應用ADS軟件設計鏡像抑制混頻器

應用ADS軟件設計鏡像抑制混頻器丁武偉航空工業(yè)總公司第零一四中心，471009摘要本文論述了應用ADS軟件設計二極管電阻性混頻器的過程，應用諧波平衡法對混頻器的非線性特性進行了分析，給出了C波段鏡像抑制混頻器的設計例子。關鍵詞：二極管電阻性混頻器設計ADS軟件諧波平衡法非線性分析鏡像抑制混頻器概述近年來，隨著微波器件與技術的快速發(fā)展，在雷達和通信等領域，接收系統(tǒng)普遍采用了低噪聲放大器作為前級，大大降低了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，提高了靈敏度?；祛l器對接收系統(tǒng)的影響和作用似乎越來越小，事實并非如此。對于單邊帶系統(tǒng)，特別是中頻較低的單邊帶系統(tǒng)來講，鏡像噪聲會對噪聲帶來很大影響。所謂鏡像信號邊帶是有用信號邊帶相對于本振信號對稱的另一個邊帶，它與本振混頻后產(chǎn)生的中頻信號與信號邊帶產(chǎn)生的中頻信號相同。對于單邊帶系統(tǒng)，當?shù)驮肼暦糯笃黝l帶較寬，且中頻不高時，鏡像噪聲會通過混頻器進入系統(tǒng)，造成系統(tǒng)噪聲系數(shù)惡化。因此，在低噪聲放大器頻帶較寬，且中頻不高的單邊帶系統(tǒng)中，必須使用鏡像抑制混頻器。鏡頻抑制度表示對鏡像噪聲的抑制程度，鏡頻抑制度6定義為：GP=—G其中G信號邊帶增益G’鏡像邊帶增益則微波接收機噪聲系數(shù)與鏡頻抑制度的關系為:M(dB)=10log(1+：)M(dB)其中M(dB)M(dB)0.050.20.51.02.03.06(dB)19.3613.279.145.872.330微波接收機噪聲系數(shù)的惡化量表1為鏡頻抑制度與噪聲系數(shù)惡化量的數(shù)據(jù)表1鏡像抑制混頻器設計1鏡像抑制混頻器的主要技術指標信號頻率3.6GHz本振頻率3.8GHz中頻頻率200MHz噪聲系數(shù)15dB鏡像抑制度15dB2鏡像抑制混頻器的組成鏡像抑制混頻器電原理圖如圖1。圖1由圖1可知鏡像抑制混頻器由兩個平衡混頻器、一個射頻正交耦合器、一個中頻正交耦合器和一個同相功率分配器組成。3平衡混頻器設計我們采用移相90°的平衡混頻器，它由這幾部分組成：3dB支節(jié)耦合器混頻二極管阻抗匹配網(wǎng)絡射頻短路線和中頻濾波器。用ADS軟件的S參數(shù)仿真功能很容易設計出幅度和相位滿足要求的3dB支節(jié)耦合器。電路仿真原理圖如圖2,仿真結(jié)果如圖3。MS i.j bSPARAMETERSW=098mnL=1Q46nmTarnTenrflNum=3TwinTerrnlNi>n=4Z=50OmMSUBM汕1H=Q.5nmEr=4J2IIIi>=1Cond=41&7Hu=15nmT=0.005mnTaD=a0003Roc^h=0.0001rrmWI=Q98rrm1.67runW3=0_98rrmW=1.6rrrmL=1Q2innW1^1.67rrmMS i.j bSPARAMETERSW=098mnL=1Q46nmTarnTenrflNum=3TwinTerrnlNi>n=4Z=50OmMSUBM汕1H=Q.5nmEr=4J2IIIi>=1Cond=41&7Hu=15nmT=0.005mnTaD=a0003Roc^h=0.0001rrmWI=Q98rrm1.67runW3=0_98rrmW=1.6rrrmL=1Q2innW1^1.67rrmVC=0_98rrmW3=0.98nrnTtaiiilNun=1MUNMUNMTCEMlIN1L4Tee51L10Tee4119Sli>st="MSil)rStiKt=lulSd>rW=098mnWl=1.67nmW=1.67nmW1=0.98rrmW=098rrmL=Z5ifmV^=0L98nmL=1GL2nmW2=1.67rrmL=Z5ifmYV3=0L98rnnW3二098rrmH^OK(LesanpH^K(T^^anpkp-^OK(T^^anpkp-^K(r^&anp輸出端口的耦合度輸出端口間的相位差輸入端口的回波損耗同樣，用ADS軟件的S參數(shù)仿真功能，輸入端口間的隔離度圖3可以設計出滿足要求的中頻濾波器。這里采用低通濾波器的形式，電路仿真原理圖如圖4,仿真結(jié)果如圖5。parameters]SF^ramSP1Start=O.O1GHzStop=4GHzStep=O.O1GHzL=7.07nHR=TermTermlNum=1Z=50OhmcG0XTI=_-40parameters]SF^ramSP1Start=O.O1GHzStop=4GHzStep=O.O1GHzL=7.07nHR=TermTermlNum=1Z=50OhmcG0XTI=_-40-500.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0ooooo1123---^^GimJUOfreq,GHz圖5混頻器設計的關鍵是混頻二極管非線性模型參數(shù)的準確性。這里我們采用文獻[1]中的模型參數(shù)，如圖6。DiodeModelDIODEM1ls=5.0e-9ARs=6.0OhmN=1.O2Tt=OsecCjo=0.2pFVj=0.8VM=O.5Eg=lmax=Xti=Kf=Af=Fc=Bv=1OVlbv=1O1uAlsr=lkf=Nbv=lbvl=Nbvl=Tnom—Ffe=AIIParams=平衡混頻器的電路圖如圖7。利用ADS軟件的諧波平衡分析功能可以對混頻器的各種非線性特性進行分析。首先，諧波平衡法可以獲得中頻輸出的頻譜成分，并可進行非線性的噪聲分析；其次，還可以進行各種參數(shù)的掃描分析。分析結(jié)果如圖8至圖14所示。mlfreq=200.0MHzdBm(vif)=-27.119圖8中頻輸出頻譜ssnrnoisrevnocssnrnoisrevnoc圖9混頻器變頻損耗隨本振功率的變化noisefreqnf⑵200.0MHz12.222圖10混頻器噪聲系數(shù)mlHB_NOISE.F_RF=3.600E9noisefreq=3.600GHznf(2)=12.222HB_NOISE.F_RF圖11混頻器噪聲系數(shù)隨工作頻率的變化PRF圖12混頻器變頻損耗的1dB壓縮點

圖13混頻器雙音三階交調(diào)分量圖14混頻器三階交調(diào)分量隨本振功率的變化4鏡像抑制混頻器的仿真分析鏡像抑制混頻器的仿真原理圖如圖15。

M'：5ubHARMON1CBALANCE|DPT1DNSU21IR1kmfNmii:lkdanciid俗t'ionsM'：5ubHARMON1CBALANCE|DPT1DNSU21IR1kmfNmii:lkdanciid俗t'ionsPWR5S21MJ.701S31=0.701IP^flloaificsPORT2Num=2Z=50OhmP^^dmtowFL^.O)Frcq=38GHzhBublH=0.5mmEi^42Mii=1CondM.1E-?7Hu=15mmT=fl005mmTaii)=00003Roudi=0.0001mm<3pt"i□n317G?mp=1B.B51o<iIoqyCheck=yca1=1w3I=1b-6帥門rninmsMci：i：,ii!arn1ng5=I'3圖15利用ADS軟件的諧波平衡分析功能和參數(shù)調(diào)諧功能，通過調(diào)節(jié)中頻移相器的相位，可以找出鏡像抑制混頻器的最佳的抑制度。鏡像抑制度的仿真結(jié)果見圖16至圖21。mlfreq=200.0MHzdBm(vif)=-20.647m2freq=1.000E6dBm(vif)=-17.094deltamodeONfreq,MHz圖16鏡像抑制混頻器的鏡像抑制度2018162018161412108 10 12 14 16 18 20HB_NOISE.PLO圖17鏡像抑制混頻器噪聲系數(shù)隨本振功率的變化m1HB_NOISE.F_RF=3.600E9noisefreq=3.600GHznf(3)=12.962HB_NOISE.F_RF圖18鏡像抑制混頻器噪聲系數(shù)隨信號頻率的變化m1PLO=15.000圖19鏡像抑制混頻器中頻輸出隨本振功率的變化

ml m2PLO=15.000 PLO=15.000ml m2PLO=15.000 PLO=15.000dBm(vif[::,1])=-29.349dBm(mixer90deg..vif[::,1])=-26.092i-M-vmmp,.)？圖20平衡混頻器和鏡像抑制混頻器中頻輸出隨本振功率的變化圖21鏡像抑制混頻器中頻輸出波形從仿真結(jié)果可以看出，鏡像抑制混頻器的鏡像抑制度可達17dB，噪聲系數(shù)13dB，滿足指標要求。從噪聲系數(shù)來看，鏡像抑制混頻器比平衡混頻器惡化了1dB左右，而鏡像抑制混頻器的變頻損耗比平衡混頻器的增加了3dB左右，因此，鏡像抑制混頻器的動態(tài)范圍增加了?？偨Y(jié)ADS軟件為我們提供了很好的非線性仿真功能，使我們能夠?qū)祛l器這樣的非線性電路進行分析設計，本文提供了一個完整的二極管電阻性混頻器的設計例子，通過這一設計，我們可以看到微波電路與系統(tǒng)的設計已越來越離