【文章內(nèi)容簡介】 ication System Simulation）和數(shù)字信號處理仿真設計（ DSP）等，并可對設計結(jié)果進行成品率分析與優(yōu)化，大大提高了復雜電路的設計效率，是非常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號鏈路的設計工具。 此外， Agilent 公司還和多家半導體廠商合作建立了 ADS Design Kit 及 Model File，以供設計人員使用。使用者 可以利用 Design Kit 及軟件仿真功能進行通信系統(tǒng)的設計、規(guī)劃與評估及 MMIC/RFIC、模擬與數(shù)字電路設計。除上述仿真設計功能外， ADS 軟件也提供了輔助設計功能，如 Design Guide 以范例及指令方式示范電路或系統(tǒng)的設計流程，而 Simulation Wizard 以步驟式界面進行電路設計與分析。 ADS 還能與其他 EDA 軟件，如 SPICE、 Mentor Graphics 的 ModelSim、 Cadence 的 NCVerilog、 Mathworks 的 Matlab 等進行協(xié)同仿真（ CoSimulation），再加上豐富的元件應用模型庫及測量 /驗證儀器間的連接功能，大大增加了電路與系統(tǒng)設計的方便性、快速性與精確性。 [9] ADS 的仿真設計方法 ADS 軟件可以幫助電路設計者進行模擬、射頻與微波等電路和通信系統(tǒng)設計，其提供的仿真分析方法大致可以分為：時域仿真、頻域仿真、系統(tǒng)仿真和電磁仿真。 1．高頻 SPICE 分析 高頻 SPICE 分析方法提供如 SPICE 仿真器相同的瞬態(tài)分析，用它可分析線性與非線性電路的瞬態(tài)效應。但是與 SPICE 仿真相比，它又有很多優(yōu)點，例如，在 SPICE 仿真器中無法 直接使用的頻域分析模型，如微帶線、帶狀線等，可以在 ADS 的 SPICE 高頻仿真器中直接使用。這是因為 ADS 在仿真時可以將頻域分析模型進行拉氏變換后再進行瞬態(tài)分析，而不需要使用者將該模型轉(zhuǎn)化為等效的 RLC 電路。因此 SPICE 高頻仿真器除了可以做低頻電路的瞬態(tài)分析，也可以分析高頻電路的瞬態(tài)響應。此外 SPICE 高頻仿真基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 8 器還提供了瞬態(tài)噪聲分析的功能，可以用來仿真電路的瞬態(tài)噪聲。 2．線性分析 線性分析為頻域的電路仿真分析方法，可以對線性或非線性的射頻與微波電路進行線性分析。當進行線性分析時，軟件首先會先 針對電路中每個元件計算所需的線性參數(shù)，如 S、 Z、 Y和 H參數(shù)、電路阻抗、噪聲、反射系數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)、增益或損耗等，然后再進行整個電路的分析和仿真。 3．諧波平衡分析 諧波平衡分析提供頻域、穩(wěn)態(tài)、大信號的電路分析仿真和方法，它可以用來分析具有多頻輸入信號的非線性電路，得到非線性的電路響應，如噪聲、功率壓縮點和諧波失真等。與時域的 SPICE 仿真分析相比較，諧波平衡可以給非線性的電路提供一個比較快速有效的分析方法。諧波平衡分析方法的出現(xiàn)填補了 SPICE 的瞬態(tài)響應分析與線性 S 參數(shù)分析對具有多頻輸入信號的非線性電路 仿真的不足。尤其在現(xiàn)今的高頻通信系統(tǒng)中，大多包含了混頻電路結(jié)構(gòu)，這更使得諧波平衡分析方法的使用更加頻繁，也越趨重要。 4．電路包絡分析 電路包絡分析包含了時域與頻域的分析方法，可以使用于包含調(diào)頻信號的電路或通信系統(tǒng)中。電路包絡分析借鑒了 SPICE 與諧波平衡兩種仿真方法的優(yōu)點，將較低頻的調(diào)頻信號用時域 SPICE 仿真方法來分析，而較高頻的載波信號則以頻域的諧波平衡仿真方法進行分析。 5．射頻系統(tǒng)分析 射頻系統(tǒng)分析方法可以讓使用者模擬評估系統(tǒng)特性，其中系統(tǒng)的電路模型除可以使用行為級模型外，也可以使用元件電 路模型進行響應驗證。射頻系統(tǒng)仿真分析包含了上面介紹的線性分析、諧波平衡分析和電路包絡分析等各種分析手段，它們分別用來驗證射頻系統(tǒng)的無源元件與線性化系統(tǒng)模型特性、非線性系統(tǒng)模型特性和具有數(shù)字調(diào)頻信號的系統(tǒng)特性。 [10] 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 9 第 3 章 混頻器的基本理論 混頻器是一個三端口器件，通常用于將不同頻率的信號相乘，以達到頻率變換的目的。一個理想的混頻器的輸出由兩個輸入信號的和頻與差頻組成，通常情況下是以二極管或晶體管提供的非線性為基礎。正如我們所了解的那樣，通過非線性器件可以產(chǎn)生多次諧波以及輸入頻率的其他產(chǎn)物，最后經(jīng) 過濾波選取想要的頻率分量。近代通信系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)基帶信號和射頻信號之間的變化，通常采用幾個混頻器和濾波器。在本節(jié)中，我們將著重討論混頻器的一些重要指標，混頻的各種結(jié)構(gòu)形式，以及使用大小信號分析法分析混頻電路。 [11] 混頻器的技術指標 變頻損耗 混頻器的一個重要品質(zhì)因數(shù)是變頻損耗，它的定義是可用射頻信號輸入功率與中頻 信號輸出功率之比，用 dB表示： dB0IFRFlg10 ?? 輸出功率可用 輸入功率可用cL （ 31） 一般 混頻器的變頻損耗由三部分組成 :非線性電導凈變頻損耗 gL ，混頻二極管管芯結(jié)損耗 rL 。以及電路的失配損耗 mL 。 (1)非線性電導凈變頻損耗 非線性電導凈變頻損耗是由于混頻過程產(chǎn)生的組合頻率分量所引起的能量流失，是混頻器的固有損耗。非線性電導凈變頻損耗由非線性器件產(chǎn)生的各諧波能 量分配關系所決定?；祛l管非線性特性，混頻電路中各諧波端接負載匹配情況，以及本振功率大小等都會對凈變頻損耗造成影響。當混頻電路結(jié)構(gòu)和混頻管固定時，本振功率的增加會降低凈變頻損耗，但當本振功率大到一定范圍時，隨著混頻管中電流散彈噪聲的增大，會使得混頻管噪聲系數(shù)變差。 (2)混頻二極管管芯結(jié)損耗 如下圖所示，管芯的結(jié)損耗主要由串聯(lián)電阻 sR 和結(jié)電容 jC 引起產(chǎn) 生的。在混頻過基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 10 程中，參與頻率變換的只有加在非線性結(jié)電阻 jR 上的信號功率，而 sR 和 jC 對 jR 起到了分壓和旁路作用，使得加到非線性結(jié)電阻上的信號功率被消耗掉一部分，引起了結(jié)損耗。 jCsj 圖 31 混頻二極管管芯等效電路 根據(jù)以上分析以及二極管等效電路可以得出結(jié)損耗為 : jsjsr RRRdBL s2j2 RC)/1l g (10)( ???? (32) 從上公式可以看出，結(jié)損耗隨著 sR 和 jC 以及 工作頻率增加。對于混頻二極管來說，體電阻 sR 和結(jié)電容 jC 是固定的，所以要想減少二極管的管芯結(jié)損耗就需要通過選擇截止頻率足夠高的混頻管來實現(xiàn)。 (3)失配損耗 顧名思義，失配損耗由混頻器射頻輸入和中頻輸出兩個端口的匹配程度引起的。一般混頻器微波輸入端口駐波比在 2 以下，失配損耗典型值大約為 ～ 1dB。要想減小失配損耗就必需要有良好的匹配設計，這也是混 頻器設計的一個重點。 [12] 噪聲系數(shù) 在混頻器中，噪聲是由二極管或者晶體管原件以及造成電阻性損耗的熱源產(chǎn)生的。噪聲系數(shù)定義為輸入信噪比和輸出信噪比的比值，實際混頻器的噪聲范圍是 1～ 5dB，二極管混頻器通?？梢赃_到的噪聲系數(shù)比晶體管混頻器的低?；祛l器的噪聲取決于它的輸入是單邊帶還是雙邊帶信號。這是因為混頻器下變頻在兩個邊帶頻率處，但是單邊帶信號功率是雙邊帶信號的一半 . 假設雙邊帶輸入信號為 : ])c o s ()[ c o s ( ttA IFLOIFLODS B ????? ???? (33) 與本振信號混頻，通過中頻濾波器，得到中頻信號為 : 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 11 )c os ()c os (2)c os (2 tAKtAKtAK IFIFIFIF ???? ???? (34) 其中 K是計算每個邊帶變頻損耗引入的常數(shù)。由 ()式子可以計算出雙邊帶輸入信號功率為 : 222 22 AAASi ??? (35) 輸出中頻信號功率為 : 2 22KASo ? (36) 對于噪聲系數(shù)，輸入噪聲功率定義為 BkTN oi ? ，其中 oT 為 290K， B 是中頻信號帶寬。輸出噪聲功率等于輸入噪聲加上由混頻其附加的噪聲 addN 再除以變頻損耗 (假設以混頻器的輸入作 為參考 ): caddoo L NBKTN ?? (37) 根據(jù)噪聲系數(shù)定義，可以得出雙邊帶信號的噪聲系數(shù)為 : )1(22 BKTNLKNS NSF oaddcio oiD S B ??? (38) 按照同樣的計算方法分析，假設單邊帶輸入信號為 : tAt IFLOSSB )c o s ()( ??? ?? (39) 得到單邊帶輸入信號的噪聲系數(shù)為 : )1(42 BKTNLKNS NSF oaddcio oiSSB ??? (310) 通過上式比較，可以看出單邊帶輸入信號的噪聲系數(shù)是雙邊帶的兩倍，也就是高3dB。 [13] 隔離度 隔離度的定義是一個信號端口泄漏到其它端口的功率與原來功率之比?；祛l器的隔離度是指各個頻率輸入輸出端口的隔離度，包括本振信號與射頻信號的隔離度 ，本振信基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 12 號與中頻信號的隔離度以及射頻信號與中頻信號的隔離度。其中本振信號與射頻信號的隔離度是比較重要的指標。尤其是在多通道接收機系統(tǒng)中，在本振與信號隔離度較差的情況下，容易出現(xiàn)交叉干擾 。 [14] 動態(tài)范圍 動態(tài)范圍是指混頻器能夠正常工作時的輸入信號功率范圍?；祛l器動態(tài)范圍的下限通常按下式計算： ififco fFLM kTP ?? )(m in （ 311） 其中為 cL 混頻器變頻損耗， ifF 為中頻放大器噪聲系數(shù)， iff? 為中頻寬帶， M 為信號識別系數(shù)。 動態(tài)范圍上限取決于混頻器的飽和狀態(tài)對應得輸入功率。當輸入信號超過飽和輸入功率后，輸出信號幅度不再增加，交調(diào)分量電平迅速上升?；祛l器的飽和輸入功率通常指輸出 1dB 壓縮點功率。當輸入信號功率過大時，將容易導致混頻器燒壞，在實際應用中應當要嚴格設定輸入功率的范圍。 [15] 本振功率與工作點 本振功率是指混頻器工作在最佳工作狀態(tài)下所需的本振功率。本振功率變化會影響到混頻二極管工作電流，阻抗等許多技術指標的變化。一般情況下，隨著本振功率的增大，混頻器的動態(tài)范圍也隨之變大，線性度等性能得到改善 。但本振功率過大會使得混頻管電流加大，噪聲系數(shù)會變差。毫米波本振功率的典型值一般約為 10～ 20dBm。 工作帶寬 沒有哪種微波混頻器可以工作在整個微波波段 ，也就是說當微波混頻器在某一微波波段有較穩(wěn)定的混頻器損耗時，這個微波波段可以定性地認為是它的工作帶寬。這個帶寬不可太小。嚴格地說，頻帶寬度是指滿足各項指標的頻率范圍?；祛l器的頻帶寬度決定于二極管的寄生參量以及組成電路的各元件的頻帶寬度。除了上述各項指標外，在各種不同的應用場合，往往還對混頻器提出某些特殊的指標要求。例如，微波通信的接收混頻器應在頻帶內(nèi)具有一定的振幅頻率特性，雷達接收機的混頻器應具有一定的抗燒毀能力，其他如體積、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等也必須加以考慮 。 [16] 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 13 混頻器的電路形式 混頻器經(jīng)過 多年的研究和發(fā)展，其原理以及應用方面也越來越成熟，其電路形式也是千變?nèi)f化，使用的傳輸線例如波導、鰭線、微帶、懸置帶線等多種形式?；祛l器的結(jié)構(gòu)按電路形式分為以下三類 :單端混頻器，單平衡混頻器，雙平衡混頻器。 單端混頻器 單端混頻器的結(jié)構(gòu)如下圖所示，它由耦合器、匹配電路、二極管、中頻接地回路、高頻短路塊以及低通濾波器等組成。本振信號和射頻信號從藕合器輸入，耦合器保證了本振口和信號口有一定的隔離度。藕合器到二極管之間有一段阻抗匹配線，保證了本振和信號功率有效的加到二極管上?；祛l二極管雖然主要呈現(xiàn)非 線性結(jié)電阻，但實際上是一個復阻抗，所以在匹配的過程中需要加段相移線。 單端混頻器結(jié)構(gòu)簡單，但其性能比較差，而且頻帶比較窄，噪聲系數(shù)比較大，靈敏度不高。 耦 合 器I FL OR F匹 配 網(wǎng) 絡中頻接地回路射頻接地回路低 通 濾 波 器 圖 32 單端混頻器 單平衡混頻器 單平衡混頻器電路可以按照加到兩管子上的信號和本振的相位關系，分為可二分之π和反相兩種類型，它們的混頻原理相同，但電路結(jié)構(gòu)不同，如下圖所示 : 基于 ADS 的微波混頻器的設計與仿真 14 R FR FL OL O0?0?0?0?0?90 ?90 ?????低 通 濾 波 器高 通 濾 波 器I FI F 圖 33 單平衡混頻器電路結(jié)構(gòu)圖：（ a） 180度耦合電橋；（ b） 90度耦合電橋 單平衡混頻器的輸出電流頻譜分量要比單端混頻器小很多，在強信號時，它產(chǎn)生的組合分量也較少。這種混頻器利用兩個二極管，在同樣強的輸入信號下，分到每個管子的信號功率比單管混頻少 3dB，因此它的動態(tài)范圍也大