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1、设计实验 5 镜频抑制混频器设计 1 概述 图 1 为一微带平衡混频器，其功率混合电路采用3dB 分支线定向耦合器，在各端口匹配的条件下，1、2 为隔离臂，1 到 3、4 端口以及从 2 到 3、4 端口都是功率平分而相位差90。图 1 设射频信号和本振分别从隔离臂 1、2 端口加入时，初相位都是 0，考虑到传输相同的路径不影响相对相位关系。通过定向耦合器，加到 D1，D2 上的信号和本振电压分别为：D1 上电压 1-1 1-2 D2 上电压 1-3 1-4 可见，信号和本振都分别以 相位差分配到两只二极管上，故这类混频器称为 型平衡混频器。由一般混频电流的计算公式，并考虑到射频电压和本振电压
2、的相位差，可以得到 D1 中混频电流为：同样，D2 式中的混频器的电流为：当 时，利用 的关系，可以求出中频电流为：主要的技术指标有：1、噪音系数和等效相位噪音(单边带噪音系数、双边带噪音系数)；2、变频增益，中频输出和射频输入的比较；3、动态范围，这是指混频器正常工作时的微波输入功率范围；4、双频三阶交调与线性度；5、工作频率；6、隔离度；7、本振功率与工作点。设计目标：射频：3.6 GHz，本振：3.8 GHz，噪音：15。2.具体设计过程 2.1 创建一个新项目 启动 ADS 选择 Main windows 菜单FileNew Project，然后按照提示选择项目保存的路径和输入文件名
3、点击“ok”这样就创建了一个新项目。点击 ，新建一个电路原理图窗口，开始设计混频器。2.2 3dB 定向耦合器设计 里面选择类“Tlines-Microstrip”选择 ，并双击编辑其中的属性，这是微带线基板的参数设置，其中的各项的物理含义，可以参考 ADS 的帮助文档。选择 ，这是一个微带传输线，选择 ，这是一个三叉口。按照下图设计好电路图 图 2 3dB 耦合器 其中 50 ohm 传输线的线宽 w0.98mm，四分之一波长长度为 10.46mm，35ohm传输线的线宽为 w1.67mm，四分之一波长长度为 10.2mm。MTEE 是三端口器件，有三个参数 W1，W2，W3 具体是有定义的
4、，可以此参考 ADS 帮助文档。选择类“SimulationS_Param”并把仿真器和“Term”拉出来放好。图 3 双击 ，修改里面的属性，要求从 3GHz 到 5GHz 扫描。保存文档。按“F7”仿真。在“DataDisplay”窗口中，按 ，如下图所示，看端口的耦合度。图 4 结果如下图所示 图 5 输出端口间的相位差 同样的办法可以看到输出端口的相位差、输入端口的隔离度、输入端口的回波损耗等。图 6 输出端口的相位差 图 7 输入端口的回波损耗 图 8 输入、输出端口的隔离度 2.3 低通滤波器 在类“Lumped-Components”里面选择电容 ，和电感 ，按照下图设计电路。图
5、 9 低通滤波器电路图 加上仿真器 ，设计为 ，表示从 0.01GHz，扫描到 4GHz。按“F7”仿真。在出现的“DataDisplay”窗口中，按 ，选择加入 S21，仿真结果如下图所示。图 10 低通滤波器仿真结果 2.4 混频器频谱分析 2.41 设计完整的电路图 图 11 完整的电路图 把混频器的电路图分解为如下图所示的 8 个部分，下面分别说明一下这 8 个部分具体的情况。图 12 第一部分 第二部分 第三部分就是上面设计出来的 3dB 定向耦合器，具体请参考 3dB 耦合器一章。第 4 部分 匹配电路 第 5 部分是晶体管，其中晶体管是使用了模型，具体操作是这样的，先在类“Dev
6、ices-Diodes”里面，选择 ，并双击修改里面的属性，建立二极管模型，具体的参数设计参考下图 13。图 13 选择 ，并在相应的位置把器件放好，其中 DIODE1，和 DIODE2 都是引用了刚才设计的二极管模板“DIODEM1”。第 6 部分是输出阻抗匹配电路，使用传输线做阻抗匹配，第 6 部分 第 7 部分是低通滤波器，具体电路参考低通滤波器设计电路。第 8 部分是一个“Term”，用来做输出负载的。“Term”是在“Simulation S-Param”中获得的。第 8 部分 注意：第 1 部分是射频输入端口，端口号就是(Num)要设计为“1”；第 2 部分是本振输入端口，端口号要
7、设计为“3”。这是一般用 HB Simulation 仿真的规范要求。2.42 设置变量 在电路原理图窗口上，选择 ，双击，修改其属性，如下图所示。在类“Optim/Stat/Yield/DOE”里面，选择 ，并双击修改其属性为 2.43 配置仿真器 在类“Simulation-HB”里面选择 和 ，先双击 修改其属性，主要是把温度改为符合IEEE 标准的 16.85 度。双击 ，配置谐波平衡仿真器，具体参见下图 图 14 图 15 图 16 图 17 图 19 选择 krylov 来做噪音仿真 按“F7”进行仿真。在出现的“DataDisplay”窗口中，选择 ，并点击“advance”项目
8、，在对话框里面输入“dBm(Vif)”点击“Ok”就可以显示中频输出的频谱分量。图 20 仿真结果如下图所示：选择 ，选择显示“ConvGain”结果如下图所示 图 21 图 22 2.5 噪音系数仿真 在上面仿真的基础上，稍微把仿真器修改一下就可以得到噪音系数的仿真结果，双击 ，修改第二项“Sweep”图 23 表示不在对本振功率“PLO”进行扫描，其他项目不需要做任何改动。按“F7”进行仿真。在新出现的“DataDisplay”窗口中，选择 ，并把 nf(2)添加进去。2.7 噪声系数随 RF 频率的变化 在上面噪音仿真的基础上，做如下改动：修改变量如下图所示：把射频输入端的功率源换成一个
9、“Term”。在类“Simulation-HB”选择一个 ，双击修改其属性为：图 24 表示从 1。0GHz 扫描到 6.0GHz，步长是 0.1GHz。配置仿真器，如下图所示。图 25 图 27 图 28 图 29 按“F7”进行仿真。在新出现的“DataDisplay”窗口中，点击 ，并在“advance”对话框中输入“plot_vs(nf(2),HB_NOISE.RFfreq)最后的仿真结果如下图所示。图 30 2.8 三阶交调系数 电路原理图不变，然后做下面的修改 设置变量如下图所示：设计输出变量，在类“Optim/Stat/Yield/DOE”里面点击 ，然后双击编辑属性 在类“So
10、urces-Freq Domain”里面，选择 ，并把该器件放在 1 端口，就是射频输入端口，双击修改其属性。仿真器配置 图 31 图 32 图 33 图 34 按“F7”进行仿真 在新出现的“DataDisplay”窗口中，选择 ，双击，在“advance”里面加入“dBm(Vif)”，并修改坐标 最后的仿真结果如下图所示 图 35 2.9 功率三阶交调系数 在上面的基础上，修改下面的参数 变量 把仿真器中的一项改掉，其他不变，就是加入了一个扫描变量 最后仿真的结果是 图 36 总结 这是一个微带平衡混频器，主要是有几部分组成：3dB 定向耦合器、二极管的输入、输出阻抗匹配电路、两个二极管、
11、输出低通滤波器。在这篇文章中，我们先介绍了 3dB 定向耦合器的仿真，其中原理部分可以参考其他资料，在知道了原理后，可以利用一些小软件计算线宽，该软件陈抗生老师哪里有的。后面是介绍一个低通滤波器的设计和仿真，这是比较简单的，用于输出中频滤波。后面是分别设计和仿真了这个Mixer 的频谱、噪音、增益-本振功率曲线、射频频率-噪音系数曲线等等。整个过程中，电路的原理图都是不变的，改变的只是端口的配置、仿真器的配置还有变量的配置。其中有几个规律。对于用来仿真Mixer 的 HB Simulation要求 1 端口是射频输入端口、2 端口是中频输入端口、3 端口是本振输入端口。输入部分一般使用功率源，
12、输出负载是使用“Term”。仿真器的配置中，一般Freq1是本振频率，Freq2是射频频率，Order 一般是要大于 1 的或者就是变成线性电路仿真了，Sweep 是加入扫描变量的选项，只能扫描直接变量，表达式不能扫描，另外计算噪音的时候要选上“Nolinear”，Noise1噪音输入频率是射频，分析的频率是中频。Noise2选择输出节点是“Vif”。这是一般的配置情况，具体的可以参考上面的章节。教训：因为这个过程中电路原理图要反复用到，也许有同学会选择直接从电路原理图中 Copy(Ctrl+a；Ctrl+c；Ctrl+v)过去，事实证明，ADS 的这个功能有点缺陷，可能会造成器件之间的连线出问题，建议不要这样处理，可以把文件先做一个备份，然后把备份的名字改掉，这样方面，而且可靠。