混頻電路設計

1、通信電路實驗報告諧振功率放大器設計及仿真 姓名：陳強華學號：14085114班級：14083414專業(yè)：通信工程 實驗三 混頻器設計及仿真一、實驗目的1、理解和掌握二極管雙平衡混頻器電路組成和工作原理。2、理解和掌握二極管雙平衡混頻器的各種性能指標。3、進一步熟悉電路分析軟件。二、實驗準備1、學習二極管雙平衡混頻器電路組成和工作原理。2、認真學習附錄相關內容，熟悉電路分析軟件的基本使用方法。三、設計要求及主要指標1、 LO 本振輸入頻率： 1.45MHz， RF 輸入頻率： 1MHz， IF 中頻輸出頻率： 450KHz。2、 LO 本振輸入電壓幅度： 5V， RF 輸入電壓幅度： 0.5V。

2、3、混頻器三個端口的阻抗為 50 。4、在本實驗中采用二極管環(huán)形混頻器進行設計，二極管采用 DIN4148。5、分析混頻器的主要性能指標：混頻增益、混頻損耗、1dB 壓縮點、輸入阻 抗,互調失真等；畫出輸入、輸出功率關系曲線。四、設計步驟1、原理分析 混頻器作為一種三端口非線性器件，它可以將兩種不同頻率的輸入信號變?yōu)?一系列的輸出頻譜，輸出頻率分別為兩個輸入頻率的和頻、差頻及其諧波。兩個 輸入端分別為射頻端（ RF）和本振（ LO），輸出端稱為中頻端（ IF）其基本的原 理如下圖所示。通常，混頻器通過在時變電路中采用非線性元件來完成頻率轉換，混頻器通 過兩個信號相乘進行頻率變換，如下：輸入的兩

3、個信號的頻率分別為RF LO ，則輸出混頻信號的頻率為RF LO + （上變頻）或RF LO （下變頻），從而實現(xiàn)變頻功能。 在本試驗中，我們采用二極管環(huán)形混頻器，其的原理電路如圖 3-2 所示，其 中v V t RF RF RF = cos ， v V t LO LO LO = cos ，并且有V V LO RF >> ，因此二極管主要受到 大信號vLO 控制，四個二極管均按開關狀態(tài)工作，各電流電壓的極性如圖 3-2 所 示。在本振電壓的正半周，二極管 D2 D3 導通， D1 D4 截止；在本振電壓的負半 周，二極管 D1 D4 導通， D2 D3截止。因此，混頻電路可以拆分成

4、兩個單平衡混 頻器。將二極管用開關等效，開關函數(shù)表示為：K1 LO ( ) t ，因此在vLO 正半周期間， 開關閉合，上下回路的方程為：求得：由上可得，雙平衡混頻器的輸出電流中僅包括( ) p LO RF ± （p 為奇數(shù)）的 組合頻率分量，而抵消了LO ， RF 以及 p 為偶數(shù)的眾多組合頻率分量。2、整體電路設計與仿真分析 按照圖 3-3 所示的原理圖，在 PSpice 中建立電路圖，并設置好 RF、 LO 信 號的參數(shù)（注意變壓器的參數(shù)設置），最終仿真電路圖如圖 3-4 所示。圖 3-3 整體電路圖圖 3-4 R2 的輸出電壓( vIF )波形進行 FFT 變換后，得 R2

5、兩端的電壓( vIF )的頻譜波形如圖 3-5 所示。圖 3-5 R2 兩端電壓 vIF 的頻譜圖由輸出的頻譜圖可見， 環(huán)形混頻器的輸出電壓中主要為pLO RF ± ( p 為奇數(shù)) 的組合頻率分量，（ 0.45MHz， 2.45MHz等等）， 與理論分析一致，其中， 0.45MHz 為差頻輸出信號（即為本實驗所要求的輸出IF 中頻信號)， 2.45MHz 為和頻輸出信號。 同時可以仿真得到 RF 信號的輸入電壓 vin 、電流 iin 波形如圖 3-6，圖 3-7 所 示。圖 3-6 輸入 RF 信號的電壓 vin 波形圖 3-7 輸入 RF 信號電流 iin 波形圖對于 RF 輸

6、入端可得到輸入阻抗為：對于混頻器的 1dB 壓縮點，當輸入的 RF 功率（電壓）較低時，輸出的 I觀察圖 3-6 和圖 3-7 波形圖，對于輸入電壓 vin 和電流 iin 基本上為正弦波形， 由兩圖我們可以得到輸入電壓 vin 、電流 iin 的幅值Vin 、 Iin 分別為：由圖 3-5 可以得到輸出的中頻（ 0.45MHz）的幅度為：因此，通過以上數(shù)據(jù)求出混頻器的混頻增益為：輸出的中頻功率為RF 信號的輸入功率為：所以有混頻器的混頻損耗為：F 功 率與輸入 RF 功率成比例關系。然而，當輸入 RF 功率超過一定的量之后，則輸 入和輸出功率就會偏離線性特征，當上述偏離達到 1dB 時所對應

7、的點就可以作 為混頻器的特性參數(shù)，即 1dB 壓縮點。因此本實驗中，可逐步改變輸入 RF 信號 的電壓值，從而得到對應的輸出 IF 信號的幅值，然后在直角坐標系畫出變化曲 線表3-1 輸入輸出電壓及電流值VRF (V)VIF (mV)VRF (V)VIF (mV)0.154.1/0.89719.81.3676.5/12.25264.30.3163.1/2.6762.21.4706.3/13.56291.50.4218.1/3.5684.11.5748.5/14.96301.20.5273.2/4.92104.51.6770.2/16.25316.50.6323.4/5.38122.72.085

8、0.6/22.94344.90.8423.8/7.15167.32.5900.7/31.89363.51.0532.2/9.32208.63.0942.6/42.51374.31.1576.3/10.28228.43.5967.2/52.15382.11.2631.4/11.33248.351011.2/78.32398.2對于輸出中頻（IF）功率，有計算公式對于輸入射頻（RF）功率，有計算公式將其功率轉化為dBm的表達式有通過以上表中的數(shù)據(jù)以及計算公式，在MATLAB中編寫程序仿真可畫出波形圖，程序如下所示。函數(shù)一： function y=fun1(vin,Iin)y=(1/2)*vin*I

9、in;函數(shù)二： function y=fun2(vif)y=(1/100)*vif2; clear;clc; data1=0.0541,0.1631,0.2181,0.2732,0.3234,0.4238,0.5322,0.5763,0.6314,0.6765,0.7063,0.7485,0.7702,0.8506,0.9007,0.9426,0.9672,1.0112; % in(mV) V 的取值data2=0.897,2.67,3.56,4.92,5.38,7.15,9.32,10.28,11.33,12.25,13.56,14.96,16.25,22.94,31.89,42.51,52

10、.15,78.83; %in(mA) I 的取值data3=19.8,62.2,84.1,104.5,122.7,167.3,208.6,228.4,248.3,264.3,291.5,301.2,316.5,344.9,363.5,374.3,382.1,398.2; % IF V (mV)的取值res1=zeros(1,length(data1);res2=zeros(1,length(data1);for i=1:length(data1)res1(i)=fun1(data1(i),data2(i);res2(i)=fun2(data3(i);endres1res2=res2*10(-3

11、)res1=10*log10(res1)res2=10*log10(res2)plot(res1,res2);grid on; set(gca,'ytick',-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10)set(gca,'xtick',-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10) xlabel('Pin(dBm)');ylabel('Pif(dBm)');通過MATLAB仿真我們可以得到輸入、輸出功率(d

12、Bm)的關系圖，如圖3-11所示。圖3-11 輸入輸出功率關系圖由上圖可得，當輸入功率超過一定值后，輸入輸出曲線就偏離了線性特征，由圖3-11可以粗略的估計出=8.6dBm，=0.3dBm，同時根據(jù)上圖，可以得到當輸入功率為0dBm時的中頻輸出功率值-7.8dBm.因為理論計算有將=8.6dBm,=0.3dBm，-7.8dBm代入上式，等式基本成立，因此，驗證了估計結果。對于混頻器的互調失真，在本實驗中只定性的分析當混頻器輸入端同時作用的兩個頻率不同的信號時，輸出端的頻譜與單信號輸入時頻譜的區(qū)別。在RF輸入端加入兩個信號源，選取兩個信號的頻率在2MHz左右，在這里分別選取=0.9MHz，=1.1MHz，為了便于觀察輸出波形，其電壓幅度為取=2V.通過PSpice仿真，我們可以得到輸出端2 R上的電壓頻譜圖，如圖3-12所示。圖3-12 輸出電壓頻譜圖由上圖可知，在輸入端有兩個激勵信號同時加入到混頻器后，在輸出的和頻和差頻附近出現(xiàn)了很多諧波分量，通過改變隨著輸入信號的電壓幅度可以發(fā)現(xiàn)，隨著輸入電壓的增大，輸出的諧波分量也會增大。在混頻器的性能指標中，有一項重要的指標就是鏡像頻率干擾，例如在本實驗中，因為=1MHz，=1.45MHz，=0.45MHz，則根據(jù)鏡像頻率的概念有鏡像頻率為=1.9MHz。在RF輸入端加入兩個激勵信號，頻率