【正文】 生產(chǎn)各種混頻器的專業(yè)工廠，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?；祛l實(shí)際上是將兩個(gè)不同的信號同時(shí)加到非線性器件進(jìn)行頻率組合，取出其差頻或和頻。由于中頻 信號比高頻信號的頻率低，有條件增加高頻放大電路的級數(shù)，使遠(yuǎn)地電臺(tái)的微弱信號也能獲得足夠的放大倍數(shù)，又不會(huì)產(chǎn)生高頻自激振蕩；又由于中頻信號的頻率不變，對不同頻率電臺(tái)的信號均能給出比較均勻的放大量，使接收靈敏度大大提高 。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頻率，也可以高于輸入 信號頻率。實(shí)際上混頻器原理是利用非 線性器件達(dá)到一個(gè)頻譜搬移的作用。所以在通信系統(tǒng)中，性能優(yōu)越的混頻器對整個(gè)系統(tǒng)起到關(guān)鍵作用，也是人們一直研究的課題。它起到一個(gè)頻率變換的作用，以便于信號的處理。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。經(jīng)過理論分析與實(shí)踐可以看出，場效應(yīng)管混頻器還有動(dòng)態(tài)范圍大、伏安特性曲線為平方律、交調(diào)干擾小、輸入阻抗高及抗鏡頻干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 (2)采用二極管作非線性器件的混頻器稱為無源器件。在微波毫米波段，肖特基勢壘二極管是最常用的。因此是目前主要的微波混頻器，但由于這種混頻器是無源器件，因此有一定的變頻損耗。 基于 ADS 的微波混頻器的設(shè)計(jì)與仿真 3 按電路結(jié)構(gòu)形式分，可將混頻器分為兩大類：一類是采用一個(gè)混頻管的，稱為單端混頻器；另一類是用兩個(gè)或四個(gè)相同特性的混頻管組成平衡或環(huán)形電路的，稱為平衡或環(huán)形混頻器。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)。 [3] 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 混頻器最早是由 Armstmg 在 1924 年研制成功。到六十年代，表面勢壘二極管和隧道二極管問世后，人們對混頻器的研究才得到了迅速的發(fā)展。由用冪級數(shù)法 貝塞爾函數(shù)法分析小信號對非線性器件的作用，發(fā)展到用開關(guān)函數(shù)法分析大信號對非線性器件的作用，使理論和實(shí)踐更加接近。從國外混頻器的發(fā)展形勢來看，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。本節(jié)將介紹近些年來混頻技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)。 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。射頻 80～ 106GHz 的 26GHz 帶寬內(nèi)變頻損耗小于 。 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。 1987 年，Steven Low 等 人研制了交叉型混頻器，本振 84GHz，射頻從 85～ 100GHz 的 15GHz 帶寬下，變頻損耗整體小于 7dB。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)中頻信號為 100MHz，變頻損耗為 5． 5dB。最優(yōu)變頻損耗為 。 2021 年， Mun． Kyo Lee 等人制作了鰭線一共面線平衡混頻器。 2021 年 BertandThomas 和 SimonRea 等人研制出 320GHz～ 340GHz的分諧波鏡像抑制混頻器，在通帶范圍內(nèi)鏡像抑制度達(dá)到 ～ 。后一種在射頻帶寬 8GHz 范圍內(nèi)，變頻損耗為 9～ 12dB。 2021年，電子科大董慶來對 W 波段鰭線共面線平衡混頻器進(jìn)行研制，射頻 92～ 96GHz，本振90GHz 下，變頻損耗小于 15dB，端口隔離 度大于 20dB。 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為 時(shí)的變頻損耗小于 。近幾年來國外已經(jīng)開始涉足到亞毫米波段。 混 頻器的基本功能是作頻率變換（又稱變量技術(shù)）。雙平衡混頻器在鎖相技術(shù)中還可作鑒相器使用。國外已有專門生產(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。它最基 本的兩個(gè)作用：上變頻和下變頻。本設(shè)計(jì)通過 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)試過程， 建立、設(shè)計(jì)、開發(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。 混頻器是一個(gè)三端口器件，通常用于將不同頻率的信號相乘，以達(dá)到頻率變換的目的。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。 基于 ADS 的微波混頻器的設(shè)計(jì)與仿真 6 使用 ADS軟件進(jìn)行輔助分析設(shè)計(jì)，通過對軟件功能的充分應(yīng)用，替代了 微波混頻器設(shè)計(jì)中許多原來需要人工進(jìn)行的運(yùn)算工作，提高了工作效率；而且 ADS 自帶特定的電路模板，不需要人工繪制，可以直接調(diào)用，大大節(jié)省了繪圖時(shí)間，也減小了一部分因電路圖的差錯(cuò)帶來的仿真問題，提高了仿真的可行性。另外，目前國內(nèi)外關(guān)于使用 microwave 軟件對微波混頻器電路設(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。在研究中，還發(fā)現(xiàn) microwave 軟件缺乏處理大量計(jì)算的能力，因此，引入了 mathcad 軟件加強(qiáng)這方面的能力，從而在兩種軟件的不斷的融合中，逐漸形成了一種新的微波混頻器電路的設(shè)計(jì)方法。受到這種設(shè)計(jì)的啟發(fā)，國內(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。文獻(xiàn) 中將微波 信號在 34～ 36GHz 變 化， 中頻輸出 100MHz，變頻損耗小于IOdB，最小變頻損耗為 。 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，是美國安捷倫（ Agilent）公司所開發(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)字信號處理仿真設(shè)計(jì)（ DSP）等，并可對設(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)信號鏈路的設(shè)計(jì)工具。使用者 可以利用 Design Kit 及軟件仿真功能進(jìn)行通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃與評估及 MMIC/RFIC、模擬與數(shù)字電路設(shè)計(jì)。 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)用模型庫及測量 /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。 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(yīng)。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。此外 SPICE 高頻仿真基于 ADS 的微波混頻器的設(shè)計(jì)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。當(dāng)進(jìn)行線性分析時(shí)，軟件首先會(huì)先 針對電路中每個(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。與時(shí)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(gè)比較快速有效的分析方法。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。電路包絡(luò)分析借鑒了 SPICE 與諧波平衡兩種仿真方法的優(yōu)點(diǎn)，將較低頻的調(diào)頻信號用時(shí)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(jìn)行分析。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，它們分別用來驗(yàn)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。一個(gè)理想的混頻器的輸出由兩個(gè)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(chǔ)。近代通信系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)基帶信號和射頻信號之間的變化，通常采用幾個(gè)混頻器和濾波器。 [11] 混頻器的技術(shù)指標(biāo) 變頻損耗 混頻器的一個(gè)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(dǎo)凈變頻損耗 gL ，混頻二極管管芯結(jié)損耗 rL 。 (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?；祛l管非線性特性，混頻電路中各諧波端接負(fù)載匹配情況，以及本振功率大小等都會(huì)對凈變頻損耗造成影響。 (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。 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。 (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。要想減小失配損耗就必需要有良好的匹配設(shè)計(jì)，這也是混 頻器設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。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。這是因?yàn)榛祛l器下變頻在兩個(gè)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(shè)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(shè)計(jì)與仿真 11 )c os ()c os (2)c os (2 tAKtAKtAK IFIFIFIF ???? ???? (34) 其中 K是計(jì)算每個(gè)邊帶變頻損耗引入的常數(shù)。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?；祛l器的隔離度是指各個(gè)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(shè)計(jì)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。尤其是在多通道接收機(jī)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 。混頻器動(dòng)態(tài)范圍的下限通常按下式計(jì)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(shí)別系數(shù)。當(dāng)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。當(dāng)輸入信號功率過大時(shí)，將容易導(dǎo)致混頻器燒壞，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)要嚴(yán)格設(shè)定輸入功率的范圍。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。但本振功率過大會(huì)使得混頻管電流加大，噪聲系數(shù)會(huì)變差。 工作帶寬 沒有哪種微波混頻器可以工作在整個(gè)微波波段 ，也就是說當(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。嚴(yán)格地說，頻帶寬度是指滿足各項(xiàng)指標(biāo)的頻率范圍。除了上述各項(xiàng)指標(biāo)外，在各種不同的應(yīng)用場合，往往還對混頻器提出某些特殊的指標(biāo)要求。 [16] 基于 ADS 的微波混頻器的設(shè)計(jì)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(yīng)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(dǎo)、鰭線、微帶、懸置帶線等多種形式。 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。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。 單端混頻器結(jié)構(gòu)簡單，但