第12章鏡像抑制混頻器的設(shè)計(jì)與仿真

第12章鏡像抑制混頻器的設(shè)計(jì)與仿真【本章重點(diǎn)】混頻器的工作原理微帶平衡混頻器設(shè)計(jì)流程鏡像抑制混頻器的仿真分析隨著微波器件與技術(shù)的快速發(fā)展，在雷達(dá)和通信等領(lǐng)域，接收系統(tǒng)普遍采用了低噪聲放大器作為前級(jí)，大大降低了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，提高了靈敏度?；祛l器對(duì)接收系統(tǒng)的影響和作用似乎越來越小，但事實(shí)并非如此。所謂鏡像信號(hào)邊帶是有用信號(hào)邊帶相對(duì)于本振信號(hào)對(duì)稱的另一個(gè)邊帶，它與本振混頻后產(chǎn)生的中頻信號(hào)與信號(hào)邊帶產(chǎn)生的中頻信號(hào)相同。當(dāng)?shù)驮肼暦糯笃黝l帶較寬，且中頻不高時(shí)，鏡像噪聲會(huì)通過混頻器進(jìn)入系統(tǒng)，造成系統(tǒng)噪聲系數(shù)惡化。此時(shí)，鏡像抑制混頻器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本章應(yīng)用ADS2009完成二極管電阻性混頻器的設(shè)計(jì)，并利用諧波平衡法對(duì)混頻器的非線性特性進(jìn)行分析，給出C波段鏡像抑制混頻器的設(shè)計(jì)樣例。第十二章鏡像抑制混頻器的設(shè)計(jì)與仿真12.1混頻器的工作原理混頻器是超外差接收機(jī)和測(cè)量?jī)x器的前端電路，與本振源結(jié)合，把信號(hào)頻率降為中頻信號(hào)，送入中頻處理電路。理想的混頻器是一個(gè)開關(guān)或乘法器，如圖12-1所示。本振激勵(lì)信號(hào)（LO，fL）和載有調(diào)制信息的接收信號(hào)（RF，fs）經(jīng)過乘法器后得到許多頻率成分的組合，經(jīng)過一個(gè)濾波器后得到中頻信號(hào)（IF，fIF）。圖12-1理想混頻器通常，RF的功率比LO的小得多，不考慮調(diào)制信號(hào)的影響，乘法器的輸出頻率為微波工程中，可能的輸出信號(hào)為三個(gè)頻率之一：差頻或超外差

諧波混頻

和頻或上變頻

最關(guān)心的是超外差頻率，絕大部分接收機(jī)都是超外差工作，采用中頻濾波器取出差頻，反射和頻，使和頻信號(hào)回到混頻器再次混頻。外差混頻器的頻譜如圖12-2所示，RF的頻率關(guān)于LO的頻率對(duì)稱點(diǎn)為RF的鏡頻。鏡頻的功率和信號(hào)的功率相同，由于鏡頻與信號(hào)的頻率很近，可以進(jìn)入信號(hào)通道而消耗在信號(hào)源內(nèi)阻。恰當(dāng)處理鏡頻，能夠改善混頻指標(biāo)。圖12-2超外差混頻器的頻譜LO控制的開關(guān)特性可以用幾種電子器件構(gòu)成，肖特基二極管在LO的正半周低阻，負(fù)半周高阻近似為開關(guān)。在FET中，改變柵源電壓的極性，漏源之間的電阻可以從幾歐姆變到幾千歐姆。在射頻或微波低端，F(xiàn)ET可以不要DC偏置，而工作于無源狀態(tài)。BJT混頻器與FET類似。根據(jù)開關(guān)器件的數(shù)量和連接方式，混頻器可以分為三種：?jiǎn)味?、單平衡、雙平衡。微波實(shí)現(xiàn)方式就是要用微波傳輸線結(jié)構(gòu)完成各耦合電路和輸出濾波器，耦合電路和輸出濾波器具有各端口的隔離作用。12.1.1微帶平衡混頻器微帶平衡混頻器結(jié)構(gòu)如圖12-3所示。其功率混合電路采用3dB分支線定向耦合器，在各端口匹配的條件下，1、2為隔離臂，1到3、4端口以及從2到3、4端口都是功率平分而相位差90°。圖12-3微帶平衡混頻器結(jié)構(gòu)設(shè)射頻信號(hào)和本振分別從隔離臂1、2端口加入時(shí)，初相位都是0°，考慮到傳輸相同的路徑不影響相對(duì)相位關(guān)系。通過定向耦合器，加到D1，D2上的信號(hào)和本振電壓分別為：D1上電壓D2上電壓信號(hào)和本振分別以相位差分配到兩只二極管上，這類混頻器稱為型平衡混頻器。由一般混頻電流的計(jì)算公式，并考慮到射頻電壓和本振電壓的相位差，可以得到D1中混頻電流為：同樣，D2中混頻電流為：當(dāng),時(shí)，利用的關(guān)系，可以求出中頻電流為：12.1.2主要技術(shù)指標(biāo)（1）變頻損耗盡管混頻器的器件工作方式是幅度非線性，但仍希望它是一個(gè)線性移頻器。變頻后輸出信號(hào)的幅度變化就是變頻損耗或增益。一般地，無源混頻器都是變頻損耗。二極管混頻器的變頻損耗包括混合網(wǎng)絡(luò)損耗(1.5dB左右)、邊帶損耗(3dB左右)、諧波損耗(1dB左右)和二極管電阻損耗(1.5dB左右)，典型值為7dB左右。在肖特基二極管電路中增加中頻匹配電路來處理諧波，可以實(shí)現(xiàn)4dB變頻損耗的混頻器。（2）噪聲系數(shù)描述信號(hào)經(jīng)過混頻器后質(zhì)量變壞的程度。定義為輸入信號(hào)的信噪比與輸出信號(hào)的信噪比的比值。這個(gè)值的大小主要取決于變頻損耗，還與電路的結(jié)構(gòu)有關(guān)。肖特基二極管的導(dǎo)通電流直接影響混頻器的白噪聲，這個(gè)白噪聲隨電路的不同而不同，在混頻器的變頻損耗上增加一個(gè)小量。如變頻損耗為6dB，白噪聲為0.413dB，則噪聲系數(shù)為6.413dB。這種增加量隨本振功率的變化不是線性的?；祛l器性能與本振功率有最佳值。（3）線性特性ldB壓縮點(diǎn)：在輸入射頻信號(hào)的某個(gè)值上，輸出中頻信號(hào)不再線性增加，而是快速趨于飽和。拐點(diǎn)與線性增加相差1dB的信號(hào)電平?；祛l器的1dB縮點(diǎn)與本振功率有關(guān)，因?yàn)榛祛l器是本振功率驅(qū)動(dòng)的非線性電阻變頻電路。對(duì)于雙平混頻器，1dB壓縮點(diǎn)比本振功率低6dB。1dB減敏點(diǎn)：描述混頻器的靈敏度遲鈍的特性，與ldB壓縮點(diǎn)有關(guān)，也是雷達(dá)近距離盲區(qū)的機(jī)理。對(duì)于雙平衡混頻器，1dB減敏點(diǎn)比1dB壓縮點(diǎn)低2~3dB。動(dòng)態(tài)范圍：最小靈敏度與1dB壓縮點(diǎn)的距離，用dB表示。通常的動(dòng)態(tài)范圍要大于60dB。動(dòng)態(tài)范圍的提高，意味著系統(tǒng)成本的增加。諧波交調(diào)：與本振和輸入信號(hào)有關(guān)的交調(diào)雜波輸出。三階交調(diào)：輸入兩個(gè)信號(hào)時(shí)的IP3，定義為1dB壓縮點(diǎn)與三階輸出功率線的距離。(4)本振功率混頻器的指標(biāo)受本振功率控制。若本振功率不夠，混頻器就達(dá)不到預(yù)定指標(biāo)。產(chǎn)品混頻器都是按功率dBm值分類的，如7dBm、10dBm、17dBm本振(LO)。(5)端口隔離由于三個(gè)端口LO、RF、IF頻率不同，互相隔離程度的指標(biāo)，dB越高越好。端口隔離與電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、器件和信號(hào)電平有關(guān)，一般要大于20dB。(6)端口VSWR三個(gè)端口的駐波比越小越好。尤其是RF口，它會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度。(7)直流極性一般地，射頻和本振同相時(shí)，混頻器的直流成分是負(fù)極性。(8)功率消耗(簡(jiǎn)稱功耗)功耗是所有電池供電設(shè)備的首要設(shè)計(jì)因素。無源混頻器消耗LO功率，而LO消耗直流功率，LO功率越大，消耗直流功率越多?；祛l器的輸出阻抗對(duì)中放的要求也會(huì)影響中放的直流功耗。12.2鏡像抑制混頻器的設(shè)計(jì)利用ADS2009設(shè)計(jì)C波段微帶鏡像抑制混頻器，分析混頻器的非線性特性?；祛l器技術(shù)指標(biāo)如下：信號(hào)頻率（RF）：3.6GHz本振頻率（LO）：3.8GHz中頻頻率（IF）：200MHz噪聲系數(shù)：15dB鏡像抑制度：15dB12.2.13dB定向耦合器設(shè)計(jì)（1）創(chuàng)建新項(xiàng)目啟動(dòng)ADS2009選擇Mainwindows菜單欄【File】→【NewProject】，按照提示選擇項(xiàng)目保存的路徑和輸入文件名點(diǎn)擊按鈕，創(chuàng)建新項(xiàng)目點(diǎn)擊，新建電路原理圖窗口，開始設(shè)計(jì)混頻器（2）在“Tlines-Microstrip”類中，選擇，并雙擊編輯屬性，其中H=0.6mm，Er=4.2，Mur=1，其他屬性可以默認(rèn)。選擇微帶傳輸線，和三端口器件按照?qǐng)D12-4連接電路圖，并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。圖12-43dB定向耦合器原理圖其中50Ω?jìng)鬏斁€的線寬w＝0.98mm，長(zhǎng)度為10.46mm。35Ω?jìng)鬏斁€的線寬為w＝1.67mm，長(zhǎng)度為10.2mm。可以利用ADS自帶工具LineCalc計(jì)算，使用方法參見11.4.1。（3）在“Simulation-S_Param”類中，選擇仿真器和“Term”

放置在原理圖中，如圖12-5所示。（4）雙擊

，修改里面的屬性，要求掃描頻率從3GHz到5GHz，掃描步長(zhǎng)為100MHZ。（5）保存電路，點(diǎn)擊

按鈕，進(jìn)行仿真。（6）在數(shù)據(jù)顯示窗口中，點(diǎn)擊

按鈕，選擇相應(yīng)端口，分析端口的耦合度及回波損耗，如圖12-6所示。圖12-53dB定向耦合器仿真電路圖

(a)輸出端口的耦合度(b)輸出端口間的相位差

(c)輸入端口的回波損耗(d)輸入端口間的隔離度圖12-6端口仿真曲線低通濾波器設(shè)計(jì)（1）在“Lumped-Components”類中，選擇電容控件，和電感控件，按照?qǐng)D12-7設(shè)計(jì)電路。圖12-7低通濾波器電路圖（2）在“Simulation-S_param”類中，選擇仿真器并設(shè)置掃描頻率從0.01GHz到5GHz，步長(zhǎng)為100MHz。（3）保存電路，點(diǎn)擊

按鈕，進(jìn)行仿真。（4）在數(shù)據(jù)顯示窗口中，點(diǎn)擊按鈕，選擇加入S21，仿真曲線如圖12-8所示。圖12-8低通濾波器仿真曲線12.2.3完整混頻器電路混頻器的完整電路圖如圖12-9所示。將其分成8個(gè)部分，下面針對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。圖12-9完整混頻器電路圖第1部分射頻信號(hào)輸入端口。在“Sources-FreqDomain”中，加入單音頻信號(hào)源

，按照?qǐng)D12-10（a）進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。第2部分本振輸入信號(hào)端口。依照第1部分的方法，進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，如圖12-10（b）所示。

(a)(b)圖12-10輸入端電路圖第3部分3dB定向耦合器。請(qǐng)參照13.2.1的設(shè)計(jì)過程。第4部分匹配電路，上下兩路對(duì)稱分布，參數(shù)設(shè)計(jì)如圖12-11所示。圖12-11匹配電路圖第5部分晶體管，其中晶體管是使用了模型。（1）在類“Devices-Diodes”中，選擇

控件，并雙擊修改屬

性，建立二極管模型，具體參數(shù)設(shè)計(jì)參考圖12-12。（2）選擇

控件，并在相應(yīng)的位置把器件放好，其中DIODE1和DIODE2都引用二極管模板“DIODEM1”。如圖12-13所示。

圖12-12二極管模型參數(shù)圖12-13晶體管電路圖第6部分輸出阻抗匹配電路，使用傳輸線阻抗匹配，參數(shù)設(shè)計(jì)如圖12-14所示。

圖12-14阻抗匹配電路圖12-15負(fù)載電路第7部分低通濾波器，具體電路參考13.2.2。第8部分負(fù)載，用“Term”來做輸出負(fù)載的，如圖12-15所示。利用菜單欄中

控件，設(shè)置“vif”來標(biāo)注與負(fù)載相連的線。該設(shè)置在以后仿真結(jié)果輸出時(shí)使用。第1部分是射頻輸入端口，端口號(hào)(Num)要設(shè)計(jì)為“1”；第2部分是本振輸入端口，端口號(hào)要設(shè)計(jì)為“3”。這是一般用HBSimulation仿真的規(guī)范要求。12.3鏡像抑制混頻器的仿真12.3.1變量設(shè)置（1）在電路原理圖窗口上，選擇

控件，雙擊修改其屬性，圖12-16所示。圖12-16VAR設(shè)置（2）在類“Optim/Stat/Yield/DOE”中，選擇控件，設(shè)置屬性為“ConvGain=dBm(mix(vif,{-1,1}))-PRF”，如圖12-17所示。圖12-17MeasEqn設(shè)置仿真器配置（1）在類“Simulation-HB”中，選擇控件和控件，先雙擊

修改其屬性，主要是把溫度改為符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)的16.85度，如圖12-18（a）所示。

(a)(b)圖12-18仿真器屬性設(shè)置（2）雙擊

控件，配置諧波平衡仿真器，具體參數(shù)如圖12-18

（b）所示。（3）保存電路，點(diǎn)擊

按鈕，進(jìn)行仿真。（4）在出現(xiàn)的數(shù)據(jù)顯示窗口中，選擇控件，并點(diǎn)擊按鈕，在對(duì)話框里面輸入“dBm(vif)”點(diǎn)擊可以顯示中頻輸出的頻譜分量，如圖12-19所示，仿真曲線如圖12-20所示。

圖12-19中頻輸出頻率設(shè)置圖12-20仿真曲線（5）選擇

控件，選擇顯示“ConvGain”數(shù)據(jù)如圖12-21所示。圖12-21ConvGain仿真曲線12.3.3噪聲系數(shù)仿真在上面仿真的基礎(chǔ)上，把仿真器修改一下可以得到噪聲系數(shù)的仿真結(jié)果。（1）雙擊

，點(diǎn)擊“Sweep”選項(xiàng)卡，修改“parametertosweep”屬性，如圖12-22所示。表示不再對(duì)本振功率“PLO”進(jìn)行掃描，其他項(xiàng)目不需要做任何改動(dòng)。（2）保存電路，點(diǎn)擊

按鈕，進(jìn)行仿真。（3）在數(shù)據(jù)顯示窗口中，選擇

控件，添加“nf(2)”，結(jié)果如圖12-23所示。

圖12-22噪音系數(shù)的仿真設(shè)置圖12-23噪聲系數(shù)的值

12.3.4噪聲系數(shù)分析在前幾節(jié)噪音仿真的基礎(chǔ)上（1）修改變量如圖12-24所示。圖12-24變量修改（2）把射頻輸入端的功率源換成“Term”，如圖12-25所示。

圖12-25Term設(shè)置（3）在“Simulation-HB”類選擇

控件，雙擊修改其屬性，如圖12-26所示，表示頻率掃描從1.0GHz到6.0GHz，步長(zhǎng)為0.1GHz。圖12-26SweepPlan設(shè)置（4）配置仿真器，如圖12-27所示。

圖12-27仿真器配置（5）保存電路，點(diǎn)擊

按鈕，進(jìn)行仿真。（6）在數(shù)據(jù)顯示窗口中，點(diǎn)擊控件，單擊按鈕彈出對(duì)話框中輸入“plot_vs(nf(2),HB_NOISE.RFfreq)”，如圖12-28所示。仿真曲線，如圖12-29所示。圖12-28噪聲系數(shù)設(shè)置圖12-29噪聲系數(shù)隨頻率變化情況圖12-29噪聲系數(shù)隨頻率變化情況12.3.5三階交調(diào)系數(shù)分析電路原理圖不變，做下面的修改（1）設(shè)置變量，如圖12-30所示。圖12-30變量設(shè)置（2）設(shè)計(jì)輸出變量，在類“Optim/Stat/Yield/DOE”里面點(diǎn)擊控件，然后雙擊編輯屬性，如圖12-31所示。圖12-31輸出變量設(shè)置（3）在類“Sources-FreqDomain”中，選擇

控件，并把該器件放在1端口，射頻輸入端口，雙擊修改其屬性，如圖12-32所示。圖12-32射頻端輸入設(shè)置（4）仿真器配置，