\Gamma^{RF}, V_\Gamma^{LO}, V_\Gamma^1, V_\Gamma^2$

每個紅色「捲一圈回頭」的箭頭都是某個埠的Every red “curl back on itself” arrow is the 赤い「くるりと巻いて戻る」矢印はいずれも、あるポートにおける反射電壓相量reflected voltage phasor反射電圧フェーザ at some port:です:

符號Symbol記号位置Location位置意義Meaning意味
$V_\Gamma^1$port 2 內側Inside port 2port 2 の内側diode 1 因不匹配反射回來的電壓The voltage reflected by diode 1 because it is mismatcheddiode 1 が不整合のために反射して戻す電圧
$V_\Gamma^2$port 3 內側Inside port 3port 3 の内側diode 2 因不匹配反射回來的電壓The voltage reflected by diode 2 because it is mismatcheddiode 2 が不整合のために反射して戻す電圧
$V_\Gamma^{RF}$port 1 外側Outside port 1port 1 の外側從 RF/Σ 輸入埠看回去的總反射The total reflection looking back into the RF/Σ input portRF/Σ 入力ポートを見返したときの総反射
$V_\Gamma^{LO}$port 4 外側Outside port 4port 4 の外側從 LO/Δ 輸入埠看回去的總反射The total reflection looking back into the LO/Δ input portLO/Δ 入力ポートを見返したときの総反射
$V_\Gamma^1, V_\Gamma^2$ 是怎麼來的?(180° 版本:兩顆二極體看到同樣的 RF 電壓)Where do $V_\Gamma^1, V_\Gamma^2$ come from? (180° version: both diodes see the same RF voltage)$V_\Gamma^1, V_\Gamma^2$ はどこから来るのか?(180° 版:両方のダイオードが同じ RF 電圧を見る)

Step 1 — Σ 把 RF 同相送到兩個二極體。Step 1 — Σ sends the RF to both diodes in phase.Step 1 — Σ が RF を同相で両方のダイオードへ送ります。 從 $[S]$ 矩陣: From the $[S]$ matrix: $[S]$ 行列より:

$$V_1 = S_{21}V_{RF} = \frac{-j}{\sqrt{2}}V_{RF}, \qquad V_2 = S_{31}V_{RF} = \frac{-j}{\sqrt{2}}V_{RF}$$

注意 $V_1 = V_2$!Note that $V_1 = V_2$!$V_1 = V_2$ である点に注目してください! 這就是 Σ 同相分配的關鍵 — 兩顆二極體看到完全一樣的 RF 電壓相量。(對比 90° 版本:$V_1\propto -j$、$V_2\propto -1$ 是差 $90°$,不相等。) This is the crux of the Σ in-phase split — both diodes see exactly the same RF voltage phasor. (Contrast the 90° version: $V_1\propto -j$ and $V_2\propto -1$ differ by $90°$ and are not equal.) これこそが Σ 同相分配の要です — 両方のダイオードがまったく同じ RF 電圧フェーザを見ます。(90° 版と対比すると:$V_1\propto -j$ と $V_2\propto -1$ は $90°$ 異なっており、等しくありません。)

Step 2 — 不匹配的二極體把 $\Gamma$ 倍反射回去。Step 2 — the mismatched diodes reflect $\Gamma$ times as much back.Step 2 — 不整合なダイオードが $\Gamma$ 倍を反射して戻します。

$$V_\Gamma^1 = \Gamma\,V_1 = \frac{-j\Gamma V_{RF}}{\sqrt{2}}, \qquad V_\Gamma^2 = \Gamma\,V_2 = \frac{-j\Gamma V_{RF}}{\sqrt{2}}$$

$V_\Gamma^1 = V_\Gamma^2$(同樣的振幅、同樣的相位)。$V_\Gamma^1 = V_\Gamma^2$ (same amplitude, same phase).$V_\Gamma^1 = V_\Gamma^2$(同じ振幅、同じ位相)。

Step 3 — hybrid 把這兩道Step 3 — the hybrid redistributes these two Step 3 — hybrid はこの二つの相同的identical同一な反射再分配到 port 1(Σ/RF)與 port 4(Δ/LO): reflections to port 1 (Σ/RF) and port 4 (Δ/LO):反射を port 1(Σ/RF)と port 4(Δ/LO)へ再分配します:

$$V_\Gamma^{RF} = S_{12}V_\Gamma^1 + S_{13}V_\Gamma^2, \qquad V_\Gamma^{LO} = S_{42}V_\Gamma^1 + S_{43}V_\Gamma^2$$
關鍵結果(重點)The key result (the main point)重要な結論(要点)
代入後: Substituting: 代入すると:
$$\begin{aligned} V_\Gamma^{RF} &= \frac{-j}{\sqrt{2}}\!\cdot\!\frac{-j\Gamma V_{RF}}{\sqrt{2}} + \frac{-j}{\sqrt{2}}\!\cdot\!\frac{-j\Gamma V_{RF}}{\sqrt{2}} = \frac{-\Gamma V_{RF}}{2} + \frac{-\Gamma V_{RF}}{2} = -\Gamma V_{RF} \\[4pt] \color{#c01020}{\boldsymbol{V_\Gamma^{LO}}} &\color{#c01020}{\boldsymbol{= \frac{+j}{\sqrt{2}}\!\cdot\!\frac{-j\Gamma V_{RF}}{\sqrt{2}} + \frac{-j}{\sqrt{2}}\!\cdot\!\frac{-j\Gamma V_{RF}}{\sqrt{2}} = \frac{\Gamma V_{RF}}{2} + \frac{-\Gamma V_{RF}}{2} = 0}} \quad\color{#c01020}{\boldsymbol{\text{(LO 端反射係數為 0)}}} \end{aligned}$$ $$\begin{aligned} V_\Gamma^{RF} &= \frac{-j}{\sqrt{2}}\!\cdot\!\frac{-j\Gamma V_{RF}}{\sqrt{2}} + \frac{-j}{\sqrt{2}}\!\cdot\!\frac{-j\Gamma V_{RF}}{\sqrt{2}} = \frac{-\Gamma V_{RF}}{2} + \frac{-\Gamma V_{RF}}{2} = -\Gamma V_{RF} \\[4pt] \color{#c01020}{\boldsymbol{V_\Gamma^{LO}}} &\color{#c01020}{\boldsymbol{= \frac{+j}{\sqrt{2}}\!\cdot\!\frac{-j\Gamma V_{RF}}{\sqrt{2}} + \frac{-j}{\sqrt{2}}\!\cdot\!\frac{-j\Gamma V_{RF}}{\sqrt{2}} = \frac{\Gamma V_{RF}}{2} + \frac{-\Gamma V_{RF}}{2} = 0}} \quad\color{#c01020}{\boldsymbol{\text{(the reflection coefficient at the LO port is 0)}}} \end{aligned}$$ $$\begin{aligned} V_\Gamma^{RF} &= \frac{-j}{\sqrt{2}}\!\cdot\!\frac{-j\Gamma V_{RF}}{\sqrt{2}} + \frac{-j}{\sqrt{2}}\!\cdot\!\frac{-j\Gamma V_{RF}}{\sqrt{2}} = \frac{-\Gamma V_{RF}}{2} + \frac{-\Gamma V_{RF}}{2} = -\Gamma V_{RF} \\[4pt] \color{#c01020}{\boldsymbol{V_\Gamma^{LO}}} &\color{#c01020}{\boldsymbol{= \frac{+j}{\sqrt{2}}\!\cdot\!\frac{-j\Gamma V_{RF}}{\sqrt{2}} + \frac{-j}{\sqrt{2}}\!\cdot\!\frac{-j\Gamma V_{RF}}{\sqrt{2}} = \frac{\Gamma V_{RF}}{2} + \frac{-\Gamma V_{RF}}{2} = 0}} \quad\color{#c01020}{\boldsymbol{\text{(the reflection coefficient at the LO port is 0)}}} \end{aligned}$$
即使兩個二極體完全不匹配, Even if the two diodes are completely mismatched, 二つのダイオードがまったく整合していなくても、LO 埠看起來都是完美隔離($V_\Gamma^{LO}=0$)the LO port always looks perfectly isolated ($V_\Gamma^{LO}=0$)LO ポートは常に完全にアイソレートされて見えます($V_\Gamma^{LO}=0$) — Δ 分配的兩條路徑相位差 $180°$ 對消。反射全部跑去 RF 埠(同相相加),$|V_\Gamma^{RF}/V_{RF}|=|\Gamma|$。所以這顆 180° hybrid 給你的好處是「 — the two paths of the Δ split are $180°$ apart and cancel. All of the reflection goes to the RF port instead (adding in phase), giving $|V_\Gamma^{RF}/V_{RF}|=|\Gamma|$. So what this 180° hybrid buys you is “ — Δ 分配の二経路は位相が $180°$ 異なり打ち消し合うからです。反射はすべて RF ポートへ回り(同相で加算され)、$|V_\Gamma^{RF}/V_{RF}|=|\Gamma|$ となります。つまりこの 180° hybrid が与えてくれる利点は「RF-LO 隔離度永遠完美RF-to-LO isolation is always perfectRF-LO 間アイソレーションが常に完全」,代價是「RF 匹配取決於二極體匹配程度」。 ”, at the cost of “the RF match depends on how well the diodes are matched”. 」であり、その代償が「RF 整合はダイオードの整合度に左右される」ことです。
解讀 $-\Gamma V_{RF}$ 與 $|V_\Gamma^{RF}/V_{RF}|=|\Gamma|$Interpreting $-\Gamma V_{RF}$ and $|V_\Gamma^{RF}/V_{RF}|=|\Gamma|$$-\Gamma V_{RF}$ と $|V_\Gamma^{RF}/V_{RF}|=|\Gamma|$ の読み解き

① $-\Gamma V_{RF}$ 是 $V_\Gamma^{RF}$ 的值① $-\Gamma V_{RF}$ is the value of $V_\Gamma^{RF}$① $-\Gamma V_{RF}$ は $V_\Gamma^{RF}$ の値 — 反射「漏」回 RF 輸入埠的電壓。拆解:振幅 $= |\Gamma|\!\cdot\!|V_{RF}|$、相位反相($180°$)。 — the voltage that “leaks” back to the RF input port as reflection. Broken down: amplitude $= |\Gamma|\!\cdot\!|V_{RF}|$, phase inverted ($180°$). — 反射として RF 入力ポートへ「漏れ」戻る電圧です。分解すると:振幅 $= |\Gamma|\!\cdot\!|V_{RF}|$、位相は反転($180°$)。

② $|V_\Gamma^{RF}/V_{RF}|=|\Gamma|$ 是 RF 埠的反射係數大小。② $|V_\Gamma^{RF}/V_{RF}|=|\Gamma|$ is the magnitude of the reflection coefficient at the RF port.② $|V_\Gamma^{RF}/V_{RF}|=|\Gamma|$ は RF ポートにおける反射係数の大きさです。

二極體匹配品質Diode match qualityダイオードの整合品質$|\Gamma|$RF 反射比例Fraction of RF reflectedRF が反射する割合RF 回波損耗 (dB)RF Return loss (dB)RF リターンロス (dB)
理想匹配Ideal match理想的な整合00
很好Good良好0.055%26 dB
典型Typical典型的0.220%14 dB
Poor不良0.550%6 dB

整體結論(180° 版本):Overall conclusion (180° version):総合的な結論(180° 版): LO 埠 the LO port is LO ポートは無條件完美隔離unconditionally and perfectly isolated無条件に完全にアイソレート($V_\Gamma^{LO}=0$)✅;RF 匹配($V_\Gamma^{LO}=0$) ✅; the RF match されます($V_\Gamma^{LO}=0$)✅。一方 RF 整合は取決於二極體匹配品質depends on how well the diodes are matchedダイオードの整合品質に左右されます($|V_\Gamma^{RF}/V_{RF}|=|\Gamma|$)⚠。這正好是 90° 版本的($|V_\Gamma^{RF}/V_{RF}|=|\Gamma|$) ⚠. This is precisely the 90° version's ($|V_\Gamma^{RF}/V_{RF}|=|\Gamma|$)⚠。これはちょうど 90° 版の鏡像mirror image鏡像.です。

訊號流總覽(一條算式講完)Signal-flow overview (the whole thing in one equation)信号流れの全体像(一本の式で言い切る)

$$\underbrace{V_{RF}\cos\omega_{RF}t}_{\text{port 1 = Σ}} + \underbrace{V_{LO}\cos\omega_{LO}t}_{\text{port 4 = Δ}} \xrightarrow{\text{[S]}_{180°}} \begin{cases} v_1 = \tfrac{1}{\sqrt{2}}[V_{RF}\sin\omega_{RF}t - V_{LO}\sin\omega_{LO}t] \\ v_2 = \tfrac{1}{\sqrt{2}}[V_{RF}\sin\omega_{RF}t + V_{LO}\sin\omega_{LO}t] \end{cases} \xrightarrow{\substack{\text{diode pair}\\ \pm a_1 v^2}} i_o(t) \xrightarrow{\text{LPF}} i_{IF}(t)$$
逐步推導:從 LHS(RF + LO 輸入)到 RHS($i_{IF}(t)$)三個 transition 的完整代數Step-by-step derivation: the complete algebra of the three transitions from the LHS (RF + LO inputs) to the RHS ($i_{IF}(t)$)段階を追った導出:LHS(RF + LO 入力)から RHS($i_{IF}(t)$)へ至る三つの transition の完全な代数

Transition 1: $[S]_{180°}$ 矩陣 → $v_1, v_2$Transition 1: $[S]_{180°}$ matrix → $v_1, v_2$Transition 1: $[S]_{180°}$ 行列 → $v_1, v_2$

RF 從 port 1 (Σ) 入射、LO 從 port 4 (Δ) 入射。對 port 2、port 3 套 hybrid 的散射矩陣:The RF is incident at port 1 (Σ) and the LO at port 4 (Δ). Applying the hybrid's scattering matrix at ports 2 and 3:RF は port 1 (Σ)、LO は port 4 (Δ) から入射します。port 2、port 3 に hybrid の散乱行列を適用すると:

$$V_2 = S_{21}V_{RF} + S_{24}V_{LO} = \tfrac{-j}{\sqrt{2}}V_{RF} + \tfrac{+j}{\sqrt{2}}V_{LO}$$ $$V_3 = S_{31}V_{RF} + S_{34}V_{LO} = \tfrac{-j}{\sqrt{2}}V_{RF} + \tfrac{-j}{\sqrt{2}}V_{LO}$$

相量轉時域:Phasors back to the time domain:フェーザを時間領域へ戻すと: 乘 $-j$ ⇒ $\cos\omega t \to \sin\omega t$;乘 $+j$ ⇒ $\cos\omega t \to -\sin\omega t$。 Multiplying by $-j$ ⇒ $\cos\omega t \to \sin\omega t$; multiplying by $+j$ ⇒ $\cos\omega t \to -\sin\omega t$. $-j$ を掛けると ⇒ $\cos\omega t \to \sin\omega t$、$+j$ を掛けると ⇒ $\cos\omega t \to -\sin\omega t$。

$$v_1 = \tfrac{1}{\sqrt{2}}\bigl[V_{RF}\sin\omega_{RF}t - V_{LO}\sin\omega_{LO}t\bigr], \quad v_2 = \tfrac{1}{\sqrt{2}}\bigl[V_{RF}\sin\omega_{RF}t + V_{LO}\sin\omega_{LO}t\bigr]$$

注意 RF 部分在 $v_1, v_2$ 同號(Σ 共模)、LO 部分反號(Δ 差模)。這是與 90° 版本最大的不同。Note that the RF parts of $v_1$ and $v_2$ have the same sign (Σ, common mode) while the LO parts have opposite signs (Δ, differential mode). This is the biggest difference from the 90° version.$v_1$ と $v_2$ の RF 成分は同符号(Σ、コモンモード)、LO 成分は逆符号(Δ、ディファレンシャルモード)である点に注意してください。これが 90° 版との最大の違いです。


Transition 2: 反向二極體對($\pm a_1 v^2$)→ $i_o(t)$Transition 2: the anti-parallel diode pair ($\pm a_1 v^2$) → $i_o(t)$Transition 2: 逆並列ダイオード対($\pm a_1 v^2$)→ $i_o(t)$

$i_o = a_1[v_1^2 - v_2^2] + 2a_1 v_n(t)[v_1 - v_2]$。展開 $v_1^2$、$v_2^2$:$i_o = a_1[v_1^2 - v_2^2] + 2a_1 v_n(t)[v_1 - v_2]$. Expanding $v_1^2$ and $v_2^2$:$i_o = a_1[v_1^2 - v_2^2] + 2a_1 v_n(t)[v_1 - v_2]$。$v_1^2$、$v_2^2$ を展開すると:

$$v_1^2 = \tfrac{1}{2}\bigl[V_{RF}^2\sin^2\omega_{RF}t - 2V_{RF}V_{LO}\sin\omega_{RF}t\sin\omega_{LO}t + V_{LO}^2\sin^2\omega_{LO}t\bigr]$$ $$v_2^2 = \tfrac{1}{2}\bigl[V_{RF}^2\sin^2\omega_{RF}t + 2V_{RF}V_{LO}\sin\omega_{RF}t\sin\omega_{LO}t + V_{LO}^2\sin^2\omega_{LO}t\bigr]$$

相減:Subtracting: 差をとると:$V_{RF}^2$ 與 $V_{LO}^2$ 項剛好對消The $V_{RF}^2$ and $V_{LO}^2$ terms cancel exactly$V_{RF}^2$ と $V_{LO}^2$ の項はちょうど打ち消し合います(因為兩邊同號)!剩下:(because both sides have the same sign)! What remains is:(両辺が同符号のため)!残るのは:

$$v_1^2 - v_2^2 = -2 V_{RF}V_{LO}\sin\omega_{RF}t\sin\omega_{LO}t$$

套積化和差 $\sin A\sin B = \tfrac{1}{2}[\cos(A-B)-\cos(A+B)]$:Applying the product-to-sum identity $\sin A\sin B = \tfrac{1}{2}[\cos(A-B)-\cos(A+B)]$:積和公式 $\sin A\sin B = \tfrac{1}{2}[\cos(A-B)-\cos(A+B)]$ を適用すると:

$$v_1^2 - v_2^2 = -V_{RF}V_{LO}\bigl[\cos(\omega_{RF}-\omega_{LO})t - \cos(\omega_{RF}+\omega_{LO})t\bigr]$$

$v_1 - v_2$(AM 噪聲項用):$v_1 - v_2$ (needed for the AM-noise term):$v_1 - v_2$(AM 雑音の項で使います):

$$v_1 - v_2 = -\sqrt{2}\,V_{LO}\sin\omega_{LO}t$$

RF 部分自動對消(兩邊同號),只剩 LO 基頻 — 這是 180° 拓樸抑制 RF 漏到 IF 的好處!The RF part cancels automatically (both sides have the same sign), leaving only the LO fundamental — this is how the 180° topology suppresses RF leakage into the IF!RF 成分は自動的に打ち消され(両辺が同符号のため)、LO 基本波だけが残ります — これが 180° トポロジーが RF の IF への漏れを抑える仕組みです!

合併:Combining:まとめると:

$$i_o(t) \approx -a_1 V_{RF}V_{LO}\bigl[\cos(\omega_{RF}-\omega_{LO})t - \cos(\omega_{RF}+\omega_{LO})t\bigr] - 2\sqrt{2}\,a_1 v_n(t) V_{LO}\sin\omega_{LO}t$$

Transition 3: LPF → $i_{IF}(t)$

低通濾波器擋掉 $\omega_{RF}+\omega_{LO}$ 的和頻、AM 噪聲與 LO 基頻乘積(都在 RF/LO 頻段附近),留下:The low-pass filter blocks the sum frequency $\omega_{RF}+\omega_{LO}$, the AM noise and the LO-fundamental product (all near the RF/LO band), leaving:低域通過フィルタが $\omega_{RF}+\omega_{LO}$ の和周波数、AM 雑音、LO 基本波との積(いずれも RF/LO 帯域付近)を阻止し、残るのは:

$$\color{#c01020}{\boldsymbol{i_{IF}(t) \approx -a_1 V_{RF}V_{LO}\cos(\omega_{RF}-\omega_{LO})t = -\tfrac{1}{2}g'_{DC}V_{RF}V_{LO}\cos\omega_{IF}t}}$$

結果與 90° 版本比較:Comparing the result with the 90° version:結果を 90° 版と比較すると:

90° hybrid180° hybrid
$i_{IF}$ 形式Form of $i_{IF}$$i_{IF}$ の形$\sin\omega_{IF}t$$\cos\omega_{IF}t$
振幅Amplitude振幅$a_1 V_{RF}V_{LO}$$a_1 V_{RF}V_{LO}$(相同)$a_1 V_{RF}V_{LO}$ (identical)$a_1 V_{RF}V_{LO}$(同一)
$V_\Gamma^{RF}$$0$(無條件匹配)$0$ (unconditionally matched)$0$(無条件に整合)$-\Gamma V_{RF}$(依 $\Gamma$)$-\Gamma V_{RF}$ (depends on $\Gamma$)$-\Gamma V_{RF}$($\Gamma$ に依存)
$V_\Gamma^{LO}$$j\Gamma V_{RF}$(依 $\Gamma$)$j\Gamma V_{RF}$ (depends on $\Gamma$)$j\Gamma V_{RF}$($\Gamma$ に依存)$0$(無條件隔離)$0$ (unconditionally isolated)$0$(無条件にアイソレート)
主要優點Main advantage主な長所RF 端永遠匹配The RF port is always matchedRF 端が常に整合しているRF-LO 永遠隔離RF and LO are always isolatedRF-LO が常にアイソレートされる

顏色對照Colour key色の対応

RF 路徑 / Σ port / $\lambda/4$ 短臂(藍) RF path / Σ port / $\lambda/4$ short arm (blue) RF 経路 / Σ port / $\lambda/4$ 短アーム(青)
LO 路徑 / Δ port / $3\lambda/4$ 長臂(紅) LO path / Δ port / $3\lambda/4$ long arm (red) LO 経路 / Δ port / $3\lambda/4$ 長アーム(赤)
反射電壓 $V_\Gamma$(深紅,捲回箭頭) Reflected voltage $V_\Gamma$ (dark red, curled-back arrows) 反射電圧 $V_\Gamma$(濃い赤、巻き戻り矢印)
二極體電流 $i_1, i_2$(綠) Diode currents $i_1, i_2$ (green) ダイオード電流 $i_1, i_2$(緑)

三句話帶走Three sentences to take away三つの文で持ち帰る

  1. 180° hybrid 是 Σ/Δ 結構The 180° hybrid is a Σ/Δ structure180° hybrid は Σ/Δ 構造である — RF 同相到兩顆二極體(共模),LO 反相到兩顆二極體(差模)。Pozar 用 rat-race ring 實作,三條 $\lambda/4$ + 一條 $3\lambda/4$。 — the RF reaches both diodes in phase (common mode) and the LO reaches them in anti-phase (differential mode). Pozar implements it as a rat-race ring: three $\lambda/4$ arms plus one $3\lambda/4$ arm. — RF は同相で両方のダイオードに到達し(コモンモード)、LO は逆相で到達します(ディファレンシャルモード)。Pozar は rat-race ring で実装し、三本の $\lambda/4$ アームと一本の $3\lambda/4$ アームから成ります。
  2. 跟 90° 版本是鏡像關係It is the mirror image of the 90° version90° 版とは鏡像の関係にある:90° 把反射全踢到 LO 埠(保 RF 匹配);180° 把反射全踢到 RF 埠(保 LO 隔離)。兩者數學結構對稱但功能互補。: the 90° hybrid kicks all the reflection out to the LO port (preserving the RF match); the 180° hybrid kicks it all out to the RF port (preserving LO isolation). The two have symmetric mathematics but complementary strengths.:90° hybrid は反射をすべて LO ポートへ追い出し(RF 整合を守る)、180° hybrid は反射をすべて RF ポートへ追い出します(LO アイソレーションを守る)。両者は数学的に対称ですが、長所は相補的です。
  3. IF 輸出是 cos 形式The IF output has a cos formIF 出力は cos の形になる(90° 版是 sin),振幅都是 $a_1 V_{RF}V_{LO}$。AM 噪聲透過反向對 $v_1^2-v_2^2$ 抑制機制依然成立。(the 90° version has sin), and in both cases the amplitude is $a_1 V_{RF}V_{LO}$. The mechanism by which the anti-parallel pair suppresses AM noise through $v_1^2-v_2^2$ still applies.(90° 版は sin)。振幅はどちらも $a_1 V_{RF}V_{LO}$ です。逆並列対が $v_1^2-v_2^2$ を通じて AM 雑音を抑圧する仕組みは、そのまま成り立ちます。

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