镜频抑制混频器设计——参考

◇ 在类“Lumped-Components”里面选择电容 设计电路。
，和电感
，按照下图
图 9 低通滤波器电路图
◇ 加上仿真器
，设计为
，表示从 0.01GHz，扫描到 4GHz。 ◇ 按“F7”仿真。 ◇ 在出现的“DataDisplay”窗口中，按 所示。 ，选择加入 S21，仿真结果如下图
图 10 低通滤波器仿真结果
◇ 在上面的基础上，修改下面的参数 ◇ 变量
◇ 把仿真器中的一项改掉，其他不变，就是加入了一个扫描变量
◇ 最后仿真的结果是
图 36
总结
这是一个微带平衡混频器，主要是有几部分组成：3dB 定向耦合器、二极管的输 入、输出阻抗匹配电路、两个二极管、输出低通滤波器。在这篇文章中，我们先 介绍了 3dB 定向耦合器的仿真，其中原理部分可以参考其他资料，在知道了原 理后，可以利用一些小软件计算线宽，该软件陈抗生老师哪里有的。后面是介绍 一个低通滤波器的设计和仿真，这是比较简单的，用于输出中频滤波。后面是分 别设计和仿真了这个 Mixer 的频谱、噪音、增益-本振功率曲线、射频频率-噪音 系数曲线等等。 整个过程中， 电路的原理图都是不变的， 改变的只是端口的配置、 仿真器的配置还有变量的配置。其中有几个规律。对于用来仿真 Mixer 的 HB Simulation 要求 1 端口是射频输入端口、2 端口是中频输入端口、3 端口是本振 输入端口。输入部分一般使用功率源，输出负载是使用“Term” 。仿真器的配置 中，一般 Freq[1]是本振频率，Freq[2]是射频频率，Order 一般是要大于 1 的或者 就是变成线性电路仿真了，Sweep 是加入扫描变量的选项，只能扫描直接变量， 表达式不能扫描，另外计算噪音的时候要选上“Nolinear” ，Noise[1]噪音输入频 率是射频，分析的频率是中频。Noise[2]选择输出节点是“Vif” 。这是一般的配 置情况，具体的可以参考上面的章节。 教训： 因为这个过程中电路原理图要反复用到，也许有同学会选择直接从电路原 理图中 Copy(Ctrl+a； Ctrl+c； Ctrl+v)过去， 事实证明， ADS 的这个功能有点缺陷， 可能会造成器件之间的连线出问题，建议不要这样处理，可以把文件先做一个备 份，然后把备份的名字改掉，这样方面，而且可靠。
图3
◇ 双击
，修改里面的属性，要求从 3GHz 到
5GHz 扫描。 ◇ 保存文档。 ◇ 按“F7”仿真。 ◇ 在“DataDisplay”窗口中，按 ◇
。
，如下图所示，看端口的耦合度。
图4 结果如下图所示
-2
-3
dB(S(3,2)) dB(S(4,2)) dB(S(4,1)) dB(S(3,1))
型平衡混频器。 由一般混频电流的计算公式，并考虑到射频电压和本振电压的相 位差，可以得到 D1 中混频电流为：
i1 (t )
n , m
I I



n,m
exp[ jm( s t

2
) jn( L t )]
同样，D2 式中的混频器的电流为：
i 2 (t )
，并双击修改其属性为
2.43 配置仿真器
◇ 在类“Simulation-HB”里面选择
和
，先双击
修改其属性，主
要是把温度改为符合 IEEE 标准的 16.85 度。 ◇ 双击 ，配置谐波平衡仿真器，具体参见下图
图 14
图 15
图 16
图 17
图 19 选择 krylov 来做噪音仿真 ◇ 按“F7”进行仿真。 ◇ 在出现的“DataDisplay”窗口中，选择 ，并点击“advance”项目，在
2.具体设计过程
2.1 创建一个新项目
◇ ◇ ◇ ◇ 启动 ADS 选择 Main windows 菜单－File－New Project，然后按照提示选择项目保存的路径和输入文件名 点击“ok”这样就创建了一个新项目。 ，新建一个电路原理图窗口，开始设计混频器。
◇ 点击
2.2 3dB 定向耦合器设计
0
-100
-200 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0
freq, GHz
图 6 输出端口的相位差
0
-10
dB(S(4,4)) dB(S(3,3)) dB(S(2,2)) dB(S(1,1))
-20
-30
-40
-50 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0
对话框里面输入“dBm(Vif)”点击“Ok”就可以显示中频输出的频谱分量。
图 20 仿真结果如下图所示：
◇ 选择
，选择显示“ConvGain”结果如下图所示
图 21
图 22
2.5 噪音系数仿真
在上面仿真的基础上，稍微把仿真器修改一下就可以得到噪音系数的仿真结果，
双击
，修改第二项“Sweep”
图 23 表示不在对本振功率“PLO”进行扫描，其他项目不需要做任何改动。 ◇ 按“F7”进行仿真。 ◇ 在新出现的“DataDisplay”窗口中，选择 ，并把 nf(2)添加进去。
noisefreq 200.0MHz
nf(2) 14.035
2.7 噪声系数随 RF 频率的变化
在上面噪音仿真的基础上，做如下改动： ◇ 修改变量如下图所示：
v s1 Vs cos( s t

2
)
1-1 1-2
v L1 V L cos( L t )
Fra Baidu bibliotekD2 上电压
vs 2 Vs cos( s t )
v L 2 V L cos( L t
1-3

2
)
1-4
可见， 信号和本振都分别以
相位差分配到两只二极管上， 故这类混频器称为 2 2
freq, GHz
图 7 输入端口的回波损耗
0
-10
dB(S(2,4)) dB(S(3,4)) dB(S(4,1)) dB(S(3,2))
-20
-30
-40
-50 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0
freq, GHz
图 8 输入、输出端口的隔离度
2.3 低通滤波器
n,m
n , m
exp[ jm( s t ) jn( L t

2
)]
当 m 1, n 1时，利用 I 1, 1 I 1, 1 的关系，可以求出中频电流为：
i IF 4 I 1, 1 cos[( s L )t

2
]
主要的技术指标有： 1、噪音系数和等效相位噪音(单边带噪音系数、双边带噪音系数)； 2、变频增益，中频输出和射频输入的比较； 3、动态范围，这是指混频器正常工作时的微波输入功率范围； 4、双频三阶交调与线性度； 5、工作频率； 6、隔离度； 7、本振功率与工作点。 设计目标：射频：3.6 GHz，本振：3.8 GHz，噪音：<15。
◇ 把射频输入端的功率源换成一个“Term” ◇ 在类“Simulation-HB”选择一个 ，双击修改其属性为：
。
图 24 表示从 1。0GHz 扫描到 6.0GHz，步长是 0.1GHz。 ◇ 配置仿真器，如下图所示。
图 25
图 27
图 28
图 29 ◇ 按“F7”进行仿真。 ◇ 在新出现的“DataDisplay”窗口中，点击 输入“plot_vs(nf(2),HB_NOISE.RFfreq) ，并在“advance”对话框中
，并把该器件放在 1 端口，就
◇ 仿真器配置
图 31
图 32
图 33
图 34 ◇ 按“F7”进行仿真 ◇ 在新出现的“DataDisplay”窗口中，选择 ，双击，在“advance”里面
加入 “dBm(Vif)” ， ， 并修改坐标 后的仿真结果如下图所示
最
图 35
2.9 功率－三阶交调系数
-4
-5
-6
-7 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0
freq, GHz
图 5 输出端口间的相位差 同样的办法可以看到输出端口的相位差、输入端口的隔离度、输入端口的回波损 耗等。
200
100
phase(S(3,1)) phase(S(4,1)) phase(S(3,2)) phase(S(4,2))
◇
里面选择类“Tlines-Microstrip”
◇ 选择
，并双击编辑其中的属性，
，这是微
带线基板的参数设置，其中的各项的物理含义，可以参考 ADS 的帮助文档。 ◇ 选择 ，这是一个微带传输线，选择 ，这是一个三叉口。
◇ 按照下图设计好电路图
图 2 3dB 耦合器 其中 50 ohm 传输线的线宽 w＝0.98mm，四分之一波长长度为 10.46mm，35ohm 传输线的线宽为 w＝1.67mm，四分之一波长长度为 10.2mm。MTEE 是三端口器 件，有三个参数 W1，W2，W3 具体是有定义的，可以此参考 ADS 帮助文档。 ◇ 选择类“Simulation－S_Param”并把仿真器和“Term”拉出来放好。
2.4 混频器频谱分析
2.41 设计完整的电路图
图 11 完整的电路图 把混频器的电路图分解为如下图所示的 8 个部分， 下面分别说明一下这 8 个部分 具体的情况。
图 12
第一部分 第二部分 第三部分就是上面设计出来的 3dB 定向耦合器，具体请参考 3dB 耦合器一章。
第 4 部分 匹配电路 第 5 部分是晶体管，其中晶体管是使用了模型，具体操作是这样的，先在类 “Devices-Diodes”里面，选择 具体的参数设计参考下图 13。 ，并双击修改里面的属性，建立二极管模型，
应用 ADS 设计混频器
1． 概述
图 1 为一微带平衡混频器，其功率混合电路采用 3dB 分支线定向耦合器，在各 端口匹配的条件下，1、2 为隔离臂，1 到 3、4 端口以及从 2 到 3、4 端口都是功 率平分而相位差 90°。
图1 设射频信号和本振分别从隔离臂 1、2 端口加入时，初相位都是 0°，考虑到传 输相同的路径不影响相对相位关系。通过定向耦合器，加到 D1，D2 上的信号和 本振电压分别为： D1 上电压
图 13 选择 ，并在相应的位置把器件放好，
其中 DIODE1， 和 DIODE2 都是 引用了刚才设计的二极管模板“DIODEM1” 。 第 6 部分是输出阻抗匹配电路，使用传输线做阻抗匹配，
第 6 部分 第 7 部分是低通滤波器，具体电路参考低通滤波器设计电路。 第 8 部分是一个 “Term” ， 用来做输出负载的。 “Term” 是在 “Simulation S-Param” 中获得的。
最后的仿真结果如下图所示。
图 30
2.8 三阶交调系数
电路原理图不变，然后做下面的修改 ◇ 设置变量如下图所示：
◇ 设计输出变量，在类“Optim/Stat/Yield/DOE”里面点击 属
，然后双击编辑 性
◇ 在类“Sources-Freq Domain”里面，选择 是射频输入端口，双击修改其属性。
。 第 8 部分 注意：第 1 部分是射频输入端口，端口号就是(Num)要设计为“1” ；第 2 部分是 本振输入端口，端口号要设计为“3” 。这是一般用 HB Simulation 仿真的规范要 求。
2.42 设置变量
◇ 在电路原理图窗口上，选择 ，双击，修改其属性，如下图所示。
◇ 在类“Optim/Stat/Yield/DOE”里面，选择