实验七 混频器的仿真设计
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XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY
一、实验目的
1. 理解微波混频器的主要性能指标 2. 掌握微波混频器的分析方法及基本应用 3. 掌握单端微波二极管和单平衡混频器的结构特点、电路
形式和工作原理；
4. 掌握用ADS进行混频器仿真的方法与步骤
混频器是微波集成电路接收系统中必不可少的部件。在微 波通信、雷达、遥控、遥感、侦察与电子对抗系统以及微波测量 系统中，将微波信号用混频器降到中低频来进行处理。
2
单平衡混频器的组合频率 两管输出端电流
i1 (t ) g nU S cos[m( S t ) n( L t )] 2 i2 (t ) g nU S cos[m( S t n( L t
2
)]
表示成傅立 叶级数
i1 (t ) i2 (t )
n m
中频电流为：
i01 g1Vs cos (s L )t g1Vs cos(0t ) 2 2 i02 g1Vs cos (s L )t g1Vs cos(0t ) i01 2 2 i i i 2 i 2 g V cos( t ) 输出中频电流为： 0 01 02 01 1 s 0
三、混频器的基本电路结构
1、 混频管二极管
通常非线性变频管采用二极管（非线性电阻二极管：肖特基 势垒二极管）,本振输入功率约2~10mW，变频损耗约-4dB左右，
噪声系数约4-6dB.
非线性电容二极管：变容管、阶跃恢复二极管等,利用结电容 对所加电压的非线性变化来实现频率变换。一般为15-25mW， 变频损耗约-6dB左右 晶体管（微波场效应管，MESFET）。
2 3 1
l
4
l
4
l
4
D1 fS L
D2
f if
4
U L1 VL cos(Lt )
两管的混频跨导分别为：
g2(t ) g0 2 gn cos nLt g1(t ) g0 2 g n cos(nLt n )
n 1
n 1 流过两管的电流分别为： i2 g1(t )us g0 2 gn cos nLt Vs cos st n 1 i1 g2(t )us g0 2 gn cos(nLt n ) Vs cos st n 1
混频器的基本概念及指标
A cos 2fRFt B cos 2fLot
下变频 接收机
AB
2
cos(f
RF
fLo ) t cos(fRF fLo ) t
差频 和频
载波频率
上变频 发射机
下边带 镜频
上边带
大量谐波及其高阶产物 多数微波系统中的混频器是单边带工作；镜频噪声使混频 器的噪声系数恶化，因此需抑制镜频。
混频电导为：
g1(t ) g0 2 g n cos(nLt n )
n 1
g2(t )
n g0 2 g n cos(nLt ) 2 n 1
混频电流为： i1 g1(t )us1 g0 2 gn cos(nLt n ) Vs cos(st ) 2 n 1 n i2 g2(t )us 2 g0 2 gn cos(nLt ) Vs cos(st ) 2 n 1
= n各项不存在 相差2 的各项不存在 （例 m=1，n=3，…..)
1800（反相型）平衡混频器
加到两管上的信号同相， 3 l 4 本振相位差为π。本振偶次谐波 组合频率无输出、结构复杂。
U S1 U S 2 VS cos st U L 2 VL cos Lt
ff S
L
PIM 3 M i 10 log (dBc) PIF avail
双频交调分量
ωL ±(nωS1 ±mωs 2 )
m + n = k为交调失真的阶数
混频器隔离度：是指各频率端口之间的隔离度，该指标包括三 项，信号与本振之间的隔离度，信号与中频之间的隔离度，本 振与中频之间的隔离度。隔离度定义是本振或信号泄漏到其他 端口的功率与原有功率之比，单位为dB。
gn 1 2
n 1
2
0
g (t ) cos(nLt )d (Lt )
混频器电流的主要频谱(设ω0=ωS－ωL)
从上分析可见： • 在混频器中产生了无数的组合频率分量，若负载ZL采用中 频带通滤波器，就可以取出所需的中频分量而将其他组合 频率滤掉（ I1=g1US ） • 混频过程中，本振是强信号，它产生了无数的谐波，但其 谐波功率大约随1/n2变化(n为谐波次数) • 信号频率与本振频率产生的和频ω+=ωL+ωS、差频ω0=ωS－ ωL、镜频(关于本振)ωi=2ωL－ωS=ωL－ω0分量。如果在输 入电路中将镜频反射回二极管并重新与本振混频，即可再 次产生中频ωL－ωi=ω0（镜频回收以减小变频损耗）。
混频器电路的基本要求
信号功率和本振功率应同时加到混频二极管上； 二极管要有直流通路和中频输出通路； 二极管和信号回路应尽可能匹配，以便获得较大的信号功率； 本振与混频器之间的耦合量应能调节，以便选择合适的工作状态； 中频输出端应能滤掉高频分量（信号和本振）
混频器电路的主要技术指标 • 变频损耗 • 噪声系数 • 端口隔离度 • 驻波比 • 动态范围 • 三阶交调系数 • 镜频抑制度 • 交调失真
发射天线 升频器 功率放大器
Leabharlann Baidu
IF带 通滤 波器
IF放 大器 PAD
RF滤 波器
前置 放大器
Gain Controller
Base Processor Unit (BPU)
PLL
VCO
功率分配器 PAD RF滤波 器 LNA 接收天线
IF放大 器
IF滤波 器
降频器
二、微波混频器典型电路结构及技术指标
2、单端混频器：最简单的混频器电路。用于要求不高的场合
1—定向耦合器(本振与信号隔离)；2—阻抗变换器；3—相移线段(阻抗匹 配)；4—混频二极管; 5—高频旁路；6—半环电感及缝隙电容(滤除高频、 中频回路)；7—中频和直流通路(高频有效短路及偏压)；8—匹配负载
设计微带线长度时是以信号频率对应的微带波导波长为基准 的。由于信号频率和本振频率很接近，按信号波长设计对本振传 输带来的影响不大； 另一方面是由于信号功率比较弱，电路设计 务必要保证信号的损失最小，因此只能牺牲部分本振功率。
定义二极管的时变电导g(t)为 di ( E0 +U L cosL t ) g t = = f v = f E +U cos t I e v=E +U cos t 0 L L s dv 0 L L
i g (t )US cos St g0U S cos St g nU S cos(nL St )
二极管的非线性电阻混频机理 混频二极管上加大功率本振、 小功率信号及直流偏置(或零偏 压)时 电流在工作点用泰勒级数展开：
i f ( E0 U L cos Lt U S cos St ) f ( E0 U L cos Lt ) f '( E0 U L cos Lt )U S cos St 1 f ''( E0 U L cos Lt )(U S cos St ) 2 … 2!
3 l 4
2 3 1 4
l
4
l
4
l
4
D1 fL
D2
f if
fS
π/2型（90˚）移相型平衡混频器
加到两管上的信号(本振) 相位差为π/2。
us1 Vs cos(s t
2
) us 2 Vs cos(s t )
uL1 VL cos(L t ) u L 2 VL cos(Lt ) 2
肖特基二极管的伏安特性可表示为： qU I =f U I S exp 1 nkT
IS exp U 1
肖特基势垒二极管等效电路
e是电子电荷，k是波尔兹曼常数， T是绝对温度，一般情况n≈1至 1.2。室温下α=30至40， Is是反 向饱和电流
肖特基二极管是是以金属A为正极， 以N型半导体B为负极，利用二者接触面上 形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半 导体器件。因为N型半导体中存在着大量的 电子，贵金属中仅有极少量的自由电子， 所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中 肖特基二极管管芯结构示意图 扩散，于是就形成了肖特基势垒。
肖特基二极管具有功耗低、电流大、正向导通压降低、 反向恢复时间极短（可以小到几纳秒）的超高速半导体器件。 对外主要呈现非线性电阻特性，是构成微波混频器、检波器 和微波开关等的核心元件。
镜频抑制度：表征混频器对镜频信号抑制程度的指标。
定义：在信号频率和镜频上分别输入同样的功率信号时所产生
的中频信号幅度之比，通常用分贝表示。 变频损耗指标LC：混频过程伴随着信号能量的重新分配，导 致中频信号幅度低于射频信号幅度 定义：为输入射频信号的资用功率PRF 与输出中频信号资用功 率PIF 之比: 噪声系数NF：定义为输入信号信噪比Si/Ni与输出信号信噪比 So/No的比值： 3阶交调系数Mi：输入信号包括两个以上的频率分量时，混频 器输出信号中将产生交调分量，出现交调干扰（IMD）。影响 最大的是 3 阶交调分量（3阶交调的阶次最低，幅度最大）。
混频二极管封装结构及等效电路
(a) “炮弹”式封装；(b) 微带封装；(c) SOT贴片封装
面结合型二极管结构和等效电路
Rj为二极管的非线性结电阻，是 阻性二极管的核心等效元件。Rj随外加 偏压而改变，正向时约为几欧姆，反向 时可达MΩ量级。 Cj为二极管的非线性结电容。 Cj随 二极管的工作状态而变，电容量在百分 之几皮法到一皮法之间。
采用肖特基势垒二极管做变频元件：变频损耗相对较高，
但是它结构简单，便于集成化，工作频带宽，可能达到几个甚 至几十个倍频程。它的噪声较低而且工作稳定，动态范围大， 不容易出现饱和。
肖特基势垒二极管
肖特基势垒二极管结构如图所示，在N+半导体（Si或GaAs） 衬底基片上生长外延层（大约0.5μm），外延层上做一层SiO2保护层， 腐蚀出小孔（直径约为1μm-5μm），再蒸发金属，小孔中的金属与外 延半导体形成肖特基势垒结。在势垒金属上再镀出金属电极就构成了 二极管芯。窗孔直径愈小，结电容愈小，则工作频率愈高。
中频电流成分为：
i02 g1Vs cos(s L )t g1Vs cos 0t i01 g1Vs cos(s L )t g1Vs cos 0t
总输出中频电流为： i0 i02 i01 2g1Vs cos 0t
对随同本振进入的噪声： u2n Vn cos nt u1n Vn cos(nt ) 混频后产生的中频噪声输出为： i2n g1Vn cos(n L )t g1Vn cos 0nt
λg/2
镜频开路单端混频器
2. 双管单平衡混频器电路 结构：混合网络 + 两个单口混频器 优点：噪声系数低、动态范围大、本振功率小、无偶数阶产物 电桥作用：（环形桥、分支线定向耦合器） 输入信号、本振功率平分加到两个混频管，得到充分利用 增加工作带宽 RF端口实现完全匹配 RF-LO完全隔离 抑制谐波，减少失真、干扰与损耗
I nm exp[ j ( I nm exp[ j
m n )] exp[j(mS nL )t ] 2
n m
n ] exp[ j (mS nL )t ] 2
总电流
i1 (t ) i2 (t )
m
jm jn I exp[ j ( m n ) t ] exp[ jn ][exp( ) exp( )] nm S L 2 2 n m
一、实验目的
1. 理解微波混频器的主要性能指标 2. 掌握微波混频器的分析方法及基本应用 3. 掌握单端微波二极管和单平衡混频器的结构特点、电路
形式和工作原理；
4. 掌握用ADS进行混频器仿真的方法与步骤
混频器是微波集成电路接收系统中必不可少的部件。在微 波通信、雷达、遥控、遥感、侦察与电子对抗系统以及微波测量 系统中，将微波信号用混频器降到中低频来进行处理。
2
单平衡混频器的组合频率 两管输出端电流
i1 (t ) g nU S cos[m( S t ) n( L t )] 2 i2 (t ) g nU S cos[m( S t n( L t
2
)]
表示成傅立 叶级数
i1 (t ) i2 (t )
n m
中频电流为：
i01 g1Vs cos (s L )t g1Vs cos(0t ) 2 2 i02 g1Vs cos (s L )t g1Vs cos(0t ) i01 2 2 i i i 2 i 2 g V cos( t ) 输出中频电流为： 0 01 02 01 1 s 0
三、混频器的基本电路结构
1、 混频管二极管
通常非线性变频管采用二极管（非线性电阻二极管：肖特基 势垒二极管）,本振输入功率约2~10mW，变频损耗约-4dB左右，
噪声系数约4-6dB.
非线性电容二极管：变容管、阶跃恢复二极管等,利用结电容 对所加电压的非线性变化来实现频率变换。一般为15-25mW， 变频损耗约-6dB左右 晶体管（微波场效应管，MESFET）。
2 3 1
l
4
l
4
l
4
D1 fS L
D2
f if
4
U L1 VL cos(Lt )
两管的混频跨导分别为：
g2(t ) g0 2 gn cos nLt g1(t ) g0 2 g n cos(nLt n )
n 1
n 1 流过两管的电流分别为： i2 g1(t )us g0 2 gn cos nLt Vs cos st n 1 i1 g2(t )us g0 2 gn cos(nLt n ) Vs cos st n 1
混频器的基本概念及指标
A cos 2fRFt B cos 2fLot
下变频 接收机
AB
2
cos(f
RF
fLo ) t cos(fRF fLo ) t
差频 和频
载波频率
上变频 发射机
下边带 镜频
上边带
大量谐波及其高阶产物 多数微波系统中的混频器是单边带工作；镜频噪声使混频 器的噪声系数恶化，因此需抑制镜频。
混频电导为：
g1(t ) g0 2 g n cos(nLt n )
n 1
g2(t )
n g0 2 g n cos(nLt ) 2 n 1
混频电流为： i1 g1(t )us1 g0 2 gn cos(nLt n ) Vs cos(st ) 2 n 1 n i2 g2(t )us 2 g0 2 gn cos(nLt ) Vs cos(st ) 2 n 1
= n各项不存在 相差2 的各项不存在 （例 m=1，n=3，…..)
1800（反相型）平衡混频器
加到两管上的信号同相， 3 l 4 本振相位差为π。本振偶次谐波 组合频率无输出、结构复杂。
U S1 U S 2 VS cos st U L 2 VL cos Lt
ff S
L
PIM 3 M i 10 log (dBc) PIF avail
双频交调分量
ωL ±(nωS1 ±mωs 2 )
m + n = k为交调失真的阶数
混频器隔离度：是指各频率端口之间的隔离度，该指标包括三 项，信号与本振之间的隔离度，信号与中频之间的隔离度，本 振与中频之间的隔离度。隔离度定义是本振或信号泄漏到其他 端口的功率与原有功率之比，单位为dB。
gn 1 2
n 1
2
0
g (t ) cos(nLt )d (Lt )
混频器电流的主要频谱(设ω0=ωS－ωL)
从上分析可见： • 在混频器中产生了无数的组合频率分量，若负载ZL采用中 频带通滤波器，就可以取出所需的中频分量而将其他组合 频率滤掉（ I1=g1US ） • 混频过程中，本振是强信号，它产生了无数的谐波，但其 谐波功率大约随1/n2变化(n为谐波次数) • 信号频率与本振频率产生的和频ω+=ωL+ωS、差频ω0=ωS－ ωL、镜频(关于本振)ωi=2ωL－ωS=ωL－ω0分量。如果在输 入电路中将镜频反射回二极管并重新与本振混频，即可再 次产生中频ωL－ωi=ω0（镜频回收以减小变频损耗）。
混频器电路的基本要求
信号功率和本振功率应同时加到混频二极管上； 二极管要有直流通路和中频输出通路； 二极管和信号回路应尽可能匹配，以便获得较大的信号功率； 本振与混频器之间的耦合量应能调节，以便选择合适的工作状态； 中频输出端应能滤掉高频分量（信号和本振）
混频器电路的主要技术指标 • 变频损耗 • 噪声系数 • 端口隔离度 • 驻波比 • 动态范围 • 三阶交调系数 • 镜频抑制度 • 交调失真
发射天线 升频器 功率放大器
Leabharlann Baidu
IF带 通滤 波器
IF放 大器 PAD
RF滤 波器
前置 放大器
Gain Controller
Base Processor Unit (BPU)
PLL
VCO
功率分配器 PAD RF滤波 器 LNA 接收天线
IF放大 器
IF滤波 器
降频器
二、微波混频器典型电路结构及技术指标
2、单端混频器：最简单的混频器电路。用于要求不高的场合
1—定向耦合器(本振与信号隔离)；2—阻抗变换器；3—相移线段(阻抗匹 配)；4—混频二极管; 5—高频旁路；6—半环电感及缝隙电容(滤除高频、 中频回路)；7—中频和直流通路(高频有效短路及偏压)；8—匹配负载
设计微带线长度时是以信号频率对应的微带波导波长为基准 的。由于信号频率和本振频率很接近，按信号波长设计对本振传 输带来的影响不大； 另一方面是由于信号功率比较弱，电路设计 务必要保证信号的损失最小，因此只能牺牲部分本振功率。
定义二极管的时变电导g(t)为 di ( E0 +U L cosL t ) g t = = f v = f E +U cos t I e v=E +U cos t 0 L L s dv 0 L L
i g (t )US cos St g0U S cos St g nU S cos(nL St )
二极管的非线性电阻混频机理 混频二极管上加大功率本振、 小功率信号及直流偏置(或零偏 压)时 电流在工作点用泰勒级数展开：
i f ( E0 U L cos Lt U S cos St ) f ( E0 U L cos Lt ) f '( E0 U L cos Lt )U S cos St 1 f ''( E0 U L cos Lt )(U S cos St ) 2 … 2!
3 l 4
2 3 1 4
l
4
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4
l
4
D1 fL
D2
f if
fS
π/2型（90˚）移相型平衡混频器
加到两管上的信号(本振) 相位差为π/2。
us1 Vs cos(s t
2
) us 2 Vs cos(s t )
uL1 VL cos(L t ) u L 2 VL cos(Lt ) 2
肖特基二极管的伏安特性可表示为： qU I =f U I S exp 1 nkT
IS exp U 1
肖特基势垒二极管等效电路
e是电子电荷，k是波尔兹曼常数， T是绝对温度，一般情况n≈1至 1.2。室温下α=30至40， Is是反 向饱和电流
肖特基二极管是是以金属A为正极， 以N型半导体B为负极，利用二者接触面上 形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半 导体器件。因为N型半导体中存在着大量的 电子，贵金属中仅有极少量的自由电子， 所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中 肖特基二极管管芯结构示意图 扩散，于是就形成了肖特基势垒。
肖特基二极管具有功耗低、电流大、正向导通压降低、 反向恢复时间极短（可以小到几纳秒）的超高速半导体器件。 对外主要呈现非线性电阻特性，是构成微波混频器、检波器 和微波开关等的核心元件。
镜频抑制度：表征混频器对镜频信号抑制程度的指标。
定义：在信号频率和镜频上分别输入同样的功率信号时所产生
的中频信号幅度之比，通常用分贝表示。 变频损耗指标LC：混频过程伴随着信号能量的重新分配，导 致中频信号幅度低于射频信号幅度 定义：为输入射频信号的资用功率PRF 与输出中频信号资用功 率PIF 之比: 噪声系数NF：定义为输入信号信噪比Si/Ni与输出信号信噪比 So/No的比值： 3阶交调系数Mi：输入信号包括两个以上的频率分量时，混频 器输出信号中将产生交调分量，出现交调干扰（IMD）。影响 最大的是 3 阶交调分量（3阶交调的阶次最低，幅度最大）。
混频二极管封装结构及等效电路
(a) “炮弹”式封装；(b) 微带封装；(c) SOT贴片封装
面结合型二极管结构和等效电路
Rj为二极管的非线性结电阻，是 阻性二极管的核心等效元件。Rj随外加 偏压而改变，正向时约为几欧姆，反向 时可达MΩ量级。 Cj为二极管的非线性结电容。 Cj随 二极管的工作状态而变，电容量在百分 之几皮法到一皮法之间。
采用肖特基势垒二极管做变频元件：变频损耗相对较高，
但是它结构简单，便于集成化，工作频带宽，可能达到几个甚 至几十个倍频程。它的噪声较低而且工作稳定，动态范围大， 不容易出现饱和。
肖特基势垒二极管
肖特基势垒二极管结构如图所示，在N+半导体（Si或GaAs） 衬底基片上生长外延层（大约0.5μm），外延层上做一层SiO2保护层， 腐蚀出小孔（直径约为1μm-5μm），再蒸发金属，小孔中的金属与外 延半导体形成肖特基势垒结。在势垒金属上再镀出金属电极就构成了 二极管芯。窗孔直径愈小，结电容愈小，则工作频率愈高。
中频电流成分为：
i02 g1Vs cos(s L )t g1Vs cos 0t i01 g1Vs cos(s L )t g1Vs cos 0t
总输出中频电流为： i0 i02 i01 2g1Vs cos 0t
对随同本振进入的噪声： u2n Vn cos nt u1n Vn cos(nt ) 混频后产生的中频噪声输出为： i2n g1Vn cos(n L )t g1Vn cos 0nt
λg/2
镜频开路单端混频器
2. 双管单平衡混频器电路 结构：混合网络 + 两个单口混频器 优点：噪声系数低、动态范围大、本振功率小、无偶数阶产物 电桥作用：（环形桥、分支线定向耦合器） 输入信号、本振功率平分加到两个混频管，得到充分利用 增加工作带宽 RF端口实现完全匹配 RF-LO完全隔离 抑制谐波，减少失真、干扰与损耗
I nm exp[ j ( I nm exp[ j
m n )] exp[j(mS nL )t ] 2
n m
n ] exp[ j (mS nL )t ] 2
总电流
i1 (t ) i2 (t )
m
jm jn I exp[ j ( m n ) t ] exp[ jn ][exp( ) exp( )] nm S L 2 2 n m