CH7 ADS有源器件设计仿真与优化(2)

I I S YV
三、谐波平衡分析方法
3. 非线性网络
非线性电容/电阻/电导 采用傅里叶反变换 得到每个端口时域电导:
F 1 Vn vn (t )
对于非线性电容，电荷与电压时域关系：
qn (t ) fqn v1 (t ), v2 (t ),..., vN (t )
in (t ) qn (t ) / t
LPF：
vIF K cos[2 ( f RF f LO )t ] 2
2. Single-Ended Mixer
vRF VRF cos(2 f RF t ) vLO VLO cos(2 f LOt )
i(t ) I 0 Gd [vRF (t ) vLO (t )]
' Gd [vRF (t ) vLO (t )]2 ... 2
电磁工程设计与仿真
第七章 有源电路设计与仿真 （二）
国防科技大学电子科学与工程学院
柴舜连 教授
2014.04
主要内容
7.1 微波放大器设计与仿真
7.2 微波混频器设计与仿真 7.3 微波振荡器设计与仿真
（自学）
7.2 微波混频器设计与仿真 7.2.1 微波混频器简介 7.2.2 微波混频器设计基础 7.2.3 平衡混频器设计与仿真
LPF 电路
RF IF
100K 100pF
一、微波二极管建模
SMS7630-061: Surface Mount, 0201 Zero Bias Features： • Extremely low barrier height • Suitable for use above 26 GHz
• Low parasitic impedance: Cp< 0.05 pF, Ls < 0.2 nH SPICE Model Parameters:
由于反向抵消，减少了寄生频率信号； 由于反向抵消，抵消了中频输出直流成分； 由于耦合器隔离性，提高了本振与信号隔离度； 合理使用本振功率，只需较小功率能工作; 有效抑制本振调幅噪声，提高混频器的噪声系数。
4. Mixer Characteristics
a. 工作频率：RF_freq; LO_freq; IF_freq b. 本振功率：LO_pwr
7.2.1 微波混频器简介
1.微波混频器功能：变频，RF <-> IF <-> Baseband Microwave Transceiver：下变频，上变频
ADC
0°
LNA
VGA
Phase Splitter
LO
DupleC DAC 0°
PA
VGA
Phase Splitter
LO
Filtered out by IF LPF:
' ' Gd Gd iIF (t ) VRFVLO cos[2 ( f RF f LO )t ] VRFVLO cos(2 f IF t ) 2 2
3. Balanced Mixer
Two single-ended mixers combined with a hybrid junction. 90◦ hybrid:
2 2 2 2 K VRF sin (2 f RF t ) VLO sin (2 f LO t ) 2 i2 (t ) Kv2 2 2VRFVLO sin(2 f RF t )sin(2 f LO t )
高频分量抵消, 中频分量增强】
Negative sign on i2 for reversed diode polarity.
i1 (t ) i2 (t ) 2K VRFVLO sin(2 f RF t )sin(2 f LOt )
LPF:
i1 (t ) i2 (t ) KVRFVLO cos[2 ( f RF f LO )t ]
3. Balanced Mixer
Balanced Mixer Characteristics:
第n端口第k谐波电流电压1112111211121222122221221212nnnnnnnnnnnnnnnnnnyyyyyivyyyyyivvvyyyyyiv????????????????????????????????????????????????????????????????siiyv??三谐波平衡分析方法3
三、谐波平衡分析方法(Harmonic Balanced)
1. 非线性电路分析
基本思想：找一组端口电压波形(或谐波电压分量), 它应能使线性子网络和非线性子网络得到的电流相同。
三、谐波平衡分析方法
2. 线性网络
I n [ I n ,0 , I n ,1 ,..., I n , K ]T Vn [Vn ,0 , Vn ,1 ,..., Vn , K ]T
I c ,2 I c , N
T
采用傅里叶变换：Ic jQ
Ic I c ,1
Q Q1,0 ,, Q1, K , Q1,0 ,, Q1, K ,, QN , K
diag 0 p K p , , 0 p K p
c. 变频损耗（转换增益）：
IL=10lg
输入射频功率(RF_pwr) =RF_pwr(dBm)-IF_pwr(dBm) 输出中频功率(IF_pwr) 输出中频功率 输入射频功率
Con_gain=10lg
=IF_pwr(dBm)-RF_pwr(dBm)
d. 隔离度：射频与本振之间隔离度。 e. 动态范围：正常工作的射频输入信号的功率范围 超过范围，会产生增益压缩。(RF_pwr)
DC blocking, filtered out by IF LPF:
' Gd 2 i(t ) VRF cos[2 f RF t ] VLO cos[2 f LOt ] 2 ' Gd 2 2 VRF cos2 [2 f RF t ] VLO cos 2 [2 f LOt ] 2VRFVLO cos[2 f RF t ]cos[2 f LOt ] 2
T
三、谐波平衡分析方法
4. 谐波平衡方程
线性子网络电流：
I I S YV
非线性子网络电流：
Ic jQ
两电流相同： F (V ) I S YV jQ 0 谐波平衡方程 求解：迭代求解，求解复杂
7.2.3 微波平衡混频器设计与仿真
LO LPF 电路
RF 微带环 IF
二极管电路
一、微波二极管建模
1.新建工程: Mixer_wrk 2.新建原理图：Match 3.Lib:Devices-Diodes; Component: Diodes M (Model) Component: Diodes, Model=DIODEM1
The output is proportional to the product of two input signals. vRF cos(2 f RF t ) vLO cos(2 f LOt )
vIF K cos(2 f RF t ) cos(2 f LO t ) K 2 cos[2 ( f RF f LO )t ] cos[2 ( f f ) t ] RF LO
100K 100pF
设计要求： 1. RF=24.125GHz，RF_pwr=-20dBm; 2. LO=24.100GHz, LO_pwr=10dBm; 3. IF=0.025GHz 4. 仿真：混频特性、本振分析、信号1dB点分析、驻波特性
7.2.3 微波平衡混频器设计与仿真
一、微波二极管建模 LO 二、微波二极管匹配 设计与仿真 微带环 三、中频滤波电路 设计与仿真 二极管电路 四、微带混合环 设计与仿真 五、微波混频器整体仿真
90° DAC
RF
IF
BASEBAND
Digital Signal Processor (DSP)
2.微波混频器组成
分类：单端、平衡、双平衡混频器 （一个二极管） 课程仿真
（二个二极管）
组成：微波二极管、混合电路、低通滤波
7.2.2 微波混频器设计基础
一、肖特基二极管 二、微波混频器原理 三、谐波平衡分析方法
3. Balanced Mixer
K i1 (t ) Kv 2
2 1
2 2 VRF sin 2 (2 f RF t ) VLO sin 2 (2 f LOt ) 【二极管反向， 2 V V sin(2 f t ) sin(2 f t ) RF LO RF LO
一、肖特基二极管
1. Schottky barrier diode:
Semiconductor–metal junction n-type GaAs, or Si Lower junction capacitance Operation at higher frequencies Biased with small DC forward current, but can be used without bias. Three basic frequency conversion: rectification, detection, mixing
4. Small-signal approximation:
V0: DC bias voltage v : Small AC signal voltage
V V0 v
I0 i
I0
Expanded in a Taylor series:
V0 V0 v
I (V ) I s (eV 1)
I V
2 I V 2
Gd
V0
' Gd V0
Gd : dynamic conductance Gd = 1/Rj (非线性 ) Rj : junction resistance :Three-term approximation
非线性项 --》混频功能
二、微波混频器原理
1. Ideal Mixer
2. Equivalent AC Circuit Model
Rs: contact series resistor Cj: junction capacitance Rj: junction resistance
Ls: package series inductance Cp: package shunt capacitance
Parameters for Some Commercial Schottky Diodes:
3. Small-signal V–I relationship
I (V ) I s (eV 1)
q / nkT
Is: saturation current, 10−6 and 10−15 A n: ideality factor, 1.05-2.0 I-V曲线的非线性特性 --》混频功能
In,k,Vn,k: 第n端口 第k谐波电流、电压
Y1,1 Y1,2 I1 Y1, N 1 Y1, N 2 Y I Y Y Y2,2 V 2 2, N 1 2, N 2 N 1 2,1 V N 2 Y Y I N N , N 1 N , N 2 YN ,1 YN ,2 V1 V2 YN , N VN Y1, N Y2, N
180◦ hybrid:
注意: 两个二极管反向
3. Balanced Mixer
180◦ hybrid:
0 1 j 1 0 S 2 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0
vRF VRF cos(2 f RF t ) vLO VLO cos(2 f LOt ) 1 0 0 v1 (t ) V cos(2 f t 90 ) V cos(2 f t 90 ) RF RF LO LO 2 1 VRF sin(2 f RF t ) VLO sin(2 f LOt ) 2 1 0 0 v2 (t ) V cos(2 f t 90 ) V cos(2 f t 90 ) RF RF LO LO 2 1 VRF sin(2 f RF t ) VLO sin(2 f LOt ) 2