ADS射頻電路課程教學(xué)設(shè)計(jì)混頻器設(shè)計(jì)與仿真

1、混頻器的設(shè)計(jì)與仿真混頻器的設(shè)計(jì)與仿真學(xué)生姓名: 學(xué) 院: 專 業(yè): 指導(dǎo)老師: 學(xué) 號(hào):日期:2011年12月20 日一、射頻電路與 ADS 概述1、射頻電路概述2 、ADS 概述二、混頻器的設(shè)計(jì)1.混頻器的基本原理2 、混頻器的技術(shù)指標(biāo)三、混頻器的設(shè)計(jì)1、3 DB 定向耦合器的設(shè)計(jì)1.1、建立工程1.2、搭建電路原理圖1.3、設(shè)置微帶線參數(shù)1.4、耦合器的 S 參數(shù)仿真2、完整混頻器電路設(shè)計(jì)3、低通濾波器的設(shè)計(jì)四、混頻器性能仿真1 、混頻器功能仿真1.1、仿真原理圖的建立1.2 功能仿真.3.3.9.9.9.9.10111217.2.錯(cuò). 誤 !未定義書簽。23232325282、本振功率的

2、選擇273、混頻器的三階交調(diào)點(diǎn)分析3.1、三階交調(diào)點(diǎn)的測(cè)量283.2、三階交調(diào)點(diǎn)與本振功率的關(guān)系314、混頻器的輸入駐波比仿真31五、設(shè)計(jì)總結(jié)331、射頻電路與ADS概述射頻電路概述射頻是指超高頻率的無線電波，對(duì)于工作頻率較高的電路，人們經(jīng)常稱為“高頻電路”或“射頻(RF)電路”或“微波電路”等等。工程上通常是指工作頻段的波長(zhǎng)在10m1mm或頻率在 30MHz300GHz 之間的電路。此外，有時(shí)還含有亞毫米波(1mm0.1mm 或300GHz 3000GHz )等3 108(m/s)f f(Hz)一方面，隨著頻率升高到射頻頻段，通常在分析 DC 和低頻電路時(shí)樂于采 用的基爾霍夫定律、歐姆定律以

3、及電壓電流的分析工具，已不精確或不再適用。 分布參數(shù)的影響不容忽略。 另一方面， 純正采用電磁場(chǎng)理論方法， 盡管可以很好 的全波分析和計(jì)及分布參數(shù)等的影響，但很難觸及高頻放大器、 VCO 、混頻器 等實(shí)用內(nèi)容。所以，射頻電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用已成為信息技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。2、ADS 概述ADS 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化( EDA 軟件全稱為 Advanced Design System ，是 美國(guó)安捷倫( Agilent )公司所生產(chǎn)擁有的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件； ADS 功能十分 強(qiáng)大，包含時(shí)域電路仿真 (SPICE-like Simulation) 、頻域電路仿真 (Harmonic Balance 、Li

4、near Analysis) 、三維電磁仿真 (EM Simulation) 、通信系統(tǒng)仿真 (Commu ni cation System Simulatio n)和數(shù)字信號(hào)處理仿真設(shè)計(jì)(DSP);支持射頻和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師開發(fā)所有類型的RF設(shè)計(jì)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從離散的射頻/微波模塊到用于通信和航天 /國(guó)防的集成 MMIC ，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)各大學(xué)和研究所 使用最多的微波 /射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件軟件。2.1 ADS 的仿真設(shè)計(jì)方法ADS 軟件可以提供電路設(shè)計(jì)者進(jìn)行模擬、 射頻與微波等電路和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 其提供的仿真分析方法大致可以分為： 時(shí)域仿真、 頻域仿真、系統(tǒng)仿真和電磁仿 真; ADS

5、仿真分析方法具體介紹如下：2.1.1 高頻 SPICE 分析和卷積分析( Convolution )jitter 。高頻 SPICE 分析方法提供如 SPICE 仿真器般的瞬態(tài)分析， 可分析線性與非線 性電路的瞬態(tài)效應(yīng)。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，可于高頻 SPICE 仿真器中直接使用，因?yàn)樵诜抡鏁r(shí)可于高頻 SPICE 仿真器會(huì)將頻域分析模型進(jìn)行拉式變換后進(jìn)行瞬態(tài)分析， 而不需要使用者 將該模型轉(zhuǎn)化為等效 RLC 電路。因此高頻 SPICE 除了可以做低頻電路的瞬態(tài)分 析，也可以分析高頻電路的瞬態(tài)響應(yīng)。此外高頻 SPICE 也提供瞬態(tài)噪聲分析的 功

6、能，可以用來仿真電路的瞬態(tài)噪聲，如振蕩器或鎖相環(huán)的卷積分析方法為架構(gòu)在 SPICE 高頻仿真器上的高級(jí)時(shí)域分析方法，藉由卷積 分析可以更加準(zhǔn)確的用時(shí)域的方法分析于頻率相關(guān)的元件， 如以 S 參數(shù)定義的元 件、傳輸線、微帶線等。2.1.2 線性分析 線性分析為頻域的電路仿真分析方法，可以將線性或非線性的射頻與微波電 路做線性分析。 當(dāng)進(jìn)行線性分析時(shí)， 軟件會(huì)先針對(duì)電路中每個(gè)元件計(jì)算所需的線 性參數(shù)，如S、Z、丫和H參數(shù)、電路阻抗、噪聲、反射系數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)、增益 或損耗等(若為非線性元件則計(jì)算其工作點(diǎn)之線性參數(shù)) ，在進(jìn)行整個(gè)電路的分 析、仿真。2.1.3 諧波平衡分析 ( Harmonic Ba

7、lance) 諧波平衡分析提供頻域、穩(wěn)態(tài)、大信號(hào)的電路分析仿真方法，可以用來分析 具有多頻輸入信號(hào)的非線性電路， 得到非線性的電路響應(yīng)， 如噪聲、功率壓縮點(diǎn)、 諧波失真等。與時(shí)域的SP ICE仿真分析相比較，諧波平衡對(duì)于非線性的電路分 析，可以提供一個(gè)比較快速有效的分析方法。諧波平衡分析方法的出現(xiàn)填補(bǔ)了 SPICE的瞬態(tài)響應(yīng)分析與線性S參數(shù)分析對(duì) 具有多頻輸入信號(hào)的非線性電路仿真上的不足。尤其在現(xiàn)今的高頻通信系統(tǒng)中， 大多包含了混頻電路結(jié)構(gòu)， 使得諧波平衡分析方法的使用更加頻繁， 也越趨重要。 另外針對(duì)高度非線性電路，如鎖相環(huán)中的分頻器， ADS 也提供了瞬態(tài)輔助諧波 平衡(Tra nsie

8、nt Assista nt HB)的仿真方法，在電路分析時(shí)先執(zhí)行瞬態(tài)分析，并 將此瞬態(tài)分析的結(jié)果作為諧波平衡分析時(shí)的初始條件進(jìn)行電路仿真， 藉由此種方 法可以有效地解決在高度非線性的電路分析時(shí)會(huì)發(fā)生的不收斂情況。2.1.4 電路包絡(luò)分析( Circuit Envelope ) 電路包絡(luò)分析包含了時(shí)域與頻域的分析方法，可以使用于包含調(diào)頻信號(hào)的電 路或通信系統(tǒng)中。電路包絡(luò)分析借鑒了 SPICE 與諧波平衡兩種仿真方法的優(yōu)點(diǎn)， 將較低頻的調(diào)頻信號(hào)用時(shí)域 SPICE 仿真方法來分析，而較高頻的載波信號(hào)則以 頻域的諧波平衡仿真方法進(jìn)行分析2.1.5 射頻系統(tǒng)分析射頻系統(tǒng)分析方法提供使用者模擬評(píng)估系統(tǒng)特性

9、，其中系統(tǒng)的電路模型除可 以使用行為級(jí)模型外， 也可以使用元件電路模型進(jìn)行習(xí)用響應(yīng)驗(yàn)證。 射頻系統(tǒng)仿 真分析包含了上述的線性分析、 諧波平衡分析和電路包絡(luò)分析， 分別用來驗(yàn)證射 頻系統(tǒng)的無源元件與線性化系統(tǒng)模型特性、 非線性系統(tǒng)模型特性、 具有數(shù)字調(diào)頻 信號(hào)的系統(tǒng)特性。2.1.6 拖勒密分析( Ptolemy ) 拖勒密分析方法具有可以仿真同時(shí)具有數(shù)字信號(hào)與模擬、高頻信號(hào)的混合模 式系統(tǒng)能力。ADS中分別提供了數(shù)字元件模型(如FIR濾波器、IIR濾波器，AND 邏輯門、OR邏輯門等)、通信系統(tǒng)元件模型(如QAM調(diào)頻解調(diào)器、Raised Cosine 濾波器等)及模擬高頻元件模型(如 IQ 編碼

10、器、切比雪夫?yàn)V波器、混頻器等) 可供使用。2.1.7 電磁仿真分析 (Momentum)ADS 軟件提供了一個(gè) 2.5D 的平面電磁仿真分析功能 Momentum ( ADS2005A 版本 Momentum 已經(jīng)升級(jí)為 3D 電磁仿真器)，可以用來仿真 微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)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(yīng)。所分析的 S 參數(shù)結(jié)果可直接使用于些波平衡和電路包絡(luò)等電路分 析中，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。在 Momentum 電磁分析中提供兩種分析模式： Momentum 微波模式即 Momentum 和 Momentum 射頻模式即 Momentum RF;使用者可以根

11、據(jù)電路的工作頻段和尺寸判斷、選擇使用。2.2 ADS 的設(shè)計(jì)輔助功能ADS 軟件除了上述的仿真分析功能外，還包含其他設(shè)計(jì)輔助功能以增加使用 者使用上的方便性與提高電路設(shè)計(jì)效率。 ADS 所提供的輔助設(shè)計(jì)功能簡(jiǎn)介如下：2.2.1 設(shè)計(jì)指南( Design Guide )設(shè)計(jì)指南是藉由范例與指令的說明示范電路設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程，使用者可以經(jīng) 由這些范例與指令，學(xué)習(xí)如何利用 ADS 軟件高效地進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。目前 ADS 所提供的設(shè)計(jì)指南包括： WLAN 設(shè)計(jì)指南、 Bluetooth 設(shè)計(jì)指南、 CDMA2000 設(shè)計(jì)指南、 RF System 設(shè)計(jì)指南、 Mixer 設(shè)計(jì)指南、 Oscillator

12、設(shè) 計(jì)指南、 Passive Circuits 設(shè)計(jì)指南、 Phased Locked Loop 設(shè)計(jì)指南、 Amplifier 設(shè)計(jì)指南、 Filter 設(shè)計(jì)指南等。除了使用 ADS 軟件自帶的設(shè)計(jì)指南外，使用者 也可以通過軟件中的 DesignGuide Developer Studio 建立自己的設(shè)計(jì)指南。2.2.2 仿真向?qū)? Simulation Wizard )仿真向?qū)峁?step-by-step 的設(shè)定界面供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行電路分析與設(shè)計(jì)， 使 用者可以藉由圖形化界面設(shè)定所需驗(yàn)證的電路響應(yīng)。ADS 提供的仿真向?qū)Оǎ涸匦? Device Characterization )、

13、放大器(Amplifier )、混頻器( Mixer )和線性電路( Linear Circuit )。2.2.3 仿真與結(jié)果顯示模板( Simulation & Data Display Template ) 為了增加仿真分析的方便性， ADS 軟件提供了仿真模板功能，讓使用者可以 將經(jīng)常重復(fù)使用的仿真設(shè)定(如仿真控制器、電壓電流源、變量參數(shù)設(shè)定等)制 定成一個(gè)模板， 直接使用， 避免了重復(fù)設(shè)定所需的時(shí)間和步驟。 結(jié)果顯示模板也具有相同的功能，使用者可以將經(jīng)常使用的繪圖或列表格式制作成模板以減少重 復(fù)設(shè)定所需的時(shí)間。除了使用者自行建立外， ADS 軟件也提供了標(biāo)準(zhǔn)的仿真與 結(jié)果顯示模

14、板可供使用。2.2.3 電子筆記本( Electronic Notebook )電子筆記本可以讓使用者將所設(shè)計(jì)電路與仿真結(jié)果，加入文字?jǐn)⑹觯瞥梢?份網(wǎng)頁式的報(bào)告。由電子筆記本所制成的報(bào)告，不需執(zhí)行 ADS 軟件即可以在瀏 覽器上瀏覽。2.3 ADS 與其他 EDA 軟件和測(cè)試設(shè)備間的連接ADS 軟件與其他設(shè)計(jì)驗(yàn)由于現(xiàn)今復(fù)雜龐大的的電路設(shè)計(jì)，每個(gè)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 中均扮演著螺絲釘?shù)慕巧?因此軟件與軟件之間、 軟件與硬件之間、 軟件與元件 廠商之間的溝通與連接也成為設(shè)計(jì)中不容忽視的一環(huán)。 證軟件、硬件的連接簡(jiǎn)介如下：)PSP ICE、HSP ICE 及2.3.1 SPICE 電

15、路轉(zhuǎn)換器(SPICE Netlist TranslatorSPICE電路轉(zhuǎn)換器可以將由Cade nee、Sp ectre、Berkeley SPICE 所產(chǎn)生的電路圖轉(zhuǎn)換成 ADS 使用的格式進(jìn)行仿真分析、 另外也 可以將由ADS產(chǎn)生的電路轉(zhuǎn)出成SPICE格式的電路，做布局與電路結(jié)構(gòu)檢查( LVS， Layout Versus Schematic Checking )與布局寄生抽取( LayoutParasitic Extraction )等驗(yàn)證。2.3.2 電路與布局文件格式轉(zhuǎn)換器( IFF Schematic and Layout Translator ) 電路與布局格式轉(zhuǎn)換器提供使用者與

16、其他EDA軟件連接溝通的橋梁，藉由此轉(zhuǎn)換器可以將不同 EDA 軟件所產(chǎn)生的文件，轉(zhuǎn)換成 ADS 可以使用的文件格式。2.3.3 布局轉(zhuǎn)換器( Artwork Translator )布局式轉(zhuǎn)換器提供使用者將由其他 CAD或EDA軟件所產(chǎn)生的布局文件導(dǎo)入ADS軟件編輯使用，可以轉(zhuǎn)換的格式包括IDES、GDSII、DXF、與Gerber等格式。234 SPICE 模型產(chǎn)生器(SPICE Model Generator )SPICE模型產(chǎn)生器可以將由頻域分析得到的或是由測(cè)量?jī)x器得到的S參數(shù)轉(zhuǎn)換為SPICE可以使用的格式，以彌補(bǔ)SPICE仿真軟件無法使用測(cè)量或仿真所得 到的S參數(shù)資料的不足。2.3.5

17、 設(shè)計(jì)工具箱( Design Kit )對(duì)于 IC 設(shè)計(jì)來說， EDA 軟件除了需要提供準(zhǔn)確快速的仿真方法外，與半導(dǎo) 體廠商的元件模型間的連接更是不可或缺的，設(shè)計(jì)工具箱便是扮演了 ADS 軟件 與廠商元件模型間溝通的重要角色。 ADS 軟件可以藉由設(shè)計(jì)工具箱將半導(dǎo)體廠 商的元件模型讀入，供使用者進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)、仿真與分析。2.3.6 儀器連接器儀器連接器提供了 ADS 軟件與測(cè)量?jī)x器連接的功能， 使用者可以通過儀器伺 服器將網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量得到的資料或 SnP格式的文件導(dǎo)入ADS軟件中進(jìn)行仿真 分析，也可以將軟件仿真所得的結(jié)果輸出到儀器(如信號(hào)發(fā)生器)，作為待測(cè)元 件的測(cè)試信號(hào)。混頻器的原理在無

18、線通信系統(tǒng)中， 混頻器也是一種常見的射頻電路組件， 它主要用來對(duì)信號(hào) 進(jìn)行頻率變換。 在接收機(jī)中， 一般用來對(duì)接收機(jī)的射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻； 在發(fā)射 機(jī)中，一般用來對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行上變頻。 下面將設(shè)計(jì)一個(gè)鏡像抑制混頻器， 并 對(duì) 他的參數(shù)進(jìn)行仿真。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(hào)相乘， 以實(shí)現(xiàn)頻率的變換。 它最基本的 作用有兩個(gè)：上變頻和下變頻。 其中上變頻的作用是將中頻信號(hào)與本振信號(hào)混頻 成為發(fā)射的射頻信號(hào)， 通過天線發(fā)射出去； 下變頻器的作用是將天線接收到的射 頻信號(hào)與本地載波信號(hào)混頻， 經(jīng)過濾波后得到中頻信號(hào)， 并送到中頻處理模塊進(jìn) 行處理。圖 1就是一個(gè)平衡混頻器的電離

19、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 。射頻輸入本振輸入3濾波器中頻輸岀A匹配網(wǎng)絡(luò)圖1鏡像抑制混頻器的原理假設(shè)射頻信號(hào)和本振信號(hào)分別從隔離臂 1、2端口加入時(shí), 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, 上的信號(hào)和本振電壓分別為由式1到式4表示：初相位都是0。,力卩至U VD1 , VD2Vs1Vscos( st/2)(1)VL1Vl cos( Lt/2)(2)Vs2Vs cos(st)(3)Vl2Vl cos( Lt/2)(4)可見,射頻信號(hào)和本振信號(hào)都分別以n/2相位差分配到兩只二極管上,類混頻器稱為n /2型平衡混頻器。 壓和本振電壓的

20、相位差，可以得到故這由一般混頻電流的計(jì)算公式，并考慮到射頻電D1中混頻電流為:i1(t)n,m|n,mex pjm( stjn( Lt )同樣D2中的混頻電流為:i2(t)n,mI n, mexpjm( st)jn(Lt/2)當(dāng)m= ±1 , n= ±1時(shí)，禾I用式（7）的關(guān)系，可以求出中頻電流如式（8）所示。I 1, 1 I 1, 1(8)iIF 4|I 1, 1|cos( sL)t/2這樣就可以看出，輸出的中頻信號(hào)的頻率是輸入的射頻信號(hào)的頻率與本振信號(hào)的頻率之差，從而達(dá)到了混頻的目的。2、混頻器的技術(shù)指標(biāo)混頻器主要的技術(shù)指標(biāo)如下：(1) 、噪聲系數(shù)和等效相位噪聲：它描述

21、了混頻器的噪聲特性，有兩種表現(xiàn) 形式，分別為單邊帶噪音系數(shù)和雙邊帶噪音系數(shù)。(2、變頻增益：雖然混頻器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率不同，但仍然可以利用輸出信號(hào)功率與輸入信號(hào)功率之比來表示混頻器的增益。(3) 、動(dòng)態(tài)范圍：混頻器的動(dòng)態(tài)范圍是指它正常工作時(shí)的輸入信號(hào)的功率范 圍，超過這個(gè)范圍將對(duì)信號(hào)的增益和頻率成分產(chǎn)生影響。(4) 、雙頻三階交調(diào)與線性度。(5) 、工作頻率：混頻器的工作頻率是指輸入或輸出射頻信號(hào)的頻率。(6 )、隔離度：隔離度一般是指混頻器射頻信號(hào)輸入端口與本振信號(hào)輸入端 口之間的隔離特性。(7)、本振功率：本振功率是指完成混頻功能需要輸入本振信號(hào)的功率。三、混頻器的設(shè)計(jì)圖1所示的

22、混頻器電路主要由3 dB定向耦合器、匹配電路和晶體管組成。1、3dB定向耦合器的設(shè)計(jì)1.1、建立工程(1、運(yùn)行ADS，彈出ADS的主窗口。(2、選擇【File】一【New Project】命令，打開“ New Project ”(新 建工程)對(duì)話框，可以看見對(duì)話框中已經(jīng)存在了默認(rèn)的工作路徑“c:usersdefault ”，在路徑的末尾輸入工程名為：mixer，并且在【ProjectTechno logy Files 】欄中選擇“ ADS Stan dard:Le ngth unil millimeter ”，即工 程中的默認(rèn)長(zhǎng)度單位為毫米，如圖2示。01 New ProjectlliJirc

23、;i4icr5dcf aiiltHrojcct T=chncloLy tilcd lAI.E St:LLidarc.: Lctwth -jmt-nilli亡咗 DslaiLs. - I CttlJLTlMa I圖2新建mixer工程(3) 、單擊【0K】按鈕，完成新建工程，同時(shí)打開原理圖設(shè)計(jì)窗口。1.2、搭建電路原理圖(1 )、選擇【File】New Design】命令，在工程中新建一個(gè)原理圖。(2) 、在新建設(shè)計(jì)窗口中給新建的原理圖命名，這里命名為3dB_couple，并單擊工具欄中的【Save】按鈕保存設(shè)計(jì)。(3) 、在原理圖設(shè)計(jì)窗口的元件面板列表中選擇“ TLi nes-Microstr

24、ip ”元 件面板，并從元件面板中選擇 3個(gè)MLIN和2個(gè)MTEE插入到原理圖中。(4) 、調(diào)整它們的放置方式，并按照?qǐng)D 3所示的形式連接起來，組成定向 耦合器的一條支路。(5) 、從“TLines-Microstrip ”元件面板中再選擇 3個(gè)MLIN和2個(gè)MTEE插入到原理圖中。MTEE_ADST«2 SubrsWFSubT W1-1 67 mm W2-0.98 mmWSO.Samm11L1Subst-MSutjrW=O.0B mmL=2.5 mmU1HE ADS5u =-MSubr W1=09e mm W2=1.67 mm WVAOa mmULM2W= 1,67 mmL=W.2

25、 mm1 HMUN1L3Subst-'MSubrW=0.9B mmLf2.5 mm5所示。圖3定向耦合器的一條支路(6)、按照?qǐng)D4所示的方式連接剛剛插入的微帶線，形成定向耦合器的另外一條支路，可以看出這兩條支路是對(duì)稱的。(7)、從“TLines-Microstrip”元件面板中再選擇2個(gè)MLIN插入到原理圖中，作為連接兩個(gè)支路的微帶線，并將兩條支路連接起來，如圖HIMLHTL4Sub8t=*MSir W=0 06 mm L=2l& mmhnHE_ADSTeW1 = 1.67 mm W2=0.9S nun WAD一歸 mmUUMTL5Sgst=*M&MrrW=1 07 m

26、mL=10.2 mmWTEE_ACIGTw4Sutet 二"M 呂W1=0.9e mmW2=1.67 mmW3=0.fle mmMLMTL6W=O9e mmL=2l£ mm圖4定向耦合器的另一條支路MTEE ZDSW1-O tw fnmW2=1 Of fnmW3«o <bn mriiTiM*2T1_-Ml HTl 1W O.1J3 mrnmmMIH71 ?W 1 -ftT nim1-10.2 mmW1 >1 BT rrimmmmmUl INn 3Subftl-'HSlJbl-WO.MJ nimImmMl MTl 7vw-dmntL-10,40

27、rnmUI_IHILH毎皿賈iwu卻Mbi"wwu.lMH rnmI 4f mmMIEt14Hi3Sut?ut-M3utJl" W1-1 .ez mm W7-n.3« BE W3=O,9吐 mmMUNTHw-o oa mmmmMLHMn_5W“了 mmmmC_HMTCE_AUlt lool3utKt-"M SutrrW1-O gus mmW?-l 6f ffirnWAG 犧 mriiML釈Ito知 uosgw 導(dǎo) ub*"mmI 5 mm圖5兩條支路的連接(8)、這樣，耦合器的電路結(jié)構(gòu)就完成了,比較圖5和圖1,可以發(fā)現(xiàn)混頻器中耦合器部分與剛剛搭

28、建的耦合器電路結(jié)構(gòu)是相同的。1.3、設(shè)置微帶線參數(shù)通過前面微帶電路設(shè)計(jì)的知識(shí)可以知道,對(duì)于微帶線電路，有兩種參數(shù)：尺寸參數(shù)和電氣參數(shù),F面就分別對(duì)這兩種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,具體過程如下。(1)、從“TLines-Microstrip ”元件面板列表中選擇一個(gè)微帶線參數(shù)設(shè)置控件MSUB，插入到原理圖中。M8ubMSUBM5ub1H=0.5 mmEr=4.2Cond=4JE+7H 11=15 mm1=0.005 mmRoGgh=0.0001l mmTanD=0 0003(2) 、雙擊MSUB控件，按照下面內(nèi)容進(jìn)行參數(shù)設(shè)置:H=0.5mm，表示微帶線所在的基板的厚度為 0.5mm 。Er=4.2，表示微帶

29、線的相對(duì)介電常數(shù)為4.2。Mur=1，表示微帶線的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。Cond=4.1E+7，表示微帶線的電導(dǎo)率為 4.1E+7。Hu=15mm，表示微帶線的圭寸裝高度為 15mm。T=0.005mm，表示微帶線的金屬層厚度近似為 0.005mm。0.0001mm 。TanD=0.0003，表示微帶線的損耗角正切為 0.0003。Rough=0.0001mm ，表示微帶線的表面粗糙度為完成設(shè)置的MSUB控件如圖6所示?？丶瓿稍O(shè)置的MSub、TL2、TL5的尺寸參數(shù)為:它的寬度W可【LineCalc 】(3) 、耦合器兩邊的引出線應(yīng)是特性阻抗為 50歐姆的微帶線， 由微帶線計(jì)算工具得到，具體方法是

30、在菜單欄中選擇【 Tools】【Start Lin ecalc】命令，在窗口中輸入與 MSUB控件中相同的內(nèi)容。(4) 、在 Electrical 中輸入 Z0=50、E_Eff=90。，單擊【Synthesize 】按鈕，進(jìn)行W、L與Z0、E_Eff間的相互換算，最后得到微帶線的線寬為 0.98mm，長(zhǎng) 度為10.46mm (四分之一波長(zhǎng))。(5) 、在 Electrical 中輸入 Z0=35、E_Eff=90。，單擊【Synthesize 】按鈕，進(jìn)行W、L與Z0、E_Eff間的相互換算，最后得到微帶線的線寬為 1.67mm，長(zhǎng) 度為10.2mm (四分之一波長(zhǎng))。(6)、按照下面的內(nèi)容

31、設(shè)置耦合器重各段微帶線的尺寸參數(shù)。、TL1、TL3、TL4、TL6的尺寸參數(shù)為:W=0.98mm ，表示微帶線寬度為 0.98mm。L=2.5mm，表示微帶線的線長(zhǎng)為 2.5mm。W=1.67mm ，表示微帶線寬度為1.67mm。L=10.2mm，表示微帶線的線長(zhǎng)為10.2mm。、 Teel、 Tee4 的尺寸參數(shù)為：W1=0.98mm，表示 T 型微帶線接口1 的線寬為0.98mm 。W2=1.67mm，表示 T 型微帶線接口2 的線寬為1.67mm 。W3=0.98mm，表示 T 型微帶線接口3 的線寬為0.98mm 。、 Tee2、Tee3 的尺寸參數(shù)為：W1=1.67mm，表示 T 型

32、微帶線接口1 的線寬為1.67mm 。W2=0.98mm，表示 T 型微帶線接口2 的線寬為0.98mm 。W3=0.98mm，表示 T 型微帶線接口3 的線寬為0.98mm 。完成了電氣參數(shù)和尺寸參數(shù)設(shè)置的電路原理圖如圖7 所示。（7）、完成了微帶線電路參數(shù)的設(shè)置后，下面就對(duì)這個(gè)電路進(jìn)行S參數(shù)仿真。1.4、耦合器的 S 參數(shù)仿真對(duì)耦合器的S參數(shù)仿真主要是為了觀察端口 1 , 2和端口 3 , 4間的S參數(shù), 包括 S 參數(shù)的幅度和相位。（1 ）、在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇 S 參數(shù)仿真元件面板“ Simulation-S_Param ”，并選擇終端負(fù)載 Term 放置在耦合器的 4 個(gè)端口上，

33、分別用來定義 4 個(gè)端口。（2）、單擊工具欄中的 【GROUND 】按鈕,在電路原理圖中插入四個(gè) “地”, 并按照?qǐng)D 8 連接好電路原理圖。ME£_AC1k1W1 9? mm W?=l 07inm W3=098infflIflEE.ADS1h2 SiitflhlSubt-WMJMunmW34»vwnMLINU匕- WMUHirwnW=d B7mmL=lO2BHrW=0.9S mm L.5 mmZ 電 DhnTefenIekvi Nim=+ 1=50 annUUNTL3SigLUSit十*1U*1L9S4ltel=n<SiibrW=0.« mmWWlSflmm

34、mNHJNL=W.4BinfnLO.4B mmofbMLiNS«|BlI ZOhnK4他mmj3.5lflfTl:/DS£d=b»1 W1=1 引 nw WmHrrw 朋如rrw£?RS 5M=lh1' W=1.eTrn 曰（12 mmdiwW1=0.a mmW2=l 一Sf mmW3=0,« f>mUUNTLTSiixUSrfal"W.gO mmLL5 mmTITImTmONun=3 mOhn圖7完成參數(shù)設(shè)置的微帶線*d IMIJNTL1 fiubntW-fl Qfl mm|_=31才 inrnMLINILZ aubr

35、tl-'MiStibl- W-1 ff7 mm L=1O.2 nimMTF! _AnBTMSSUBeSl=-M5UtH-W1-O_!Ja rrnnW? 1 finfWriW3-fl3 mmUlECz_AOtiIw2霽U&Ht W鎖A廣 W1=1 GT mmW2=a仙 mm ws-auu mtnULHILJGLih -Mflijhl-W-O 9« mmmmMUNT1 TW-O.yU mm L-佃仙mm5 Ml I Lfl±±ubw 1±±UtHl="MSub1* w o 90 mm 110.46 mmMIJMIL4W f

36、l.On mmI =? 5 mmr£bMTEE_ADS tw 必軸twi二.UGl血t W1-1 HT mm VV7=OgBmm W3=0. W n»rTTMUMILS*；u1mi1 MSu 葉W 1 07 mmI =io ? mmc£b-M1EzE_W& 佃1 一仃<m mmW?= 1 6/ mmW/AO Oft mmMl JHHjQGhibHL=*MSub-|* W O on m<n l=? 5 mm圖8用于S參數(shù)仿真的原理圖(3) 、在S參數(shù)仿真元件面板“ Simulation-S_Param ”中選擇一個(gè)S參 數(shù)仿真控制器，并插入到原理

37、圖中。(4)、雙擊S參數(shù)仿真控制器，按照下面內(nèi)容設(shè)置參數(shù):Start=3.2GHz,表示頻率掃描的起始頻率為3.2GHz。Sto p=4.4GHz，表示頻率掃描的終止頻率為4.4GHz。Ste p=50MHz，表示頻率掃描的頻率間隔為50MHz 。完成參數(shù)設(shè)置的S參數(shù)仿真控制器如圖9所示。圖9完成參數(shù)設(shè)置的S參數(shù)仿真控制器(5)、單擊工具欄中的【Simulate】按鈕執(zhí)行仿真結(jié)束。(6) 、仿真結(jié)束后，系統(tǒng)彈出數(shù)據(jù)顯示窗口，首先在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入 一個(gè)關(guān)于S11參數(shù)的矩形圖和一個(gè)關(guān)于S12參數(shù)的矩形圖，如圖9所示。從圖中可 以看出，S11參數(shù)曲線和S12參數(shù)曲線在3.8GHz處的值都在-40

38、dB以下，這也就 是說耦合器的端口反射系數(shù)和端口間隔離度都可以達(dá)到要求。freq, GHzmax-2-84-4圖9耦合器的Sii參數(shù)和Si2參數(shù)曲線(7) 、在數(shù)據(jù)顯示窗口中，插入一個(gè)關(guān)于 S31參數(shù)和一個(gè)關(guān)于S41參數(shù)的矩形 圖，如圖10所示。從圖中可以看出，1端口到3端口以及從1端口到4端口的 都有3dB左右的衰減，這同樣是滿足設(shè)計(jì)要求的。bncsLKd-5.03.23.43.63.84.04.2freq, GHzO453544.43freq, GHz3.23.43.63.84.04.24.4-3.4(8)、3.43.63.84.04.23.21-1-11圖10耦合器的S31參數(shù)和S41參

39、數(shù)曲線在數(shù)據(jù)顯示窗口中分別插入一個(gè)關(guān)于S31參數(shù)相位和S41參數(shù)相位的矩形圖，如圖11所示。從圖11中可以看出，相位曲線是線性的，同樣滿足設(shè)計(jì)要求。4.4-180freq, GHzfreq, GHzSsa圖11耦合器的S31參數(shù)相位和S41參數(shù)相位曲線這樣就完成了 3dB定向耦合器的設(shè)計(jì)，并且仿真表明，它的參數(shù)完全滿足設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)行混頻器電路其他部分的設(shè)計(jì)。2、完整混頻器電路設(shè)計(jì)完成了 3dB定向耦合器的設(shè)計(jì)后，就可以加入混頻器的其他部分了，主要 包括混頻管和匹配電路。（1）、在電路原理圖中刪除用于 S參數(shù)仿真的4個(gè)終端負(fù)載。（2）、在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇“Lu mp ed-Co mpon

40、en ts ”元件面板列表, 并在元件面板中選擇兩個(gè)電感 L和兩個(gè)電容C插入原理圖中。（3）、單擊工具欄中的【GROUND】按鈕，在原理圖中插入兩個(gè)“地”。（4）、按照?qǐng)D12所示的方式，將“地”、電容、電感和定向耦合器連接起 來，其中電容和電感是作為匹配電路用的。（5）、從“ Devices-Diodes ”元件面板中選擇一個(gè)二極管模型 Diode M ， 并插入到原理圖中，按照下面參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。UTS_/DBfens ADSLLILH.eenHR-lAJHTLlW-4.«nnimW1RamW2iri.G7wnVV3=0lKHinnm*WIM fl? mm W24 SB nm WXl

41、ffilAJNTL2 Siib5t=*Waib 儼 1AW.67 mm 12 mnUJN TU Sub9t>btr 懵49& mrn L>G mmT1cC1C=0,35()FMUNK7 SvbaKlSiA 嚴(yán)W=0 BB mmL=10.46 dint,MUN7LBI W=<1 Mmm nr EG命 mmUUMTL4W.« mmL5 mmU1EEJU>S Th3a、b、C、d、e、g、h、m-iOTVKMiesWMimmmmmmmMJHTL5 5utHt«*WSub1* W-1.6T mmL-10.2 nwnmmmmhUMILS鼻如 nSubl

42、"mmL"2.Sfnmc00.36 (fnodeI IODE2V Md(W<MODBN1 J - Ama-Sc=Imp*IhH-UodHHnbHvDiadeI nODEIv MceMiOOBvtl Aw-5cb=lenpModa=ncnbwr ；IL2 jlLeenM 7 |R=圖12加入匹配電路的定向耦合器ls=5.0e-9A，表示二極管的飽和電流為 5.0e-9A 。Rs=6.0Ohm，表示二極管導(dǎo)通電阻為6.0OhmN=1.02，表示二極管的發(fā)射系數(shù)為1.02。Tt=0sec，Cjo=0.2 pFVj=0.8V，表示二極管的傳輸時(shí)間為0sec。，表示二極管零偏置

43、節(jié)電容為0.2pF表示二極管的結(jié)電壓為0.8V。M=0.5，表示二極管的等級(jí)系數(shù)為0.5。Bv=10V，表示二極管的擊穿電壓為10V。Ibv=101A，表示二極管在擊穿電壓時(shí)的電流為其他參數(shù)不填，按照默認(rèn)設(shè)置。101 A。完成設(shè)置的二極管模型如圖13所示。DMeJfcddDI0DEU1LSl怙9ABv=10V呵sw=Rr6.0OhmIbFlOl uAFearGleak 二加AlkwScdingM=t021略Tnom=TH) secNM=Tnse=加炸Xli=CH2廳Af=Eg 二H-8VFfe=AllParamsM=05J5W=Fc=Rsw=ImarGlcaksw =Imd陸teFIkFMf和

44、 l_圖13二極管模型參數(shù)的設(shè)置mitjosN UlfiGltlR=Hkwrl曙 HviW V9flW1WmT" 金叱U3iv廠 mWSnin W 1 貝 rmHIMLJlLJVHTil71?TIJl»ji=Tiaifra»=TiMrWtSanW llO/nniW ISnnhh?5rvnpi比*t 二 Kmn_HF_> HLHL JSnmnd MlRHJLWmVi血Tiatrw«wnLFlk4tni4HcC5HLH lUparWn)-35mnTnrfin"HMIT w-wsm l=1l?fnW IffTuEWDSnniWUhSfmlnr砂

45、THI OSflimi n 田 inn VB-OSniMHILA stM-naArVUWilfi |=75rvnTLGC«c_a卯ftekI MOOT? 立 HflM=DKXXH1Wi &* k(4Hn= Iww TZHd*=Hi*Mr ntaAI UMJtl WHOH 000011 u*a*- I呵Wl TinTH»=f 13 jgWJ n=14 加入二極管后的電路圖(6)、在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇“Devices-Diodes ”元件面板列表，并在面板中選擇兩個(gè)Diode插入到原理圖中， 將二極管按照?qǐng)D14所示的方式連接到電路原理圖中。二極管中的Model=DIO

46、DEM1說明，二極管的參數(shù)由二極管模型DI0DEM1 決定。0.35pF，電感值為1.66nH，設(shè)置(7 )、雙擊原理圖中的電容和電感，分別設(shè)置電容值為 完成的匹配網(wǎng)絡(luò)如圖 15所示。(8)、在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇“ TL in es-Microstrip”元件面板列表，并選擇一個(gè) MLINCC2C=O35pFLL2L=ie6 nHR=圖15微帶線插入到原理圖中。(9)、雙擊微帶線，設(shè)置微帶線的長(zhǎng)度和寬度分別為W=0.98mm 和 L=18.6mm。(10 )、把微帶線按照?qǐng)D16的方式連接到電路中，這樣完整的混頻器電路就搭建完成了。WTfT/«R r«e5*CZH-MNru

47、AMWflWrrfBL=Z5inrWl-OWmii W=ieJnn HS-agfinnuintUri MMir W IGTnin L=W?lWilMIIE JUHWt lUfimi W OqHinvh w=QSft(nnaUHIHrowuirW OSftriiAL=Z&rwnTH-cCl c a砂III 勺 mriR-nabHIH占msu75«='wrW-0»iwn J 1 W«iwuJ .fcUHF -MStfir a-Knn L=nnpHIMTieW l«ivmL=?豈 KEHHIHlisW tGTrniiLin?iiniI«

48、;4"MUir m (|t»in» WISTnn Vra-OSiTTnMV*TI4出吐"WUarl=?5hinwttc/wrTi_W1 lA/rnn W OIHH W3-(L%rTfnI立 yotMXW16完整的混頻器電路3、低通濾波器的設(shè)計(jì)由于混頻器輸出的頻率成分中含有其他的高次諧波成分,因此混頻輸出后,需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波才能得到需要的中頻信號(hào)，下面設(shè)計(jì)中頻濾波器。(1)在工程中新建一個(gè)原理圖，命名為“filter_lp(2)選擇“Lumped-Components”元件面板列表，在元件面板中選擇 3個(gè)電感和2個(gè)電容，并插入到電路原理圖中。(3) 單擊

49、工具欄中的【GROUND】按鈕，在原理圖中插入兩個(gè)“地”。(4) 按照?qǐng)D18所示的方式將電容、電感和“地”連接起來。(5) 雙擊電路中的電容、電感元件，按照?qǐng)D17所示的值對(duì)它們的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置: 完成設(shè)置的S參數(shù)仿真控制器如圖19所示。LLIL7,O7 nH R=-CC1土 C=4.7a |)FCC2圖17LL2L=3.99 nHR=濾波器電路的結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)置Th- cC=&OpF(6) 從“ Simulation-S_Param ”元件面板中選擇兩個(gè)終端負(fù)載元件，并分別插入到濾波器的輸入輸出端口。(7)單擊工具欄中的【GROUND】按鈕，在原理圖中插入兩個(gè)“地”，并與終端負(fù)載連接。這樣

50、仿真電路就搭建完畢了，如圖18所示。TIT-TofinTenii2Mum=2 Z=50aim(8)從“ Simulation-S并按下面內(nèi)容進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：Param ”元件面板中選擇一個(gè)S參數(shù)仿真控制器,a、Start=O.1GHz，表示頻率掃描的起始頻率為 0.1GHz。b、Stop=4GHz，表示頻率掃描的終止頻率為 4GHz。C、Step=10MHz ，表示頻率掃描的頻率間隔為 10MHz。(9) 單擊工具欄中的【Simulate】按鈕進(jìn)行仿真，并等待仿真結(jié)束。(10) 仿真結(jié)束后，系統(tǒng)彈出數(shù)據(jù)顯示窗口，在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個(gè)關(guān) 于S21參數(shù)的矩形圖，如圖20所示。從圖22中可以看出，

51、這顯然是一個(gè)低通濾 波器的幅度響應(yīng)。這樣低通濾波器的設(shè)計(jì)就完成了，下面開始對(duì)混頻器電路進(jìn)行仿真。S-PARAIMETERSS-ParamSP1Start=0J GHzStop=4 GHzStep=10 MHz圖19完成設(shè)置的S參數(shù)仿真控制器freq, GHz圖20濾波器的S21參數(shù)曲線四、混頻器性能仿真1、混頻器功能仿真現(xiàn)對(duì)混頻器的功能進(jìn)行驗(yàn)證,通過觀察本振信號(hào)、輸入射頻信號(hào)和輸出中頻信號(hào)驗(yàn)證混頻器的混頻功能。1.1、仿真原理圖的建立首先建立對(duì)混頻器進(jìn)行諧波平衡法仿真的電路原理圖，具體步驟如下。(1) 新建一個(gè)電路原理圖，并以名稱“ mixer_hb ”保存。(2) 將完整的混頻器電路和濾波器電路復(fù)制到新的電路原理圖中，并按照?qǐng)D 21的方式連接起來。(3) 選擇“ Sources-Freq Domain ”元件面板，并在面板中選擇兩個(gè)功率源 P_1Tone,插入到原理圖中，分別連接在混頻器電路的射頻輸入端和本振輸入 端。C-C CLIL-/ tJ MR=L1L 344*R-C1Q C-tf fT圖21濾波器與混頻器的連接(4 )雙擊兩個(gè)功率源，按照下面的內(nèi)容設(shè)置它們的參數(shù)。.P0RT1的參數(shù)為a、P=dbmtow(RF_pwr) dBm。,表示功率源P 0RT1的輸出信號(hào)功率為RF_pwrb、Freq= RF_freq GHz，表示功率源GHz。.PORT2的參