【正文】 [27] 圖 436 輸入三階交調(diào)點(diǎn)和輸出三階交調(diào)點(diǎn) 基于 ADS 的微波混頻器的設(shè)計(jì)與仿真 38 2．三階交調(diào)點(diǎn)與本振功率的關(guān)系 下面分析三階交調(diào)點(diǎn)與本振功率的關(guān)系，具體過(guò)程如下。 圖 433 重新設(shè)置的諧波平衡法仿真控制器 基于 ADS 的微波混頻器的設(shè)計(jì)與仿真 37 （ 8）單擊工具欄中的【 Simulate】按鈕執(zhí)行仿真，并等待仿真結(jié)束。 完成設(shè)置的 n次功率源如圖所示。 （ 6）雙擊功率源 Pn_Tone，并按下面內(nèi)容對(duì)它的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置： Freq[1] = RF_freq ? fspacing/2，表示 n 次諧波功率源的輸出頻率 [1]的頻率值為 RF_freqfspacing/2。 ConvGain = PIFToneRF_pwr，是測(cè)量混頻器轉(zhuǎn)換增益的測(cè)量方程。 完成設(shè)置的變量控件如圖所示。 圖 429 VAR1中的變量 （ 2）單擊原理圖設(shè)計(jì)窗口工具欄中的【 VAR】按鈕，在原理圖中添加一個(gè)新的變量控件，并在控件中添加如下變量： IF_freq = RF_freq ? LO_freq，表示中頻頻率為射頻頻率與本振頻率之差。從圖 427 中可以看出，當(dāng)本振功 率為 14dBm 時(shí)，輸出信號(hào)中中頻信號(hào)的功率值最大，為 ?。 Step = 1，表示本振信號(hào)功率的掃描間隔為 1。 本振功率選擇 混頻器本振功率的值對(duì)混頻器的性能有很大的影響，下面就通過(guò)仿真 分析混頻器輸入本振信號(hào)功率的最佳值。 圖 423 Vout信號(hào)的頻譜 （ 5）在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個(gè)關(guān)于索引值 Mix 的數(shù)據(jù)列表，顯示輸出信號(hào)的頻率成分以及對(duì)應(yīng)的諧波索引值，如圖所示 。 完成設(shè)置的諧波平衡法仿真控制器如圖所示。 （ 2）雙擊諧波平衡法仿真控制器，按下面內(nèi)容對(duì)它的參數(shù)進(jìn)行 設(shè)置： Freq[1] = RF_freq GHz，表示基波頻率 [1]的頻率值與射頻信號(hào)頻率相同。 （ 8）在工具欄中單擊【 Insert Wire/ Pin Lables】按鈕，在電路原理圖的輸出端插入一個(gè)節(jié)點(diǎn)名稱 Vout。 LO_freq = ，表示變量 LO_freq 的默認(rèn)值為 。 完成設(shè)置的功率源如下圖所示。 ① PORT1 的參數(shù)為： P = dbmtow(RF_pwr)，表示功率源 PORT1 的輸出信號(hào)功率為 RF_pwr dBm。 （ 1）新建一個(gè)電路原理圖，并名稱保存。 這樣低通濾波器 的設(shè)計(jì)就完成了，下面開(kāi)始對(duì)混頻器電路進(jìn)行仿真。 完成設(shè)置的 S參數(shù)仿真控制器如圖所示。這樣仿真電路就搭建完畢了，如圖所示。 L1 = 。 （ 4）按照?qǐng)D所示的方式將電容、電感和“地”連接起來(lái)。 （ 9）雙擊微帶線，設(shè)置微帶線的長(zhǎng)度和寬度分別為 W = 和 L = 。 基于 ADS 的微波混頻器的設(shè)計(jì)與仿真 24 圖 411 三極管模型參數(shù)的設(shè)置 （ 6）在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇“ DevicesDiodes”元件面板列表，并在面板中選擇兩個(gè) Diode 插入到原理圖中，將二極管按照?qǐng)D 412 所示的方式連接到電路原理圖中。 （ 2）在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇“ LumpedComponents”元件面板列表，并在元件面板中選擇兩個(gè)電感 L和兩個(gè)電容 C插入原理圖中。 在“ DataDisplay”窗口中， 在數(shù)據(jù)顯示中插入關(guān)于 S42 參數(shù)， S32 參數(shù)， S41參數(shù)， S31 參數(shù)的矩形圖， 看端口的耦合度。 Stop = 5GHz，表示頻率掃描的終止頻率為 5GHz。 （ 1） 在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇 S 參數(shù)仿真 元件面板“ SimulationS_Param”，并選擇終端負(fù)載 Term 放置在耦合器的 4 個(gè)端口上，分別用來(lái)定義 4 個(gè)端口。 TanD = ，表示微帶線的損耗角正切為 。 Mur = 1，表示微帶線的相對(duì)磁導(dǎo)率為 1。 按照下圖設(shè)計(jì)好電路圖。 W3 = ，表示 T 型微帶線接口 3 的線寬為 。 ③ TL TL8 的尺寸參數(shù)為： W = ，表示微帶線寬度為 。 ① TL TL TL TL6 的尺寸參數(shù)為： W = ，表示微帶線寬度為 。 在主菜單 里面選擇類“ TlinesMicrostrip” 。 隔離度：隔離度一般是指混頻器射頻信號(hào)輸入端口與本振信號(hào)輸入端口之間的隔離特性。 變頻增益：雖然混頻器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率不同，但仍 然可以利用輸基于 ADS 的微波混頻器的設(shè)計(jì)與仿真 18 出信號(hào)功率與輸入信號(hào)功率之比來(lái)表示混頻器的增益?？紤]到傳輸相同的路徑不影響相對(duì)相位關(guān)系。它最基本的作用有兩個(gè)：上變頻和下變頻。 [18] 基于 ADS 的微波混頻器的設(shè)計(jì)與仿真 16 第 4 章 混頻器的設(shè)計(jì)與仿真 在通信系統(tǒng)中，混頻器也是一種常見(jiàn)的射頻電路組件，它主要用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率變換。 (4)在理想匹配條件下，平衡混頻器將信號(hào)與本振功率全部分配在管子上，因此，混頻器的抗毀能力和動(dòng)態(tài)范圍均增加一倍。任何一個(gè)振蕩器，除了 產(chǎn)生需要的頻率分量外，也會(huì)產(chǎn)生一系列不需要的頻率，其中和本振頻率之差等于中頻的這些頻率分量經(jīng)過(guò)混頻后就成為中頻噪聲。這就意味著變頻損耗要小得多。 [17] 雙平衡混頻器 為了進(jìn)一步改善混頻器的性能，又出現(xiàn)了雙平衡混頻器，結(jié)構(gòu)如下圖所示。平衡混頻器除了能抑制本振噪聲外，還具有以下特點(diǎn)：在理想匹配情況下，全部信號(hào)功率和全部本振功率都加在這兩個(gè)二極管上，因而消除了單端混頻器中的耦合損耗。 單端混頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。 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。除了上述各項(xiàng)指標(biāo)外，在各種不同的應(yīng)用場(chǎng)合，往往還對(duì)混頻器提出某些特殊的指標(biāo)要求。 工作帶寬 沒(méi)有哪種微波混頻器可以工作在整個(gè)微波波段 ，也就是說(shuō)當(dāng)微波混頻器在某一微波波段有較穩(wěn)定的混頻器損耗時(shí)，這個(gè)微波波段可以定性地認(rèn)為是它的工作帶寬。本振功率變化會(huì)影響到混頻二極管工作電流，阻抗等許多技術(shù)指標(biāo)的變化。當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)飽和輸入功率后，輸出信號(hào)幅度不再增加，交調(diào)分量電平迅速上升。尤其是在多通道接收機(jī)系統(tǒng)中，在本振與信號(hào)隔離度較差的情況下，容易出現(xiàn)交叉干擾 。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(shè)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(hào)的噪聲系數(shù)為 : )1(22 BKTNLKNS NSF oaddcio oiD S B ??? (38) 按照同樣的計(jì)算方法分析，假設(shè)單邊帶輸入信號(hào)為 : tAt IFLOSSB )c o s ()( ??? ?? (39) 得到單邊帶輸入信號(hào)的噪聲系數(shù)為 : )1(42 BKTNLKNS NSF oaddcio oiSSB ??? (310) 通過(guò)上式比較，可以看出單邊帶輸入信號(hào)的噪聲系數(shù)是雙邊帶的兩倍，也就是高3dB。噪聲系數(shù)定義為輸入信噪比和輸出信噪比的比值，實(shí)際混頻器的噪聲范圍是 1～ 5dB，二極管混頻器通?？梢赃_(dá)到的噪聲系數(shù)比晶體管混頻器的低。 (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(gè)端口的匹配程度引起的。 (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。 (1)非線性電導(dǎo)凈變頻損耗 非線性電導(dǎo)凈變頻損耗是由于混頻過(guò)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。近代通信系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)和射頻信號(hào)之間的變化，通常采用幾個(gè)混頻器和濾波器。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(luò)分析等各種分析手段，它們分別用來(lái)驗(yàn)證射頻系統(tǒng)的無(wú)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(hào)的系統(tǒng)特性。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。當(dāng)進(jìn)行線性分析時(shí)，軟件首先會(huì)先 針對(duì)電路中每個(gè)元件計(jì)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(jìn)行整個(gè)電路的分析和仿真。這是因?yàn)?ADS 在仿真時(shí)可以將頻域分析模型進(jìn)行拉氏變換后再進(jìn)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。 ADS 還能與其他 EDA 軟件，如 SPICE、 Mentor Graphics 的 ModelSim、 Cadence 的 NCVerilog、 Mathworks 的 Matlab 等進(jìn)行協(xié)同仿真（ CoSimulation），再加上豐富的元件應(yīng)用模型庫(kù)及測(cè)量 /驗(yàn)證儀器間的連接功能，大大增加了電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方便性、快速性與精確性。 基于 ADS 的微波混頻器的設(shè)計(jì)與仿真 7 第 2 章 設(shè)計(jì)平臺(tái)的介紹 ADS 的概述 ADS— Advanced Design System，是美國(guó)安捷倫（ Agilent）公司所開(kāi)發(fā)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，功能強(qiáng)大，仿真手段豐富多樣，包含時(shí)域電路仿真（ SPICElike Simulation）、頻域電路仿真（ Harmonic Balance、 Linear Analysis）、三維電磁仿真（ EM Simulation）、通信系統(tǒng)仿真（ Communication System Simulation）和數(shù)字信號(hào)處理仿真設(shè)計(jì)（ DSP）等，并可對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)效率，是非常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號(hào)鏈路的設(shè)計(jì)工具。受到這種設(shè)計(jì)的啟發(fā)，國(guó)內(nèi)的文獻(xiàn)中也提出了相似設(shè)計(jì)，研制的結(jié)果稍微差一些，但也己經(jīng)有了較大的提高。另外，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于使用 microwave 軟件對(duì)微波混頻器電路設(shè)計(jì)的研究還存在很大的 真空，因此極有可能性從此處著手尋找到新的設(shè)計(jì)方法。正如我們所了解的那樣，通過(guò)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(guò)濾波選取想要的頻率分量。本設(shè)計(jì)通過(guò) ADS仿真 掌握射頻電路的工程設(shè)計(jì)方法和技巧，熟悉射頻電路的調(diào)試過(guò)程， 建立、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)射頻電路和產(chǎn)品的系統(tǒng)概念，提高專業(yè)素質(zhì)和工程實(shí)踐能力。國(guó)外已有專門生產(chǎn)各種混頻器的專業(yè)工廠，如 Hittite、 Linear、MACOM 等可根據(jù)用戶提出的具體指標(biāo)，在一定時(shí)間內(nèi)提供合格的產(chǎn)品。 混 頻器的基本功能是作頻率變換（又稱變量技術(shù)）。 2021 年電子科技大學(xué)的李侃制作的 Ka 波段四次諧波混頻器在射頻信號(hào)為 時(shí)的變頻損耗小于 。后一種在射頻帶寬 8GHz 范圍內(nèi)，變頻損耗為 9～ 12dB。 2021 年， Mun． Kyo Lee 等人制作了鰭線一共面線平衡混頻器。1992 年， R． J． Lang 等人研制的環(huán)形 GaAs 二極管混頻器，射頻工作在整個(gè) Ka 波段，基于 ADS 的微波混頻器的設(shè)計(jì)與仿真 4 當(dāng)中頻信號(hào)為 100MHz，變頻損耗為 5． 5dB。 1983 年， WolfgangMenzel 和 Heinricheallse制作出用在 60GHz 和 94GHz 通訊子系統(tǒng)的鰭線混頻器。 1982 年， KenhLouie 等人采用交叉結(jié)構(gòu)實(shí) 現(xiàn) W 頻段寬帶混頻器。從國(guó)外混頻器的發(fā)展形勢(shì)來(lái)看，從上世紀(jì)八十年代起混頻器的研究熱點(diǎn)主要集中于毫米波頻段。到六十年代，表面勢(shì)壘二極管和隧道二極管問(wèn)世后，人們對(duì)混頻器的研究才得到了迅速的發(fā)展。平衡混頻器又可分為單平衡混頻器及雙平衡混頻器兩種，它們具有噪聲小、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)及頻帶寬等優(yōu) 點(diǎn)。因此是目前主要的微波混頻器，但由于這種混頻器是無(wú)源器件，因此有一定的變頻損耗。 (2)采用二極管作非線性器件的混頻器稱為無(wú)源器件。缺點(diǎn)是需要額外的直流偏置，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)方法也比較復(fù)雜。所以在通信系統(tǒng)中，性能優(yōu)越的混頻器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到關(guān)鍵作用，也是人們一直研究的課題。根據(jù)設(shè)備的 要求不同，混頻后的輸出頻率既可以低于輸入信號(hào)頻率，也可以高于輸入 信號(hào)頻率。混頻實(shí)際上是將兩個(gè)不同的信號(hào)同時(shí)加到非線性器件進(jìn)行頻率組合，取出其差頻或和頻。雙平衡混頻器在鎖相技術(shù)中還可作鑒相器使用。由用冪級(jí)數(shù)法、貝塞爾函數(shù)法分析小信號(hào)對(duì)非線性器件的作用，發(fā)展到用開(kāi)關(guān)函數(shù)法分析大信號(hào)對(duì)非線性器件的作用，使理論和實(shí)踐更加接近。但由于當(dāng)時(shí)微波半導(dǎo)體器件發(fā)展緩慢，影響了混頻器的 發(fā)展。 微波混頻器除用于接收微弱信號(hào)外，還常常用于微波測(cè)試系統(tǒng)中。Three order intermodulation 基于 ADS 的微波混頻器的設(shè)計(jì)與仿真 1 第 1 章 緒 論 課題背景及意義 微波混頻器最重要的應(yīng)用是在微波接收機(jī)中將接收的微波信 號(hào)變換為中頻，以便進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和解調(diào)。 輸入駐波比為 。這種混頻器利用兩個(gè)二極管，在同樣強(qiáng)的輸入信號(hào)下，分到每個(gè)管子的