1、微波混頻器設計摘要混頻器（mixer）是通信系統的重要組成部分，用于在所有的射頻和微波系統進行 頻率變換，用于通信接收機，也是頻率合成器等電子設備中的重要組成部分，用混頻器 可以實現頻率加、減運算功能。晶體二極管的伏安特性曲線是非線性的，完全可以利用它作混頻器件。二極管混頻 器與三極管相比較，具有動態范圍大，噪聲小，組合頻率分量少，結構簡單和工作頻率 高等優點。采用肖特基二極管的混頻電路，工作頻率可高到微波頻段。因此，二極管混 頻電路在高質量的各種接收機和測量儀器中得到了廣泛的應用。但是二極管混頻器也有 一個重要的缺點，那就是沒有混頻增益（混頻增益小于1）。相對于單端混頻器，單平 衡混頻器的輸

2、出電流頻譜分量要比單端混頻器小很多，在強信號時，它產生的組合分量 也較少。這種混頻器利用兩個二極管，在同樣強的輸入信號下，分到每個管子的信號功 率比單管混頻少3db,因此它的動態范圍也大一倍。此外這種平衡混頻器還有抵消木振 引入噪聲所產生的中頻噪聲的能力。鑒于單平衡混頻器的以上優點，通過ads對單平衡 混頻器進行設計與仿真。對仿真電路圖進行比較分析，混頻器的輸入三階交調點和輸出 三階交調點分別為-37. 829dbm和_114. 506clbm。輸入駐波比為1.024。關鍵詞：混頻器；單平衡；ads；三階交調microwave mixer designabstractmixer is the

3、important part of the communication systems, used in all of the rf and microwave system for frequency conversion, for communication receiver, frequency synthesizer and other electronic equipment is an important part of the mixer can achieve the frequency, with add, subtract functions.crystal diode,

4、volt-ampere characteristic curve is nonlinear, can use it for mixing device. mixer diodes and transistors are compared, with large dynamic range, low noise, less combination frequency components, simple structure and high working frequency. the schottky diode mixer circuit, working frequency can be

5、high to the microwave band therefore, diode mixer circuit in the high quality of the various receiver and measuring instrument has been widely used but the diode mixer also has an important drawback, that is no mixing gain ( mixing gain of less than 1). compared to a single ended mixer, single balan

6、ced mixer output current spectrum component than single ended mixer is much smaller, with a strong signal, it generates less composite component. the mixer using two diodes, in the same strong input signals, into each tube signal power3db less than one mixing, so its dynamic range is also a big time

7、s. in addition the balanced mixer and offset the vibration into the noise generated by the medium frequency noise. in view of the single balanced mixer of the above advantages, through ads on the single balanced mixer design and simulation. comparative analysis on simulation of circuit diagram, the

8、input of mixer three order intermodulation point and the output of the three order intermodulation point were -37.829dbm and -114.506dbm. the input in bobbi for 1.024.key words: mixer;single balanced;ads ;three order intermodulation摘要iabstractii第1章緒論11.1課題背景及意義11.2微波混頻器介紹11.3國內外研究現狀21.4論文的主要內容3第2章設計

9、平臺的介紹42. 1ads的概述42. 2ads的仿真設計方法42. 3ads的輔助設計功能52.4 ads的主要操作窗口62. 5ads仿真功能概述7第3章 混頻器的基本理論93.1混頻器的技術指標93. 1. 1變頻損耗93. 1.2噪聲系數103.1.3隔禺度113. 1.4動態范圍123. 1.5本振功率與工作點123. 1.6工作帶寬123.2混頻器的電路形式123. 2. 1單端混頻器123.2.2單平衡混頻器133. 2. 3雙平衡混頻器14第4章混頻器的設計與仿真154. 1 混頻器的原理154. 1. 1混頻器的基本原理154.1.2混頻器的技術指標164.2混頻器的設計16

10、4.2. 1 3db定向耦合器的設計174.2.2完整混頻器電路設計234. 2. 3低通濾波器設計254. 3混頻器性能仿真284. 3. 1混頻器功能仿真284. 3. 2本振功率選擇324. 3. 3混頻器的三階交調點分析344. 3. 4混頻器的輸入駐波比仿真38總結與展望40參考文獻41致謝42第1章緒論11課題背景及意義微波混頻器最重要的應用是在微波接收機中將接收的微波信一號變換為中頻，以 便進一步對信號進行放大和解調。它可以作為微波接收機的前置級或者作為低噪聲前置 放大器的后續級。微波混頻器的性能對微波接收機以至整個微波系統有重要的影響，特 別當它作為接收機的前置級時更是如此。由

11、于研制頻率很高的低噪聲放大器至今仍比較 困難，所以在毫米波、亞毫米波波段都不得不采用混頻器作為接收機的前置級，這就使 它成為在這些波段實現低噪聲接收的關鍵性部件。微波混頻器除用于接收微弱信號外，還常常用于微波測試系統屮。例如，利用微波 混頻器將微波信號變換為較低的頻率，以便進行相位、衰減和頻率等參數的測量。在這 些應用中，由于工作電平較高，靈敏度一般不成為主要問題，但要求工作頻帶寬，頻響 好。混頻器是在第二次世界大戰中，伴隨著雷達接收機而產生的。但由于當時微波半導 體器件發展緩慢，影響了混頻器的發展。直至五十年代屮期，晶體管技術與外延單晶生 長技術的不斷發展，給混頻器的發展提供了物質基礎。到六

12、十年代，表而勢壘二極管和 隧道二極管間世后，人們對混頻器的研究才得到了迅速的進展。隨著混頻器技術的發展，混頻器的理論也得到了很大的發展。由用幕級數法、貝塞 爾函數法分析小信號對非線性器件的作用，發展到用開關函數法分析大信號對非線性器 件的作用，使理論和實踐更加接近。后來，用信號流圖法分析混頻器，就更加直觀、清 晰了。混頻器的基本功能是作頻率變換（又稱變量技術）。隨著頻率合成技術的發展，它已 不僅用作超外差接收機前端的混頻器，而且還可以用來作乘法器（即倍頻器）、除法器 （分頻器）。雙平衡混頻器在鎖相技術中還可作鑒相器使用。因此，混頻器的研制已發展 成為一種專門技術。國外已有專門生產各種混頻器的專

13、業工廠，可根據用戶提出的具體 指標，在一定時間內提供合格的產品。1.2微波混頻器介紹為了能滿足各種無線電設備的需要，有利于提高設備的性能，常常要將信號自某 一頻率變換成另一個頻率，即混頻。混頻實際上是將兩個不同的信號同時加到非線性器 件進行頻率組合，取出其差頻或和頻。由此可知，混頻器在頻域上起著減（加）法器的作 用。由于屮頻信號比高頻信號的頻率低，有條件增加高頻放大電路的級數，使遠地電臺 的微弱信號也能獲得足夠的放大倍數，又不會產生高頻自激振蕩；又由于中頻信號的頻 率不變，對不同頻率電臺的信號均能給岀比較均勻的放大量，使接收靈敏度大大提高; 再有，輸人電臺信號經過混頻變為中頻信號后，就可以在中

14、頻通道中順利通過，從而避 免了不需要的鄰近頻率的電臺的竄人，從而提高了選樣性和抗干擾能力。根據設備的要 求不同，混頻后的輸出頻率既可以低于輸人信號頻率，也可以高于輸人信號頻率。所以在通信系統中，混頻器是必不可少的重要部件。實際上混頻器原理是利用非線 性器件達到一個頻譜搬移的作用。在接收機中，混頻器一般是位于接收機的前端或者在 低噪聲放大器的后續端，它的性能如變頻損耗、噪聲系數等直接影響到整個系統的好壞。 所以在通信系統中，性能優越的混頻器對整個系統起到關鍵作用，也是人們一直研究的 課題。混頻器一般由三部分組成：本機振蕩器；一個或者多個非線性器件；濾波器。 它起到一個頻率變換的作用，以便于信號的

15、處理。按非線性器件的不同性質，可以分為 有源器件混頻器和無源器件混頻器兩類：(1) 采用晶體管或場效應管作為非線性器件的混頻器稱為有源器件混頻器。缺點是 需要額外的直流偏置，電路結構復雜，設計方法也比較復雜。其優點是可得到46db 的增益，而且組合干擾小。經過理論分析與實踐可以看岀，場效應管混頻器還有動態范 圍大、伏安特性曲線為平方律、交調干擾小、輸入阻抗高及抗鏡頻干擾能力強等優點。 所以場效應管混頻器是一個很有前途的部件。(2) 采用二極管作非線性器件的混頻器稱為無源器件。二極管一般包括肖特基勢壘 二極管、梁式引線二極管、變容管等。在微波毫米波段，肖特基勢壘二極管是最常用的。 二極管混頻器的

16、特點是，結構簡單，便于集成化，工作穩定，而u性能良好。因此是目 前主要的微波混頻器，但由于這種混頻器是無源器件，因此有一定的變頻損耗。當用多 個二極管組成的混頻電路，其工作頻帶可以達到幾個或者幾十個倍頻程。按電路結構形式分，可將混頻器分為兩大類：一類是采用一個混頻管的，稱為單端 混頻器；另一類是用兩個或四個相同特性的混頻管組成平衡或環形電路的，稱為平衡或 環形混頻器。單端混頻器電路結構比較簡單，但其性能較差。平衡混頻器又可分為單平 衡混頻器及雙平衡混頻器兩種，它們具有噪聲小、靈敏度高、抗干擾能力強及頻帶寬等 優點。從目前廣泛應用的微帶電路來看，單端混頻器和單平衡混頻器較容易實現。1.3國內外研

17、究現狀混頻器最早是由armstmg在1924年研制成功。五十年代中期，晶體管技術與外延 單晶生長技術的不斷發展，給混頻器的發展提供了物質基礎。到六十年代，表面勢壘二 極管和隧道二極管問世后，人們對混頻器的研究才得到了迅速的發展。隨著混頻器技術 的發展，混頻器的理論也得到了很大的發展。由用幕級數法'貝塞爾函數法分析小信號 對非線性器件的作用，發展到用開關函數法分析大信號對非線性器件的作用，使理論和 實踐更加接近。后來，用信號流圖法分析混頻器，就更加直觀、清晰了。從國外混頻器 的發展形勢來看，從上世紀八i年代起混頻器的研究熱點主要集中于毫米波頻段。而目 前國內對這方面的研究受到現有加工工藝

18、，微波集成技術水平以及測試儀器的限制，相 關技術并未成熟，起步比較晚，離工程化應用還有一定的差距，因而有必要做深入研究。 本節將介紹近些年來混頻技術的國內外發展動態。1981年，parrish等人利用梁式引線二極管以及懸置帶線結構制作的平衡混頻器， 射頻從9094ghz的范圍內變頻損耗小于8dbo 1982年，kennethlouie等人采用交叉 結構實現w頻段寬帶混頻器。射頻信號80102ghz的20ghz瞬時帶寬內，變頻損耗 小于75dbo射頻80106ghz的26ghz帶寬內變頻損耗小于& 7db。其中從90 102ghz范圍內，帶寬12ghz,變頻損耗均小于56db。1983年

19、，wolfgangmcnzcl和 heinricheallse制作出用在60ghz和94ghz通訊子系統的鰭線混頻器。1985年,kchang 和rs. tallim等人研制出w頻段環形混頻器，在9ghz的帶寬范圍內，變頻損耗小 于7dbo 1987年,steven low等人研制了交叉型混頻器，本振84ghz,射頻從85100ghz 的15ghz帶寬下，變頻損耗整體小于7dbo 1988年，merenda. j. l等人用四個反向 并聯二極管對制作了 4-40ghz的諧波混頻器，在整個頻段內，變頻損耗小于10db,有 較好的寬帶特性。1992年，r. j. lang等人研制的環形gaas二極

20、管混頻器，射頻工 作在整個ka波段，當中頻信號為1 oomhz,變頻損耗為55db。1995年前國外就己 經采用phemt肖特基勢壘二極管mmic技術，實現rf頻率32-40ghz范圍內，變頻 損耗小于 8. 5dbo 最優變頻損耗為 5. 5dbo 2000 年 ghassanyassin 和 matthewbuffey 研制出應用頻率高達350ghz的sis對極鰭線混頻器，得到只有90k的低噪聲溫度。2005 年，mun. kyo lee等人制作了鰭線一共面線平衡混頻器。本振功率只有6dbm,變頻 損耗小于10db,木振和射頻信號隔離度大于29dbo 2009年bertandthomas和

21、simonrea 等人研制岀320ghz340ghz的分諧波鏡像抑制混頻器，在通帶范圍內鏡像抑制度達到7. 224. ldbo在國內，電子科技大學謝晉雄對兩種w波段寬帶混頻器結構進行研究，一種是鰭 線一帶線集成混頻器，另外為鰭線一共面波導結構，前一種結構在射頻信號8595ghz 范圍內，變頻損耗小于15db。后一種在射頻帶寬8ghz范圍內，變頻損耗為9-12dbo 2001年南京電子技術研究所胡建凱等人研制的單端混頻器和單平衡混頻器在射頻信號 93ghz-96ghz的范圍內，變頻損耗小于10db和9db,達到國外80年代末的水平。2004 年，電子科大董慶來對w波段鰭線共而線平衡混頻器進行研制

22、，射頻9296ghz,本 振90ghz下，變頻損耗小于15db,端口隔離度大于20db。2006年，南京五十五所研 制出6mm鰭線平衡混頻辭，射頻信號為47ghz,變頻損耗小于35db,木振和射頻 信號隔離度大于20dbo 2008年電子科技大學的李侃制作的ka波段四次諧波混頻器在 射頻信號為34. 36ghz時的變頻損耗小于118dbo從國內外的發展趨勢來看，混頻器主要研究集中在ka波段和w波段，并且高頻 段、寬帶混頻器一直是人們的研究熱點。近兒年來國外己經開始涉足到亞毫米波段。相 比之下，由于起步比較晚，受到工藝和設備的限制，國內水平較落后于國外，因此對這 方面研究還是有必要的。混頻器的基

23、本功能是作頻率變換（又稱變量技術）。隨著頻率合成技術的發展，它 已不僅用作超外差接收機前端的混頻器，而且還可以用來作乘法器（即倍頻器）、除法 器（分頻器）。雙平衡混頻器在鎖相技術中還可作鑒相器使用。因此，混頻器的研制已 發展成為一種專門技術。國外已有專門生產各種混頻器的專業工廠，如hittite> linear、 macom等可根據用戶提出的具體指標，在一定時間內提供合格的產品。1.4論文的主要內容論文各章節分布及其主要內容：第一章：緒論。介紹本課題的背景，發展歷程和當前研究狀況，并簡介論文的主要 內容。第二章：ads設計平臺的介紹。簡要介紹ads平臺的窗口功能和設計方法。第三章：混頻器

24、的基本理論，主要介紹混頻器的技術指標以及二極管混頻器的電路 形式。第四章：單平衡混頻器的設計與仿真。通過混頻器原理，對單平衡混頻器以及其匹 配電路進行設計，并對完整混頻器電路進行仿真分析。第2章設計平臺的介紹2. 1 ads的概述ads一advanced design system,是美國安捷倫(agilent)公司所開發的電子設計 自動化軟件，功能強大，仿真手段豐富多樣，包含時域電路仿真(spice-like simulation)> 頻域電路仿真(harmonic balance、linear analysis )> 三維電磁仿真(em simulation)、 通信系統仿真(

25、communication system simulation)和數字信號處理仿真設計(dsp) 等，并可對設計結果進行成品率分析與優化，大大提高了復雜電路的設計效率，是非常 優秀的微波電路、系統信號鏈路的設計工具。此夕f, agilent公司還和多家半導體廠商合作建立了 ads design kit及model file, 以供設計人員使用。使用者可以利用design kit及軟件仿真功能進行通信系統的設計、 規劃與評估及mmic/rfic、模擬與數字電路設計。除上述仿真設計功能外，ads軟 件也提供了輔助設計功能，如design guide以范例及指令方式示范電路或系統的設計 流程，而si

26、mulation wizard以步驟式界面進行電路設計與分析。ads還能與其他eda 軟件，如 spice> mentor graphics 的 modelsim、cadence 的 nc-verilog> mathworks 的matlab等進行協同仿真(cosimulation),再加上豐富的元件應用模型庫及測量/驗 證儀器間的連接功能，大大增加了電路與系統設計的方便性、快速性與精確性。2. 2 ads的仿真設計方法ads軟件可以幫助電路設計者進行模擬、射頻與微波等電路和通信系統設計，其 提供的仿真分析方法大致可以分為：時域仿真、頻域仿真、系統仿真和電磁仿真。1. 高頻spic

27、e分析和卷積分析高頻spice分析方法提供如spice仿真器相同的瞬態分析，用它 可分析線性與 非線性電路的瞬態效應。但是與spice仿真相比，它又有很多優點，例如，在spice 仿真器中無法直接使用的頻域分析模型，如微帶線、帶狀線等，可以在ads的spice 高頻仿真器中直接使用。這是因為ads在仿真時可以將頻域分析模型進行拉氏變換后 再進行瞬態分析，而不需要使用者將該模型轉化為等效的rlc電路。因此spice高 頻仿真器除了可以做低頻電路的瞬態分析，也可以分析高頻電路的瞬態響應。此外 spice高頻仿真器還提供了瞬態噪聲分析的功能，可以用來仿真屯路的瞬態噪聲。卷積分析方法是架構在spice

28、高頻仿真器上的高級時域分析方法，由卷積分析可 以更加準確地用時域的方法分析與頻率相關的元件。例如，以s參數定義的元件、傳 輸線和微帶線等。2. 線性分析線性分析為頻域的電路仿真分析方法，可以對線性或非線性的射頻與微波屯路進行 線性分析。當進行線性分析時，軟件首先會先針對電路中每個元件計算所需的線性參數, 如s、z、y和h參數、電路阻抗、噪聲、反射系數、穩定系數、增益或損耗等，然后 再進行整個電路的分析和仿真。3 諧波平衡分析諧波平衡分析提供頻域、穩態、大信號的電路分析仿真和方法，它可以用來分析具 有多頻輸入信號的非線性電路，得到非線性的電路響應，如噪聲、功率壓縮點和諧波失 真等。與時域的spi

29、ce仿真分析相比較，諧波平衡可以給非線性的屯路提供一個比較 快速有效的分析方法。諧波平衡分析方法的出現填補了 spice的瞬態響應分析與線性 s參數分析對具有多頻輸入信號的非線性電路仿真的不足。尤其在現今的高頻通信系統 中，大多包含了混頻電路結構，這更使得諧波平衡分析方法的使用更加頻繁，也越趨重 要。4. 電路包絡分析電路包絡分析包含了時域與頻域的分析方法，可以使用于包含調頻信號的電路或通 信系統中。電路包絡分析借鑒了 spice與諧波平衡兩種仿真方法的優點，將較低頻的 調頻信號用時域spice仿真方法來分析，而較高頻的載波信號則以頻域的諧波平衡仿 真方法進行分析。5. 射頻系統分析射頻系統分

30、析方法可以讓使用者模擬評估系統特性，其中系統的電路模型除可以使 用行為級模型外，也可以使用元件電路模型進行響應驗證。射頻系統仿真分析包含了上 面介紹的線性分析、諧波平衡分析和電路包絡分析等各種分析手段，它們分別用來驗證 射頻系統的無源元件與線性化系統模型特性、非線性系統模型特性和具有數字調頻信號 的系統特性。6. 電磁仿真分析ads軟件提供了一個平面電磁仿真分析功能 momentum,它可以用來仿真微 帶線、帶狀線和共面波導等的電磁特性、天線的輻射特性，以及電路板上的寄生、耦合 效應。所分析的s參數結果可直接使用于諧波平衡和電路包絡等電路分析中，進行電路 設計與驗證。pice的瞬態響應分析與線

31、性s參數分析對具有多頻。2.3 ads的輔助設計功能1. 設計指南設計指南以范例與指令的說明示范電路設計的設計流程，使用者可以利用這些范例 與指令，學習如何利用ads軟件高效地進行電路設計。目前ads所提供的設計指南包 括：wlan設計指南、bluetooth設計指南、cdma2000設計指南、rf system設計指 南、mixer 設計指南、oscillator 設計指南、passive circuits 設計指南、phased locked loop設計指南、amplifier設計指南和filter設計指南等。除了使用ads軟件自帶的設 計指南外，使用者也可以通過軟件中的designgu

32、idedeveloper studio建立自己的設計指 南。2. 仿真向導仿真向導提供的設定界面供設計人員進行電路分析與設計，使用者可以利用圖形化 界面設定所需驗證的電路響應模型。ads提供的仿真向導包括：元件特性、放大器、 混頻器和線性電路等。3. 仿真與結果顯示模板為了增加仿真分析的方便性，ads軟件提供了仿真模板功能，它讓使用者可以將 經常重復使用的仿真設定（如仿真控制器、電壓電流源、變量參數設定等）制定成一個 模板直接使用，避免了重復設定所需的時間和步驟。結果顯示模板也具有相同的功能， 使用者可以將經常使用的繪圖或列表格式制作成模板以減少重復設定所需的時間。除了 使用者自行建立的模板外

33、，ads軟件也提供了標準的仿真與結果顯示模板以供使用。 4電子筆記本電子筆記本可以訃使用者將所設計電路與仿真結果加入文字敘述，制成一份網頁式 的報告。由電子筆記本所制成的報告，不需執行ads軟件即可以在瀏覽器上瀏覽。2. 4 ads的主要操作ads的主要操作窗口包括主窗口、原理圖設計窗口、布局圖設計窗口和數據顯示 窗口。下面對這四種窗口進行簡單的介紹1. 主窗口主窗口主要用于創建或打開工程、文件管理、工程管理等功能，它主要包含菜單欄、 工具欄、文件瀏覽區和工程管理區等幾個部分。窗口如下：圖2- 1 ads主窗口2原理圖設計窗口ads的原理圖設計窗口為用戶提供了方便的設計原理圖環境，也是用戶進行

34、原理 圖仿真用的最多的窗口。下圖為一個原理圖設計窗口，其中包含標題欄、菜單欄、工具 欄、元件面板列表、元件面板、歷史元件、提示面板和畫圖區。其中元件面板中包含所 有用戶需要放置的元件按鈕，并通過元件面板列表分類管理，當用戶選擇一類原件或仿 真控件吋，元件面板中會顯示出當前選定類型的所有元件或仿真控件。圖22原理圖設計窗口3. 布局圖設計窗口用戶可以在布局圖設計窗口中創建一個布局圖，還可以添加連接線來描述電氣連 接。布局圖設計窗口用來進行布局圖的設計、編輯和仿真，布局圖設計窗口與原理圖設 計窗口內容基本一致。4. 數據顯示窗口ads使用數組存儲用戶輸入的仿真信息，當完成仿真分析時。用戶可以在數據

35、顯 示窗口顯示這些信息以便進行下一步的分析。數據顯示窗口還可以顯示從其他數據源獲 取得的數據。在數據顯示窗口中用戶可以進行如下操作： 以多種圖表和格式顯示數據。 使用標記讀取曲線上特定點的數據。 使用方程式表現對數據的處理。2.5 ads仿真功能概述ads軟件具有的仿真功能主要有：直流仿真(dc simulation)>交流仿真(ac simulation)> s 參數仿真(sparamctcr simulation)、諧波平衡仿真(harmonic balance simulation ) > 電路包絡仿真(circuit envelope simulation ) s 大

36、信號 s 參數仿真 (large-signal s-parameter simulation)> 增益壓縮仿真(gain compression simulation ) 和瞬態/卷積仿真(transient/convolution simulation)等。這些仿真功能幾乎覆蓋了所有 射頻電路設計所需要的參數和指標，下面將分別對這些仿真功能進行介紹。1. 直流仿真直流仿真是所有射頻和模擬電路仿真的基礎，它能夠執行電路的拓撲檢查以及直流 工作點掃描和分析。直流仿真可以提供單點和掃頻仿真，掃頻變量與電壓或電流源值或 其他元件參數值有關。為了執行一個掃頻誤差或掃頻變量仿真，用戶可以對照掃頻參

37、數 (如溫度或供電電壓誤差)檢查電路的靜態工作點。2. 交流仿真交流仿真能獲取電路的小信號傳輸參數，如電壓增益、電流增益、線性噪聲電壓和 電流等。在設計無源電路和小信號有源電路，例如濾波辭、低噪聲放大器等時，交流仿 真十分有用。在進行電路的交流仿真前，應該先找到電路的直流工作點，然后將非線性 器件在工作點附近線性化并執行交流仿真。3. s參數仿真射頻和微波器件在輸入信號為小信號的情況下，一般被認為是工作在線性狀態，可 以看作一個線性網絡;而當輸入信號為大信號的情況時，一般被認為工作在非線性狀態, 可以看作一個非線性網絡。通常采用s參數分析線性網絡，采用諧波平衡法分析非線性 網絡。s參數是在入射

38、波和反射波之間建立的一組線形關系,在射頻和微波電路中通常用 來分析和播述網絡的輸入特性。s參數中的s11和s12反映了輸入輸出端的駐波特性, s21反映了電路的幅頻和相頻特性以及群時延特性，s12反映了電路的隔離性能。在 進行s參數仿真吋，一般將電路視為一個四端口網絡，在工作點上將電路線性化，執行 線性小信號分析，通過其特定的算法，分析出各種參數值。因此，s參數仿真可以分析 線性s參數、線性噪聲參數、傳輸阻抗（乙）以及傳輸導納（場）等。4 諧波平衡仿真諧波平衡控制器很適合仿真射頻和微波電路，它是一種仿真非線性電路和系統失真 的頻域分析方法，與高頻電路和系統仿真有關。諧波平衡提供的優于時域分析的

39、優點如 下： 直接獲取穩態頻率響應。 許多線性模型在高頻時可以很好地在頻域中描述。 頻率積分需要瞬時分析，這在很多實際應用中是禁止的。諧波平衡仿真著眼于信號頻域（frequency domain）特征，它一般用來對非線性電 路或者線形電路的非線性行為進行分析。如果調制的周期信號可以用簡單的幾個單載波 及其諧波表示出來，或者說信號的傅立葉級數展開式的形式很簡單的話，諧波平衡仿真 是一個很有效的分析工具。但是，如果分析的是諸如cdma等信號（不具備簡單的周 期信號的特點），諧波平衡仿真也就不能勝任對系統的仿真工作了。一般而言諧波平衡仿真在設計射頻放大器、混頻器和振蕩器等器件時十分有用。同 時，當設

40、計大規模射頻芯片（rfic）或射頻/中頻（rf/if）子系統時，由于存在大量的 諧波和交調成分，諧波平衡仿真必不可少。5. 電路包絡仿真電路包絡仿真器是近年來通信系統的一項標志性技術，其特點是對于任何類型的高 頻調制信號，均可分解為時域和頻域兩部分進行處理。在時域上，對相對低頻的調制信 息進行直接采樣處理；而對相對高頻的載波成分，則采用類似的電路包絡的方法，在頻 域進行處理。這樣的結合使仿真器的效率和速度都得到一個質的飛躍。因此，電路包絡 仿真是目前進行數模混合仿真和數字微波系統高頻仿真最有效率的工具之一。電路包絡仿真多用在涉及調制解調以及混合調制信號的電路和系統中。在通信系統 中，女n cd

41、ma、gsm、qpsk和qam等系統；在雷達系統中，女口 lfm波、非線 性調頻波和脈沖編碼等均可用電路包絡的方法進行仿真。由于它實際上是一種混合的頻 域/時域技術，因此能和用于射頻/基帶驗證的agilent ptolemy 一起進行協仿真。6 大信號s參數仿真大信號s參數仿真可以看作是s參數仿真的一種，不同的是s參數仿真一般只用 于小信號s參數的分析，而大信號s參數仿真則執行大信號s參數分析。因此，大信 號s參數在設計功率放大器u寸十分有用。大信號s參數仿真簡化了非線性電路中大信 號s參數的計算，它是基于對整個非線性電路的諧波平衡仿真。7 增益壓縮仿真增益壓縮仿真用于尋找用戶自定義的增益壓縮

42、點，它將理想的線性功率曲線與實際 的功率曲線的偏離點相比較。增益壓縮仿真用于計算放大器或混頻器的增益壓縮點，它 是從一個小的值開始逐步增加輸入功率，當在輸出得到需要的增益壓縮量的吋候停止執 行仿真。通過增益壓縮仿真可以使用戶在設計射頻器件時可以很方便地找出ldb或 3db壓縮點。8. 瞬態/卷積仿真瞬態和卷積仿真能夠解決一組描述電路依賴時間的電流和電壓的微積分方程，這個 分析的結果對于時間和掃描變量是非線性的。使用瞬吋/卷積仿真可以用來執行下面的 任務： spice型瞬時時域分析。 電路的菲線性瞬時分析，包括頻率損耗和線性模型的分散效應或卷積分析。其中，瞬態分析完全在使用中執行，它不能說明分布

43、式元件的頻率響應。卷積分析 在頻域描述分布式元件來說明其頻率響應。第3章 混頻器的基本理論混頻器是一個三端口器件，通常用于將不同頻率的信號相乘，以達到頻率變換的目 的。一個理想的混頻器的輸出由兩個輸入信號的和頻與差頻組成，通常情況下是以二極 管或晶體管提供的非線性為基礎。正如我們所了解的那樣，通過非線性器件可以產生多 次諧波以及輸入頻率的其他產物,最后經過濾波選取想要的頻率分量。近代通信系統中, 為了實現基帶信號和射頻信號之間的變化，通常采用幾個混頻器和濾波器。在木節中， 我們將著重討論混頻器的一些重要指標，混頻的各種結構形式，以及使用大小信號分析 法分析混頻電路。3. 1混頻器的技術指標3.

44、1.1變頻損耗混頻器的一個重要品質因數是變頻損耗，它的定義是可用射頻信號輸入功率與中頻 信號輸岀功率之比，用db表示：ic = 101g可用rf輸入功率可用if輸出功率>odb(3-1)一般混頻器的變頻損耗由三部分組成:非線性電導凈變頻損耗仏，混頻二極管管芯結損耗厶。以及電路的失配損耗厶“。(1) 非線性電導凈變頻損耗非線性電導凈變頻損耗是由于混頻過程產生的組合頻率分量所引起的能量流失，是 混頻器的固有損耗。非線性電導凈變頻損耗由非線性器件產生的各諧波能量分配關系所 決定。混頻管非線性特性，混頻電路屮各諧波端接負載匹配情況，以及本振功率大小等 都會對凈變頻損耗造成影響。當混頻電路結構和混

45、頻管固定時，本振功率的增加會降低 凈變頻損耗，但當本振功率大到一定范圍時，隨著混頻管中電流散彈噪聲的增大，會使 得混頻管噪聲系數變差。(2) 混頻二極管管芯結損耗如下圖所示，管芯的結損耗主要由串聯電阻尺和結電容q引起產生的。在混頻過程中，參與頻率變換的只有加在非線性結電阻絢上的信號功率，而心和q對©起到了 分壓和旁路作用，使得加到非線性結電阻上的信號功率被消耗掉一部分，引起了結損耗。圖3- 1混頻二極管管芯等效電路根據以上分析以及二極管等效電路可以得岀結損耗為：(3-2)lr(db) = 101g(l + r /?y) + ejcfr代從上公式可以看岀，結損耗隨著尺和c以及工作頻率增

46、加。對于混頻二極管來說, 體電阻尺和結電容q是固定的，所以要想減少二極管的管芯結損耗就需要通過選擇截 止頻率足夠高的混頻管來實現。(3) 失配損耗顧名思義，失配損耗由混頻辭射頻輸入和中頻輸出兩個端口的匹配程度引起的。一 般混頻器微波輸入端口駐波比在2以下，失配損耗典型值大約為0.5ldb。要想減小失 配損耗就必需要有良好的匹配設計，這也是混頻器設計的一個重點。3.1.2噪聲系數在混頻器中，噪聲是由二極管或者晶體管原件以及造成電阻性損耗的熱源產生的。 噪聲系數定義為輸入信噪比和輸岀信噪比的比值，實際混頻器的噪聲范圍是15db, 二極管混頻器通常可以達到的噪聲系數比晶體管混頻器的低。混頻器的噪聲取

47、決于它的 輸入是單邊帶還是雙邊帶信號。這是因為混頻器下變頻在兩個邊帶頻率處，但是單邊帶 信號功率是雙邊帶信號的一半。假設雙邊帶輸入信號為：vl)sb = acos(colo 一 o)if 并 + cos(gjo + a)lf )f(33)與本振信號混頻，通過中頻濾波器，得到中頻信號為：akakv/f = cos(69/?r) + cos(-69/?z)= ak cos(69/fz)(3-4)入信號功率為：42人22 + 2 2其中k是計算每個邊帶變頻損耗引入的常數。由(2.1.4)式子可以計算出雙邊帶輸輸出中頻信號功率為:(3-6)對于噪聲系數，輸入噪聲功率定義為m = kt,b,其中7；為2

48、90k, b是中頻信號帶寬。輸出噪聲功率等于輸入噪聲加上由混頻其附加的噪聲化鬧再除以變頻損耗(假設以混頻器的輸入作為參考):n 二 ktb + n通° £根據噪聲系數定義，可以得出雙邊帶信號的噪聲系數為: v n 2nfdsb=? = q 十弘7dsb s()nik2lckt()b按照同樣的計算方法分析，假設單邊帶輸入信號為：(3-7)(3-8)ussb(')= acos(colo (ojp )z(3-9)得到單邊帶輸入信號的噪聲系數為:(3-10)通過上式比較，可以看出單邊帶輸入信號的噪聲系數是雙邊帶的兩倍，也就是高3dbo3. 1.3隔離度隔離度的定義是一個信號

49、端口泄漏到其它端口的功率與原來功率之比。混頻器的隔 離度是指各個頻率輸入輸出端口的隔離度，包括木振信號與射頻信號的隔離度，木振信 號與中頻信號的隔離度以及射頻信號與中頻信號的隔離度。其中本振信號與射頻信號的 隔離度是比較重要的指標。尤其是在多通道接收機系統中，在本振與信號隔離度較差的 情況下，容易岀現交叉干擾3. 1.4動態范圍動態范圍是指混頻器能夠正常工作吋的輸入信號功率范圍。混頻器動態范圍的下限 通常按下式計算：= mktgf冋（3-11）其中為&混頻器變頻損耗，®為中頻放人器噪聲系數，協 為中頻寬帶，m為信 號識別系數。動態范圍上限取決于混頻器的飽和狀態對應得輸入功率。

50、當輸入信號超過飽和輸入 功率后，輸出信號幅度不再增加，交調分量電平迅速上升。混頻器的飽和輸入功率通常 指輸出ldb壓縮點功率。當輸入信號功率過大吋，將容易導致混頻器燒壞，在實際應用 中應當要嚴格設定輸入功率的范圍。3.1.5本振功率與工作點木振功率是指混頻器工作在最佳工作狀態下所需的木振功率。木振功率變化會影響 到混頻二極管工作電流，阻抗等許多技術指標的變化。一般情況下，隨著本振功率的增 大，混頻器的動態范圍也隨z變大，線性度等性能得到改善;但本振功率過大會使得混 頻管電流加大，噪聲系數會變差。毫米波本振功率的典型值一般約為1020dbmo3. 1.6工作帶寬沒有哪種微波混頻器可以工作在整個微

51、波波段，也就是說當微波混頻器在某一微波 波段有較穩定的混頻器損耗時，這個微波波段可以定性地認為是它的工作帶寬。這個帶 寬不可太小。嚴格地說，頻帶寬度是指滿足各項指標的頻率范圍。混頻器的頻帶寬度決 定于二極管的寄生參量以及組成電路的各元件的頻帶寬度。除了上述各項指標外，在各 種不同的應用場合，往往還對混頻器提出某些特殊的指標要求。例如，微波通信的接收 混頻器應在頻帶內具有一定的振幅頻率特性，雷達接收機的混頻器應具有一定的抗燒毀 能力，其他如體積、質量、結構穩定性等也必須加以考慮】。3.2混頻器的電路形式混頻器經過多年的研究和發展，其原理以及應用方而也越來越成熟，其電路形式也 是千變萬化，使用的傳

52、輸線例如波導、鰭線、微帶、懸置帶線等多種形式。混頻器的結 構按電路形式分為以下三類:單端混頻器，單平衡混頻器，雙平衡混頻器。3.2.1單端混頻器單端混頻器的結構如下圖所示，它由耦合器、匹配電路、二極管、中頻接地回路、 高頻短路塊以及低通濾波器等組成。本振信號和射頻信號從藕合器輸入，耦合器保證了 木振口和信號口有一定的隔離度。藕合辭到二極管之間有一段阻抗匹配線，保證了木振 和信號功率有效的加到二極管上。混頻二極管雖然主要呈現非線性結電阻，但實際上是 一個復阻抗，所以在匹配的過程中需要加段相移線。單端混頻器結構簡單，但其性能比較差，而且頻帶比較窄，噪聲系數比較大，靈 敏度不高。圖3- 2單端混頻器

53、3.2.2單平衡混頻器單平衡混頻器電路可以按照加到兩管子上的信號和木振的相位關系，分為可二分之 兀和反相兩種類型，它們的混頻原理相同，但電路結構不同，如下圖所示：if低通濾波器圖3-3單平衡混頻器電路結構圖：(a) 180度耦合電橋；(b) 90度耦合電橋單平衡混頻器的輸岀電流頻譜分量要比單端混頻器小很多，在強信號吋，它產生的 組合分量也較少。這種混頻器利用兩個二極管，在同樣強的輸入信號下，分到每個管子 的信號功率比單管混頻少3db,因此它的動態范圉也大一倍。此外這種平衡混頻器還有 抵消本振引入噪聲所產生的中頻噪聲的能力。平衡混頻器除了能抑制本振噪聲外，述具 有以下特點:在理想匹配情況下，全部

54、信號功率和全部木振功率都加在這兩個二極管上, 因而消除了單端混頻器中的耦合損耗。同時，在完全匹配和功分電路具有理想特性的條 件下，信號端和本振端z間理想隔離。由于信號功率分配在兩個二極管上，因此整個混 頻器的抗燒毀能力和動態范圉都增加了一倍。若考慮到本振高次諧波和信號差拍的結果，可以發現，平衡混頻器不僅能抑制本振噪聲，而且還能抑制部分寄生頻率。3. 2. 3雙平衡混碩器為了進一步改善混頻器的性能，又出現了雙平衡混頻器，結構如下圖所示。這種結 構的混頻器是由四個二極管，正負極順次相連，組成一個環路或二極管電橋，故又稱為 環形混頻器。雙平衡混頻器的信號和本振電壓加上兩個平衡一不平衡的變換器，他們次

55、 級與環形電橋相連，中頻信號從變換器次級中心抽頭引岀0if圖3-4雙平衡混頻器電路結構圖雙平衡混頻器的輸岀電流頻譜含量比單平衡混頻器少了一半。這就意味著變頻損耗 要小得多。由于雙平衡混頻器利用的是四個二極管，與單平衡相比，分配到每個二極管 的信號功率少了 3db,因此它的動態范圍比單平衡大3db。它對噪聲的抑制和單平衡混 頻器一-樣能夠抵消本振引入噪聲所產生的中頻噪聲。雙平衡混頻器與単平衡混頻器相比具有很多優點：(1) 具有抑制本振噪聲的能力。任何一個振蕩器，除了產生需要的頻率分量外，也 會產生一系列不需要的頻率，其中和本振頻率之差等于中頻的這些頻率分量經過混頻后 就成為中頻噪聲。這就是單端混

56、頻器噪聲系數大的主要原因。(2) 提高信號功率與本振功率的利用率。(3) 可以抑制寄生頻率輸出。(4) 在理想匹配條件下，平衡混頻器將信號與本振功率全部分配在管子上，因此， 混頻器的抗毀能力和動態范圍均增加一倍。(5) 容易得到寬頻帶特性。(6) 信號本振隔離度高。由于雙平衡混頻器具有信號與本振隔離度高、輸出電流頻譜寄生干擾頻率分量少、 動態范圍大、頻帶寬等優點，冃前得到廣泛的應用。第4章混頻器的設計與仿真在通信系統屮，混頻器也是一種常見的射頻電路組件，它主要用來對信號進行頻率 變換。在接收機中，一般用來對接受的射頻信號進行下變頻；在發射機中，一般用來對 中頻信號進行上變頻。4.1混頻器的原理混頻器的原理是研究混頻器，并對設計電路性能的一個基木參照，只有對混頻器原 理有一個清晰的認識才能對電路結構進行合理分析與設計，下面主要是對鏡像抑制電路 的基本原理和指標參數進行闡述和分析。4.1.1混頻器的基本原理混頻器通常被用來將不同頻率的信號相乘，以實現頻率的變換。它最基木的作用有 兩個：上變頻和下變頻。其中上變頻的作用是將中頻信號與射頻本振信號混頻成為發射 的射頻信號，通過天線發射出去；下變頻器的作用是將天線接收到的射頻信號與本地載 波信號混頻，經過濾波后得到中頻信號，并送到中頻處理模塊進行處理。圖14就是