反向天线阵列相位共轭混频器设计
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单位代码： 10293
密
级：
公开
专 业 学 位 硕 士 论 文
论文题目：
Hale Waihona Puke Baidu
反向天线阵列相位共轭混频器设计
学 姓 导
号 名 师
1210022511 梁 启 迪 秦 卫 平 工 程 硕 士 全 日 制
专业学位类别 类申请 型
专业（领域） 申请 论文提交日期
电子与通信工程 二零一三年二月
Design of phase conjugation reverse antenna array
研究生签名：____________ 导师签名：____________ 日期：_____________
摘要
本文主要结合了镜像抑制混频器的原理设计了相位共轭混频器，根据参数要求设计了一 个射频接收前端。 首先对混频器的工作原理和影响混频器的性能参数进行了研究，对单平衡混频器和双平 衡镜像抑制混频器进行了简要分析。 其次对相位共轭混频器的各个模块进行分析并计算出了微带线的尺寸，通过电路仿真软 件 ADS 对各个模块进行电路仿真，根据所需要的指标优化微带线参数，生成版图后对版图进 行仿真，版图仿真后参数达到以下要求： 2.4GHz 微带带通滤波器， 中心频点的插入损耗为-0.846dB， 端口 1 的反射系数为-15.96dB。 4.8GHz 的微带带通滤波器，中心频点的插入损耗为-2.284dB，端口 1 的反射系数为-18.5dB。 4.8GHz 的 Wilkinson 功率分配器，端口 1 的反射系数为-32.586dB，端口 2 和端口 3 的隔 离度为-36.025dB。 180° 混合环端口 1 的反射系数为-48.361dB，端口 2，4 和端口 1,3 的隔离度均小于-30dB。 混频器的混频增益为 15dBm。 再次对整个相位共轭系统进行理论分析，把各个模块组合起来后对镜像抑制相位共轭混 频器进行仿真。输入和输出信号的相位基本达到了共轭，相位之差为 0.6° 。 最后，根据给定指标设计了一个射频接收前端，把低噪声放大器，滤波器，混频器和功 率放大器级联后，整个射频接收前端达到给定指标。
研究生签名：_____________ 日期：____________
南京邮电大学学位论文使用授权声明
本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索； 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院办理。 涉密学位论文在解密后适用本授权书。
II
目录
专用术语注释表 ........................................................................................................................................................1 第一章 绪论 ..............................................................................................................................................................2 1.1 研究工作的意义[2] ......................................................................................................................................2 1.2 本文完成的研究工作 .................................................................................................................................3 1.3 论文结构 .....................................................................................................................................................3 第二章 混频器 ..........................................................................................................................................................4 2.1 混频器的基本工作原理[10] .........................................................................................................................4 2.2 混频器的主要性能参数[9] ..........................................................................................................................5 2.3 混频器的对比和分析 .................................................................................................................................6 2.3.1 有源混频器和无源混频器 ..............................................................................................................6 2.3.2 单平衡混频器[9] ...............................................................................................................................6 2.3.3 双平衡镜像抑制混频器[10] ..............................................................................................................8 2.4 小结 .............................................................................................................................................................9 第三章 相位共轭混频器组件的理论和设计 ........................................................................................................10 3.1 微带带通滤波器的电路设计和方法[8] ....................................................................................................10 3.1.1 带通滤波器的基本介绍 ................................................................................................................10 3.1.2 最大平坦度微带带通滤波器 ........................................................................................................10 3.1.3 2.4GHz 微带带通滤波器的设计 ....................................................................................................14 3.1.4 4.8GHz 微带带通滤波器的设计 ....................................................................................................15 3.2 威尔金森（Wilkinson）功率分配器设计[8] ............................................................................................15 3.3 180° 微带混合环的设计[8] ..........................................................................................................................18 3.4 混频器的设计 ...........................................................................................................................................21 3.5 本章小结 ...................................................................................................................................................22 第四章 反向天线系统各个组件的仿真及优化.....................................................................................................24 4.1 电路仿真的几种方法 ...............................................................................................................................24 4.2 微带带通滤波器的仿真 ...........................................................................................................................25 4.2.1 2.4GHz 微带带通滤波器的仿真和优化 ........................................................................................25 4.2.2 2.4GHz 微带带通滤波器的版图仿真 ............................................................................................26 4.2.3 4.8GHz 微带带通滤波器的仿真和优化 ........................................................................................27 4.2.4 4.8GHz 微带带通滤波器的版图仿真 ............................................................................................29 4.3 4.8GHzWilkinson 功分器仿真 ..................................................................................................................30 4.3.1 4.8GHzWilkinson 功分器电路仿真和优化....................................................................................30 4.3.2 4.8GHzWilkinson 功分器的版图仿真 ...........................................................................................32 4.4 180° 混合环的仿真 .....................................................................................................................................34 4.4.1 180° 混合环的电路仿真优化 ..........................................................................................................34 4.4.2 180° 混合环的版图仿真 ..................................................................................................................36 4.5 混频器的仿真优化 ...................................................................................................................................39 4.5.1 混频器的电路仿真软件 ADS 电路仿真优化...............................................................................39 4.5.2 混频器版图仿真 ............................................................................................................................41 4.6 本章小结 ...................................................................................................................................................44 第五章 反向天线系统理论和仿真设计 ................................................................................................................46 5.1 射频混频的原理[11] ...................................................................................................................................46 5.2 镜像抑制相位共轭混频器的电路分析 ...................................................................................................47 5.3 相位共轭整体电路的仿真结果 ...............................................................................................................48 5.4 本章小结 ...................................................................................................................................................51 第六章 射频接收前端的设计与仿真[28] ................................................................................................................53 6.1 设计指标 ...................................................................................................................................................53 6.2 设计方法简述 ...........................................................................................................................................53 6.3 仿真过程和结果 .......................................................................................................................................54
南京邮电大学学位论文原创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。
Thesis Submitted to Nanjing University of Posts and Telecommunications for the Degree of Master of Engineering
By Liang Qidi Supervisor: Prof. Qin Weiping February 2013
关键词：相位共轭混频器，混合环，射频接收前端，反向天线阵，镜像抑制
I
Abstract
In this paper, phase conjugation mixer is designed with the principle of a image rejection mixer, and according to the parameters required, design a RF receiver front-end. Firstly, the performance parameters and working principle of common mixer is researched, and a brief analysis of single balanced mixer and double-balanced image rejection mixer. Secondly, the size of micro-strip line and the parameters of phase conjugation mixer are calculated with the research of each module of this mixer. Simulated for each module by a circuit simulation software ADS. According to the required indicators optimized before, each data of the micro-strip line is given. Layout simulation parameters meet the following requirements: 2.4GHz band-pass filter, the insertion loss of the center frequency is -0.846dB. Reflection coefficient of port 1 is -15.96dB. 4.8GHz band-pass filter, the insertion loss of the center frequency is -2.284dB. Reflection coefficient of port 1 is -18.5dB. 4.8GHz Wilkinson power divider, the reflection coefficient of port 1 is -32.586dB, the isolation between port 2 and port 3 is -36.025dB. Hybrid ring, the port reflection coefficient is -48.361dB, the isolation between port2, 4 and port1, 3 are all lower than -30dB. The gain of the mixer is 15 dBm. Afterward, analysis the theory of the entire phase conjugation system, combining various modules of the image rejection phase conjugate mixer and simulation. Input and output signal substantially reaches the conjugate, and a phase error of 0.6 ° . Finally, based on the indicators given an RF receiver front-end, low noise amplifiers, filters, mixers and power amplifiers cascade throughout the RF receiver front-end to achieve a given indicator. Keywords: Phase conjugation mixer, Hybrid ring, RF receiver front-end, Retro-directive array, Image rejection
密
级：
公开
专 业 学 位 硕 士 论 文
论文题目：
Hale Waihona Puke Baidu
反向天线阵列相位共轭混频器设计
学 姓 导
号 名 师
1210022511 梁 启 迪 秦 卫 平 工 程 硕 士 全 日 制
专业学位类别 类申请 型
专业（领域） 申请 论文提交日期
电子与通信工程 二零一三年二月
Design of phase conjugation reverse antenna array
研究生签名：____________ 导师签名：____________ 日期：_____________
摘要
本文主要结合了镜像抑制混频器的原理设计了相位共轭混频器，根据参数要求设计了一 个射频接收前端。 首先对混频器的工作原理和影响混频器的性能参数进行了研究，对单平衡混频器和双平 衡镜像抑制混频器进行了简要分析。 其次对相位共轭混频器的各个模块进行分析并计算出了微带线的尺寸，通过电路仿真软 件 ADS 对各个模块进行电路仿真，根据所需要的指标优化微带线参数，生成版图后对版图进 行仿真，版图仿真后参数达到以下要求： 2.4GHz 微带带通滤波器， 中心频点的插入损耗为-0.846dB， 端口 1 的反射系数为-15.96dB。 4.8GHz 的微带带通滤波器，中心频点的插入损耗为-2.284dB，端口 1 的反射系数为-18.5dB。 4.8GHz 的 Wilkinson 功率分配器，端口 1 的反射系数为-32.586dB，端口 2 和端口 3 的隔 离度为-36.025dB。 180° 混合环端口 1 的反射系数为-48.361dB，端口 2，4 和端口 1,3 的隔离度均小于-30dB。 混频器的混频增益为 15dBm。 再次对整个相位共轭系统进行理论分析，把各个模块组合起来后对镜像抑制相位共轭混 频器进行仿真。输入和输出信号的相位基本达到了共轭，相位之差为 0.6° 。 最后，根据给定指标设计了一个射频接收前端，把低噪声放大器，滤波器，混频器和功 率放大器级联后，整个射频接收前端达到给定指标。
研究生签名：_____________ 日期：____________
南京邮电大学学位论文使用授权声明
本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索； 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院办理。 涉密学位论文在解密后适用本授权书。
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目录
专用术语注释表 ........................................................................................................................................................1 第一章 绪论 ..............................................................................................................................................................2 1.1 研究工作的意义[2] ......................................................................................................................................2 1.2 本文完成的研究工作 .................................................................................................................................3 1.3 论文结构 .....................................................................................................................................................3 第二章 混频器 ..........................................................................................................................................................4 2.1 混频器的基本工作原理[10] .........................................................................................................................4 2.2 混频器的主要性能参数[9] ..........................................................................................................................5 2.3 混频器的对比和分析 .................................................................................................................................6 2.3.1 有源混频器和无源混频器 ..............................................................................................................6 2.3.2 单平衡混频器[9] ...............................................................................................................................6 2.3.3 双平衡镜像抑制混频器[10] ..............................................................................................................8 2.4 小结 .............................................................................................................................................................9 第三章 相位共轭混频器组件的理论和设计 ........................................................................................................10 3.1 微带带通滤波器的电路设计和方法[8] ....................................................................................................10 3.1.1 带通滤波器的基本介绍 ................................................................................................................10 3.1.2 最大平坦度微带带通滤波器 ........................................................................................................10 3.1.3 2.4GHz 微带带通滤波器的设计 ....................................................................................................14 3.1.4 4.8GHz 微带带通滤波器的设计 ....................................................................................................15 3.2 威尔金森（Wilkinson）功率分配器设计[8] ............................................................................................15 3.3 180° 微带混合环的设计[8] ..........................................................................................................................18 3.4 混频器的设计 ...........................................................................................................................................21 3.5 本章小结 ...................................................................................................................................................22 第四章 反向天线系统各个组件的仿真及优化.....................................................................................................24 4.1 电路仿真的几种方法 ...............................................................................................................................24 4.2 微带带通滤波器的仿真 ...........................................................................................................................25 4.2.1 2.4GHz 微带带通滤波器的仿真和优化 ........................................................................................25 4.2.2 2.4GHz 微带带通滤波器的版图仿真 ............................................................................................26 4.2.3 4.8GHz 微带带通滤波器的仿真和优化 ........................................................................................27 4.2.4 4.8GHz 微带带通滤波器的版图仿真 ............................................................................................29 4.3 4.8GHzWilkinson 功分器仿真 ..................................................................................................................30 4.3.1 4.8GHzWilkinson 功分器电路仿真和优化....................................................................................30 4.3.2 4.8GHzWilkinson 功分器的版图仿真 ...........................................................................................32 4.4 180° 混合环的仿真 .....................................................................................................................................34 4.4.1 180° 混合环的电路仿真优化 ..........................................................................................................34 4.4.2 180° 混合环的版图仿真 ..................................................................................................................36 4.5 混频器的仿真优化 ...................................................................................................................................39 4.5.1 混频器的电路仿真软件 ADS 电路仿真优化...............................................................................39 4.5.2 混频器版图仿真 ............................................................................................................................41 4.6 本章小结 ...................................................................................................................................................44 第五章 反向天线系统理论和仿真设计 ................................................................................................................46 5.1 射频混频的原理[11] ...................................................................................................................................46 5.2 镜像抑制相位共轭混频器的电路分析 ...................................................................................................47 5.3 相位共轭整体电路的仿真结果 ...............................................................................................................48 5.4 本章小结 ...................................................................................................................................................51 第六章 射频接收前端的设计与仿真[28] ................................................................................................................53 6.1 设计指标 ...................................................................................................................................................53 6.2 设计方法简述 ...........................................................................................................................................53 6.3 仿真过程和结果 .......................................................................................................................................54
南京邮电大学学位论文原创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。
Thesis Submitted to Nanjing University of Posts and Telecommunications for the Degree of Master of Engineering
By Liang Qidi Supervisor: Prof. Qin Weiping February 2013
关键词：相位共轭混频器，混合环，射频接收前端，反向天线阵，镜像抑制
I
Abstract
In this paper, phase conjugation mixer is designed with the principle of a image rejection mixer, and according to the parameters required, design a RF receiver front-end. Firstly, the performance parameters and working principle of common mixer is researched, and a brief analysis of single balanced mixer and double-balanced image rejection mixer. Secondly, the size of micro-strip line and the parameters of phase conjugation mixer are calculated with the research of each module of this mixer. Simulated for each module by a circuit simulation software ADS. According to the required indicators optimized before, each data of the micro-strip line is given. Layout simulation parameters meet the following requirements: 2.4GHz band-pass filter, the insertion loss of the center frequency is -0.846dB. Reflection coefficient of port 1 is -15.96dB. 4.8GHz band-pass filter, the insertion loss of the center frequency is -2.284dB. Reflection coefficient of port 1 is -18.5dB. 4.8GHz Wilkinson power divider, the reflection coefficient of port 1 is -32.586dB, the isolation between port 2 and port 3 is -36.025dB. Hybrid ring, the port reflection coefficient is -48.361dB, the isolation between port2, 4 and port1, 3 are all lower than -30dB. The gain of the mixer is 15 dBm. Afterward, analysis the theory of the entire phase conjugation system, combining various modules of the image rejection phase conjugate mixer and simulation. Input and output signal substantially reaches the conjugate, and a phase error of 0.6 ° . Finally, based on the indicators given an RF receiver front-end, low noise amplifiers, filters, mixers and power amplifiers cascade throughout the RF receiver front-end to achieve a given indicator. Keywords: Phase conjugation mixer, Hybrid ring, RF receiver front-end, Retro-directive array, Image rejection