平衡混频器设计

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 )2cos(1π

ω-=t V v s s s 1-1

)cos(1πω-=t V v L L L 1-2 D2上电压

)cos(2t V v s s s ω= 1-3 )2cos(2π

ω+=t V v L L L 1-4

可见，信号和本振都分别以2π相位差分配到两只二极管上，故这类混频器称为2π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：

∑∑∞-∞=∞-+-=

m n L s m n t jn t jm I t i ,,1)]()2(exp[)(πωπω

同样，D2式中的混频器的电流为：

∑∑∞-∞=∞++=

m n L s m n t jn t jm I t i ,,2)]2()(exp[)(πωω

当1,1±=±=n m 时，利用1,11,1-++-=I I 的关系，可以求出中频电流为：

]2)cos[(41,1πωω+

-=+-t I i L s IF

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。

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。

◇点击，新建一个电路原理图窗口，开始设计混频器。

2.2 3dB定向耦合器设计

◇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。

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

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。

图6 输出端口的相位差

图7 输入端口的回波损耗

图8 输入、输出端口的隔离度

2.3低通滤波器

◇在类“Lumped-Components”里面选择电容，和电感，按照下图

设计电路。

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，选择加入S21，仿真结果如下图所示。

图10 低通滤波器仿真结果

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，并双击修改里面的属性，建立二极管模型，具体的参数设计参考下图13。

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。

。

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，并双击修改其属性为