ADS射頻電路課程設計-混頻器設計與仿真

1、1 / 34混頻器的設計與仿真設計題目： 混頻器的設計與仿真 學生姓名： 學 院： 專 業(yè)： 指導老師： 學 號： 日 期: 2011 年 12 月 20 日2 / 34目目 錄錄一、射頻電路與一、射頻電路與 ADSADS 概述概述 .3 31、射頻電路概述 .32、ADS 概述.3二、混頻器的設計二、混頻器的設計 .7 71.混頻器的基本原理 .72、混頻器的技術指標 .9三、混頻器的設計三、混頻器的設計 .91、3 DB 定向耦合器的設計 .91.1、建立工程.91.2、搭建電路原理圖.101.3、設置微帶線參數(shù).111.4、耦合器的 S 參數(shù)仿真.122、完整混頻器電路設計 .173、低

2、通濾波器的設計 .21四、混頻器性能仿真四、混頻器性能仿真 .23231、混頻器功能仿真 .23231.1、仿真原理圖的建立.23231.2 功能仿真 .25252、本振功率的選擇 .27273、混頻器的三階交調點分析 .28283.1、三階交調點的測量.28283.2、三階交調點與本振功率的關系.31314、混頻器的輸入駐波比仿真 .3131五、五、 設計總結設計總結 .33333 / 34一、 射頻電路與 ADS 概述1、射頻電路概述射頻是指超高頻率的無線電波，對于工作頻率較高的電路，人們經常稱為“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在 10m

3、 1mm 或頻率在 30MHz 300GHz 之間的電路。此外，有時還含有亞毫米波（ 1mm0.1mm 或 300GHz 3000GHz）等。 一方面，隨著頻率升高到射頻頻段，通常在分析 DC 和低頻電路時樂于采用的基爾霍夫定律、歐姆定律以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，純正采用電磁場理論方法，盡管可以很好的全波分析和計及分布參數(shù)等的影響，但很難觸及高頻放大器、VCO、混頻器等實用內容。所以，射頻電路設計與應用已成為信息技術發(fā)展的關鍵技術之一。2、ADS 概述ADS 電子設計自動化（EDA 軟件全稱為 Advanced Design System，是

4、美國安捷倫（Agilent）公司所生產擁有的電子設計自動化軟件；ADS 功能十分強大，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(tǒng)仿真(Communication System Simulation)和數(shù)字信號處理仿真設計（DSP）；支持射頻和系統(tǒng)設計工程師開發(fā)所有類型的 RF 設計，從簡單到復雜，從離散的射頻/微波模塊到用于通信和航天/國防的集成 MMIC，是當今國內各大學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

5、 ADS 的仿真設計方法 ADS 軟件可以提供電路設計者進行模擬、射頻與微波等電路和通信系統(tǒng)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(tǒng)仿真和電磁仿真；ADS 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） 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)()/(1038Hzfsmfc4 / 34線性電路的瞬態(tài)效應。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，因為在仿真時可于高頻SPICE 仿真器會將頻域分析模型進行拉式變換

6、后進行瞬態(tài)分析，而不需要使用者將該模型轉化為等效 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。此外高頻 SPICE 也提供瞬態(tài)噪聲分析的功能，可以用來仿真電路的瞬態(tài)噪聲，如振蕩器或鎖相環(huán)的 jitter。 卷積分析方法為架構在 SPICE 高頻仿真器上的高級時域分析方法，藉由卷積分析可以更加準確的用時域的方法分析于頻率相關的元件，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。當進行線性分析時，軟件會先針對電路中每個元件計算所需的線性參數(shù)，如 S

7、、Z、Y 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算其工作點之線性參數(shù)），在進行整個電路的分析、仿真。2.1.3 諧波平衡分析( Harmonic Balance) 諧波平衡分析提供頻域、穩(wěn)態(tài)、大信號頻域、穩(wěn)態(tài)、大信號的電路分析仿真方法，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、諧波失真等。與時域的 SPICE 仿真分析相比較，諧波平衡對于非線性的電路分析，可以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(xiàn)填補了 SPICE 的瞬態(tài)響應分析與線性 S 參數(shù)分析對具有多頻輸入信號的非線性電路仿真上的不足

8、。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構，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(Transient Assistant HB)的仿真方法，在電路分析時先執(zhí)行瞬態(tài)分析，并將此瞬態(tài)分析的結果作為諧波平衡分析時的初始條件進行電路仿真，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會發(fā)生的不收斂情況。2.1.4 電路包絡分析（Circuit Envelope） 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(tǒng)中。電路包絡分析借鑒了 SPICE 與諧波平衡兩種仿真方法的優(yōu)

9、5 / 34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估系統(tǒng)特性，其中系統(tǒng)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習用響應驗證。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分析，分別用來驗證射頻系統(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)字調頻信號的系統(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具有數(shù)字信號與模擬、高頻信號的混合模式系統(tǒng)能力。ADS 中分別提供了數(shù)字元件模型（如 F

10、IR 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 調頻解調器、Raised Cosine 濾波器等）及模擬高頻元件模型（如 IQ 編碼器、切比雪夫濾波器、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 2.5D 的平面電磁仿真分析功能Momentum（ADS2005A 版本 Momentum 已經升級為 3D 電磁仿真器），可以用來仿真微帶線、帶狀線、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(shù)結果可直接使用于些波平衡和電路包絡等電路分析中，進行電路設計與驗證。在 M

11、omentum 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；使用者可以根據(jù)電路的工作頻段和尺寸判斷、選擇使用。2.2 ADS 的設計輔助功能 ADS 軟件除了上述的仿真分析功能仿真分析功能外，還包含其他設計輔助功能以增加使用者使用上的方便性與提高電路設計效率。ADS 所提供的輔助設計功能簡介如下：2.2.1 設計指南（Design Guide） 設計指南是藉由范例與指令的說明示范電路設計的設計流程，使用者可以經由這些范例與指令，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

12、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6 / 34指南、Passive Circuits 設計指南、Phased Locked Loop 設計指南、Amplifier 設計指南、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 DesignGuide Developer Studio 建立自己的設計指南。2.2.2 仿真向導（Simulation Wizard） 仿真向導提供 step-by-step 的設定界面供設計人員進行電路

13、分析與設計，使用者可以藉由圖形化界面設定所需驗證的電路響應。 ADS 提供的仿真向導包括：元件特性（Device Characterization）、放大器（Amplifier）、混頻器（Mixer）和線性電路（Linear Circuit）。2.2.3 仿真與結果顯示模板（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(shù)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

14、用的繪圖或列表格式整理成模板以減少重復設定所需的時間。除了使用者自行建立外，ADS 軟件也提供了標準的仿真與結果顯示模板可供使用。2.2.3 電子筆記本（Electronic Notebook） 電子筆記本可以讓使用者將所設計電路與仿真結果，加入文字敘述，制成一份網(wǎng)頁式的報告。由電子筆記本所制成的報告，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 軟件和測試設備間的連接 由于現(xiàn)今復雜龐大的的電路設計，每個電子設計自動化軟件在整個系統(tǒng)設計中均扮演著螺絲釘?shù)慕巧虼塑浖c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計中不容忽視的一環(huán)。ADS 軟件

15、與其他設計驗證軟件、硬件的連接簡介如下： 2.3.1 SPICE 電路轉換器（SPICE Netlist Translator） SPICE 電路轉換器可以將由 Cadence、Spectre、PSPICE、HSPICE 及Berkeley SPICE 所產生的電路圖轉換成 ADS 使用的格式進行仿真分析、另外也可以將由 ADS 產生的電路轉出成 SPICE 格式的電路，做布局與電路結構檢查（LVS，Layout Versus Schematic Checking）與布局寄生抽?。↙ayout Parasitic Extraction）等驗證。7 / 342.3.2 電路與布局文件格式轉換器（

16、IFF Schematic and Layout Translator） 電路與布局格式轉換器提供使用者與其他 EDA 軟件連接溝通的橋梁，藉由此轉換器可以將不同 EDA 軟件所產生的文件，轉換成 ADS 可以使用的文件格式。2.3.3 布局轉換器（Artwork Translator） 布局式轉換器提供使用者將由其他 CAD 或 EDA 軟件所產生的布局文件導入ADS 軟件編輯使用，可以轉換的格式包括 IDES、GDSII、DXF、與 Gerber 等格式。2.3.4 SPICE 模型產生器（SPICE Model Generator） SPICE 模型產生器可以將由頻域分析得到的或是由測量

17、儀器得到的 S 參數(shù)轉換為 SPICE 可以使用的格式，以彌補 SPICE 仿真軟件無法使用測量或仿真所得到的 S 參數(shù)資料的不足。2.3.5 設計工具箱（Design Kit） 對于 IC 設計來說，EDA 軟件除了需要提供準確快速的仿真方法外，與半導體廠商的元件模型間的連接更是不可或缺的，設計工具箱便是扮演了 ADS 軟件與廠商元件模型間溝通的重要角色。ADS 軟件可以藉由設計工具箱將半導體廠商的元件模型讀入，供使用者進行電路的設計、仿真與分析。2.3.6 儀器連接器 儀器連接器提供了 ADS 軟件與測量儀器連接的功能，使用者可以通過儀器伺服器將網(wǎng)絡分析儀測量得到的資料或 SnP 格式的文

18、件導入 ADS 軟件中進行仿真分析，也可以將軟件仿真所得的結果輸出到儀器（如信號發(fā)生器），作為待測元件的測試信號。二、 混頻器的原理 在無線通信系統(tǒng)中，混頻器也是一種常見的射頻電路組件，它主要用來對信號進行頻率變換。在接收機中，一般用來對接收機的射頻信號進行下變頻；在發(fā)射機中，一般用來對中頻信號進行上變頻。下面將設計一個鏡像抑制混頻器，并 對他的參數(shù)進行仿真。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相乘，以實現(xiàn)頻率的變換。它最基本8 / 34的作用有兩個：上變頻和下變頻上變頻和下變頻。其中上變頻的作用是將中頻信號與本振信號中頻信號與本振信號混頻成為發(fā)射的射頻信號，通過天線發(fā)射出去混

19、頻成為發(fā)射的射頻信號，通過天線發(fā)射出去；下變頻器的作用是將天線接收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理模塊進行處理。圖 1 就是一個平衡混頻器的電離臂，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 1 鏡像抑制混頻器的原理假設射頻信號和本振信號分別從隔離臂隔離臂 1 1、2 2 端口端口加入時，初相位都是0。 ，考慮到傳輸相同的路徑不影響相對相位關系。通過定向耦合器定向耦合器，加到VD1，VD2 上的信號和本振電壓分別為由式 1 到式 4

20、 表示：（1）)2/cos(1tVvsss（2）)2/cos(1tVvLLL（3）)cos(2tVvsss（4）)2/cos(2tVvLLL可見，射頻信號和本振信號都分別以 /2 相位差分配到兩只二極管上，故這類混頻器稱為 /2 型平衡混頻器。由一般混頻電流的計算公式，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：（5）)()2/(exp)(,1 tjntjmItiLsmnmn同樣 D2 中的混頻電流為：（6）)2/()(exp)(,2 tjntjmItiLsmnmn當 m=1，n=1 時，利用式（7）的關系，可以求出中頻電流如式（8）所示。9 / 34（7）1, 11,

21、1 II（8）2/)cos(|41, 1tIiLsIF這樣就可以看出，輸出的中頻信號的頻率是輸入的射頻信號的頻率與本振信號的頻率之差，從而達到了混頻的目的。2、混頻器的技術指標混頻器主要的技術指標如下：（1） 、噪聲系數(shù)和等效相位噪聲：它描述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和輸出信號的頻率不同，但仍然可以利用輸出信號功率與輸入信號功率之比來表示混頻器的增益。（3） 、動態(tài)范圍：混頻器的動態(tài)范圍是指它正常工作時的輸入信號的功率范圍，超過這個范圍將對信號的增益和頻率成分產生影響。（4） 、雙頻三階交調與線性度。（5）

22、 、工作頻率：混頻器的工作頻率是指輸入或輸出射頻信號的頻率。（6） 、隔離度：隔離度一般是指混頻器射頻信號輸入端口與本振信號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的功率。三、混頻器的設計圖 1 所示的混頻器電路主要由 3 dB 定向耦合器、匹配電路和晶體管組成。1、3dB 定向耦合器的設計1.1、建立工程（1） 、運行 ADS，彈出 ADS 的主窗口。（2）、選擇【File】 【New Project】命令，打開“New Project” （新建工程）對話框，可以看見對話框中已經存在了默認的工作路徑“c:usersdefault” ，在路徑的末尾輸

23、入工程名為：mixer，并且在【Project Technology Files】欄中選擇“ADS Standard:Length unilmillimeter”,即工程中的默認長度單位為毫米，如圖 2 示。10 / 34圖 2 新建 mixer 工程（3） 、單擊【OK】按鈕，完成新建工程，同時打開原理圖設計窗口。1.2、搭建電路原理圖（1） 、選擇【File】 【New Design】命令，在工程中新建一個原理圖。（2） 、在新建設計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】按鈕保存設計。（3） 、在原理圖設計窗口的元件面板列表中選擇“TLin

24、es-Microstrip”元件面板，并從元件面板中選擇 3 個 MLIN 和 2 個 MTEE 插入到原理圖中。（4） 、調整它們的放置方式，并按照圖 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 MLIN 和 2 個 MTEE插入到原理圖中。MLINTL1L=2.5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL2L=10.2 mmW=1.67 mmSubst=MSub1MLINTL3L=2.5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MTEE_ADSTee2W3=0.98 mmW2=0.98 m

25、mW1=1.67 mmSubst=MSub1MTEE_ADSTee5W3=0.98 mmW2=1.67 mmW1=0.98 mmSubst=MSub1圖 3 定向耦合器的一條支路（6） 、按照圖 4 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稱的。11 / 34（7） 、從“TLines-Microstrip”元件面板中再選擇 2 個 MLIN 插入到原理圖中，作為連接兩個支路的微帶線，并將兩條支路連接起來，如圖 5 所示。MLINTL4L=2.5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL5L=10.2 mmW=1.67 mmSubst

26、=MSub1MLINTL6L=2.5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MTEE_ADSTee3W3=0.98 mmW2=0.98 mmW1=1.67 mmSubst=MSub1MTEE_ADSTee4W3=0.98 mmW2=1.67 mmW1=0.98 mmSubst=MSub1圖 4 定向耦合器的另一條支路MLINTL8L=10.46 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL7L=10.46 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MTEE_ADSTee5W3=0.98 mmW2=1.67 mmW1=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL4L=2.

27、5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL5L=10.2 mmW=1.67 mmSubst=MSub1MLINTL6L=2.5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MTEE_ADSTee3W3=0.98 mmW2=0.98 mmW1=1.67 mmSubst=MSub1MTEE_ADSTee4W3=0.98 mmW2=1.67 mmW1=0.98 mmSubst=MSub1MTEE_ADSTee2W3=0.98 mmW2=0.98 mmW1=1.67 mmSubst=MSub1MLINTL3L=2.5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL2L=10

28、.2 mmW=1.67 mmSubst=MSub1MLINTL1L=2.5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1圖 5 兩條支路的連接（8） 、這樣，耦合器的電路結構就完成了，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建的耦合器電路結構是相同的。1.3、設置微帶線參數(shù)通過前面微帶電路設計的知識可以知道，對于微帶線電路，有兩種參數(shù)：尺寸參數(shù)和電氣參數(shù)，下面就分別對這兩種參數(shù)進行設置，具體過程如下。12 / 34（1）、從“TLines-Microstrip”元件面板列表中選擇一個微帶線參數(shù)設置控件 MSUB，插入到原理圖中。（2） 、雙擊 MSUB 控件，按照下面內容進行參

29、數(shù)設置：H=0.5mm，表示微帶線所在的基板的厚度為 0.5mm。Er=4.2，表示微帶線的相對介電常數(shù)為 4.2。Mur=1，表示微帶線的相對磁導率為 1。Cond=4.1E+7，表示微帶線的電導率為 4.1E+7。Hu=15mm，表示微帶線的封裝高度為 15mm。T=0.005mm，表示微帶線的金屬層厚度近似為 0.005mm。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 0.0001mm。完成設置的 MSUB 控件如圖 6 所示。 圖 6 完成設置的 MSub 控件（3）、耦合器兩邊的引出線應是特性阻抗為 50 歐

30、姆的微帶線，它的寬度 W 可由微帶線計算工具得到，具體方法是在菜單欄中選擇【Tools】 【LineCalc】 【Start Linecalc】命令，在窗口中輸入與 MSUB 控件中相同的內容。（4） 、在 Electrical 中輸入 Z0=50、E_Eff=90。，單擊【Synthesize】按鈕，進行 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，長度為 10.46mm（四分之一波長） 。（5） 、在 Electrical 中輸入 Z0=35、E_Eff=90。，單擊【Synthesize】按鈕，進行 W、L 與 Z0、E_Eff 間的相互換算，最后得

31、到微帶線的線寬為 1.67mm，長度為 10.2mm（四分之一波長）。（6）、 按照下面的內容設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，表示微帶線的線長為 2.5mm。MSUBMSub1Rough=0.0001 mmTanD=0.0003T=0.005 mmHu=15 mmCond=4.1E+7Mur=1Er=4.2H=0.5 mmMSub13 / 34、TL2、TL5 的尺寸參數(shù)為：W=1.67mm，表示微帶線寬度為 1.67mm。L=10.2mm，表示微帶線的線長為 10.2mm。、T

32、eel、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)的設置后，下面

33、就對這個電路進行 S 參數(shù)仿真。1.4、耦合器的 S 參數(shù)仿真對耦合器的 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） 、在原理圖設計窗口中選擇 S 參數(shù)仿真元件面板“Simulation-S_Param” ，并選擇終端負載 Term 放置在耦合器的 4 個端口上，分別用來定義4 個端口。（2） 、單擊工具欄中的【GROUND】按鈕，在電路原理圖中插入四個“地” ，并按照圖 8 連接好電路原理圖。14 / 34MLINTL8L=10.46 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL7L=10.46 mmW=0.98 m

34、mSubst=MSub1MTEE_ADSTee5W3=0.98 mmW2=1.67 mmW1=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL4L=2.5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL5L=10.2 mmW=1.67 mmSubst=MSub1MLINTL6L=2.5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MTEE_ADSTee3W3=0.98 mmW2=0.98 mmW1=1.67 mmSubst=MSub1MTEE_ADSTee4W3=0.98 mmW2=1.67 mmW1=0.98 mmSubst=MSub1MTEE_ADSTee2W3=0.98 mmW

35、2=0.98 mmW1=1.67 mmSubst=MSub1MLINTL3L=2.5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL2L=10.2 mmW=1.67 mmSubst=MSub1MLINTL1L=2.5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1圖 7 完成參數(shù)設置的微帶線TermTerm4Z=50 OhmNum=4TermTerm1Z=50 OhmNum=1TermTerm3Z=50 OhmNum=3TermTerm2Z=50 OhmNum=2MTEE_ADSTee2W3=0.98 mmW2=0.98 mmW1=1.67 mmSubst=MSub1MTEE_ADST

36、ee1W3=0.98 mmW2=1.67 mmW1=0.9? mmSubst=MSub1MTEE_ADSTee4W3=0.98 mmW2=1.67 mmW1=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL1L=2.5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MTEE_ADSTee3W3=0.98 mmW2=0.98 mmW1=1.67 mmSubst=MSub1MLINTL9L=10.46 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL8L=10.46 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL5L=10.2 mmW=1.67 mmSubst=MSub1MLINT

37、L4L=2.5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL7L=2.5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL3L=2.5 mmW=0.98 mmSubst=MSub1MLINTL2L=10.2 mmW=1.67 mmSubst=MSub115 / 34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 S 參數(shù)仿真控制器，并插入到原理圖中。（4） 、雙擊 S 參數(shù)仿真控制器，按照下面內容設置參數(shù)：Start=3.2GHz，表示頻率掃描的起始頻率為 3.2GHz。Stop=4.4GHz，表示頻率

38、掃描的終止頻率為 4.4GHz。Step=50MHz，表示頻率掃描的頻率間隔為 50MHz。完成參數(shù)設置的 S 參數(shù)仿真控制器如圖 9 所示。圖 9 完成參數(shù)設置的 S 參數(shù)仿真控制器（5） 、單擊工具欄中的【Simulate】按鈕執(zhí)行仿真結束。（6）、仿真結束后，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關于參數(shù)的矩形圖和一個關于參數(shù)的矩形圖，如圖 9 所示。從圖中11S12S可以看出，參數(shù)曲線和參數(shù)曲線在 3.8GHz 處的值都在-40dB 以下，這也11S12S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到要求。 3.43.63.84.04.23.24.4-40-30-20-

39、50-10freq, GHzdB(S(1,1)16 / 343.43.63.84.04.23.24.4-50-40-30-20-60-10freq, GHzdB(S(1,2) 圖 9 耦合器的參數(shù)和參數(shù)曲線11S12S（7） 、在數(shù)據(jù)顯示窗口中，插入一個關于參數(shù)和一個關于參數(shù)的矩31S41S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，這同樣是滿足設計要求的。3.43.63.84.04.23.24.4-4.5-4.0-3.5-5.0-3.0freq, GHzdB(S(3,1)17 / 343.43.63.84.04.23.2

40、4.4-3.3-3.2-3.1-3.4-3.0freq, GHzdB(S(4,1) 圖 10 耦合器的參數(shù)和參數(shù)曲線31S41S（8）、在數(shù)據(jù)顯示窗口中分別插入一個關于參數(shù)相位和參數(shù)相位的矩形31S41S圖，如圖 11 所示。從圖 11 中可以看出，相位曲線是線性的，同樣滿足設計要求。3.43.63.84.04.23.24.4-160-140-120-100-180-80freq, GHzphase(S(3,1)18 / 343.43.63.84.04.23.24.410012014016080180freq, GHzphase(S(4,1) 圖 11 耦合器的參數(shù)相位和參數(shù)相位曲線31S41

41、S這樣就完成了 3dB 定向耦合器的設計，并且仿真表明，它的參數(shù)完全滿足設計要求，可以進行混頻器電路其他部分的設計。2、完整混頻器電路設計完成了 3dB 定向耦合器的設計后，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 個終端負載。（2） 、在原理圖設計窗口中選擇“Lumped-Components”元件面板列表，并在元件面板中選擇兩個電感 L 和兩個電容 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“地” 。（4） 、按照圖 12 所示的方式，將“地” 、電容、電感和定向耦合器連接起來，其

42、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二極管模型 Diode M，并插入到原理圖中，按照下面參數(shù)進行設置。 19 / 34 圖 12 加入匹配電路的定向耦合器a、 Is=5.0e-9A，表示二極管的飽和電流為 5.0e-9A。 b、 Rs=6.0Ohm，表示二極管導通電阻為 6.0Ohm。c、 N=1.02，表示二極管的發(fā)射系數(shù)為 1.02。d、 Tt=0sec，表示二極管的傳輸時間為 0sec。e、 Cjo=0.2pF，表示二極管零偏置節(jié)電容為 0.2pF。f、 Vj=0.8V，表示二極管的結電壓為 0.8V。g、 M=0.5，表示二極

43、管的等級系數(shù)為 0.5。h、 Bv=10V，表示二極管的擊穿電壓為 10V。i、 Ibv=101，表示二極管在擊穿電壓時的電流為 101。AAj、 其他參數(shù)不填，按照默認設置。完成設置的二極管模型如圖 13 所示。20 / 34Diode_ModelDIODEM1AllParams=Eg=Xti=Trise=Tnom=AllowScaling=noFcsw=Vjsw=Msw=Cjsw=Ikp=Ns=Gleaksw =Rsw=Jsw=Ffe=Af=Kf=Nbvl=Ibvl=Nbv=Ibv=101 uABv=10 VIkf=Nr=Isr=Imelt=Imax=Fc=M=0.5Vj=0.8 VCjo

44、=0.2 pFCd=Tt=0 secN=1.02Gleak=Rs=6.0 OhmIs=5.0e-9 A圖 13 二極管模型參數(shù)的設置圖 14 加入二極管后的電路圖21 / 34（6） 、在原理圖設計窗口中選擇“Devices-Diodes”元件面板列表，并在面板中選擇兩個Diode 插入到原理圖中，將二極管按照圖 14 所示的方式連接到電路原理圖中。二極管中的Model=DIODEM1 說明，二極管的參數(shù)由二極管模型 DIODEM1 決定。（7） 、雙擊原理圖中的電容和電感，分別設置電容值為 0.35pF，電感值為 1.66nH，設置完成的匹配網(wǎng)絡如圖 15 所示。 圖 15（8） 、在原理圖

45、設計窗口中選擇“TLines-Microstrip”元件面板列表，并選擇一個 MLIN微帶線插入到原理圖中。（9） 、雙擊微帶線，設置微帶線的長度和寬度分別為 W=0.98mm 和 L=18.6mm。（10） 、把微帶線按照圖 16 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。圖 16 完整的混頻器電路22 / 343、低通濾波器的設計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，需要對信號進行濾波才能得到需要的中頻信號，下面設計中頻濾波器。（1）在工程中新建一個原理圖，命名為“filter_lp” 。（2）選擇“Lumped-Components”元件面板列表，

46、在元件面板中選擇 3 個電感和 2 個電容，并插入到電路原理圖中。（3）單擊工具欄中的【GROUND】按鈕，在原理圖中插入兩個“地” 。（4）按照圖 18 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，按照圖 17 所示的值對它們的參數(shù)進行設置：圖 17 濾波器電路的結構及參數(shù)設置（6）從“Simulation-S_Param”元件面板中選擇兩個終端負載元件，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“地” ，并與終端負載連接。這樣仿真電路就搭建完畢了，如圖 18 所示。圖 18 濾波器仿真電路23 / 34（8）

47、從“Simulation-S_Param”元件面板中選擇一個 S 參數(shù)仿真控制器，并按下面內容進行參數(shù)設置：a、 Start=0.1GHz，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。完成設置的 S 參數(shù)仿真控制器如圖 19 所示。（9）單擊工具欄中的【Simulate】按鈕進行仿真，并等待仿真結束。（10）仿真結束后，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關于參數(shù)的矩形圖，如圖 20 所示。從圖 22 中可以看出，這顯然是一個低21S通濾波器的幅度響應。這樣低通

48、濾波器的設計就完成了，下面開始對混頻器電路進行仿真。S_ParamSP1Step=10 MHzStop=4 GHzStart=0.1 GHzS-PARAMETERS圖 19 完成設置的 S 參數(shù)仿真控制器0.51.01.52.02.53.03.50.04.0-40-30-20-10-500freq, GHzdB(S(2,1)圖 20 濾波器的參數(shù)曲線21S24 / 34四、混頻器性能仿真1、混頻器功能仿真現(xiàn)對混頻器的功能進行驗證，通過觀察本振信號、輸入射頻信號和輸出中頻信號驗證混頻器的混頻功能。1.1、仿真原理圖的建立首先建立對混頻器進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

49、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制到新的電路原理圖中，并按照圖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。圖 21 濾波器與混頻器的連接25 / 34（4）雙擊兩個功率源，按照下面的內容設置它們的參數(shù)。1PORT1 的參數(shù)為a、P=dbmtow(RF_pwr)，表示功率源 PORT1 的輸出信號功率為 RF_pwr dBm。b、Freq= RF_freq GHz，表示功率源 PORT1 的輸出信號頻率為

50、 RF_freq GHz。2PORT2 的參數(shù)為a、P=dbmtow(LO_pwr)，表示功率源 PORT2 的輸出信號功率為 LO_pwr dBm。b、Freq= LO_freq GHz，表示功率源 PORT2 的輸出信號頻率為 LO_freq GHz。完成設置的功率源如圖 22 所示VARVAR1LO_freq=3.6LO_pwr=10RF_freq=3.8RF_pwr=-20EqnVar 圖 22 濾波器與混頻器的連接 圖 23 VAR 控件中的變量（5）單擊工具欄中的【VAR】按鈕，在原理圖中插入一個變量控件，雙擊變量控件，按照下面的內容設置變量及其默認值：a、RF_pwr=-20，表

51、示變量 RF_pwr 的默認值為-20 dBm。b、RF_freq=3.8，表示變量 RF_freq 的默認值為 3.8 GHz。c、LO_pwr=10，表示變量 LO_pwr 的默認值為 10 dBm。d、LO_freq=3.6，表示變量 LO_freq 的默認值為 3.6GHz。完成設置的 VAR 控件如圖 23 所示。（6）選擇“Simulation-HB”元件面板，兵在面板中選擇一個終端負載插入到原理圖的輸出端。（7）單擊工具欄中的【GROUND】按鈕，在原理圖中插入 3 個“地” ，分別連接在 3 個端口元件的接地端。（8）在工具欄中單擊【Insert Wire/Pin Lables

52、】按鈕，在電路原理圖的輸出端插入一個節(jié)點名稱 Vout。這樣就完成了仿真原理圖的建立，如圖 24 所示。26 / 34圖 24 執(zhí)行仿真的電路原理圖1.2、功能仿真建立仿真原理圖完畢，下面進行混頻器的功能仿真，具體過程如下。（1）選擇“Simulations-HB”元件面板，并在面板中選擇一個諧波平衡法仿真空著器。插入到原理圖中。（2）雙擊平衡法仿真控制器，按下面內容對它的參數(shù)進行設置：A、Freq1=RF_freq GHz，表示基波頻率1的頻率值與射頻信號頻率相同。B、Freq2=LO_freq GHz，表示基波頻率2的頻率值與本振頻率相同。C、Order1=3，表示基波頻率1的次數(shù)為 3。

53、D、Order2=3，表示基波頻率2的次數(shù)為 3。完成設置的諧波平衡法仿真控制器如圖 25 所示。27 / 34HarmonicBalanceHB1Order2=3Order1=3Freq2=LO_freq GHzFreq1=RF_freq GHzHARMONIC BALANCE2468101214016-150-100-50-2000freq, GHzdBm(Vout)圖 25 完成設置的諧波平衡仿真控制器 圖 26 Vout 信號的頻譜（2）單擊工具欄中的【Simulate】按鈕執(zhí)行仿真，并等待仿真結束。（3）仿真結束后，系統(tǒng)彈出數(shù)據(jù)顯示窗口，在數(shù)據(jù)顯示窗口中加入一個關于Vout 頻譜的矩

54、形圖，如圖 26 所示。從圖中可以看出，Vout 信號中含有多種頻率成分。（4）在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個關于索引值 Mix 的數(shù)據(jù)列表，顯示輸出信號的頻率成分以及對應的諧波索引值。如圖 27 所示。（5）雙擊圖 26 所示的矩形圖，在彈出的窗口中選擇【Plot Options】選項卡，在【Select Axes】項中選擇 x 軸，取消【Auto Scale】選項，并設置矩形圖中 x 軸的顯示范圍為 0500MHz，單擊【OK】按鈕確認。此時圖中只顯示 Vout信號中頻率為 0500MHz 的部分，在圖中插入一個標記，觀察 200MHz 頻率分量的功率值，如圖 28 所示。freq0.0000

55、Hz200.0 MHz400.0 MHz3.400 GHz3.600 GHz3.800 GHz4.000 GHz7.000 GHz7.200 GHz7.400 GHz7.600 GHz7.800 GHz10.80 GHz11.00 GHz11.20 GHz11.40 GHz14.60 GHz14.80 GHz15.00 GHzMixMix(1)Mix(2)012-1012-1012301231230-1-2210-13210-132103210500-150-100-50-2000freq, MHzdBm(Vout)Readoutm1m1freq=dBm(Vout)=-31.826200.0M

56、Hz 圖 27 頻率索引值列表 圖 28 中頻信號的功率值由于射頻信號幅度為 3.6GHz，本振信號幅度為 3.8GHz,，因此中頻信號幅度應為 200MHz，輸出信號的頻率中有這個頻率成分，且功率值為-32dBm 左右，這就驗證了混頻器的功能。28 / 342、本振功率的選擇混頻器本振功率的值對混頻器的性能有很大的影響，下面就通過仿真分析混頻器輸入本振信號功率的最佳值。（1）雙擊諧波平衡仿真控制器，在參數(shù)設置窗口中選擇【sweep】選項卡，按照下面的內容設置參數(shù)掃描：a、 Start=1，表示本振信號功率的起始點為 1。b、Stop=20，表示本振信號功率的終止點為 20。c、Step=1，

57、表示本振信號功率的掃描間隔為 1。d、SweepVar=LO_pwr，表示掃描參數(shù)為本振信號功率。完成參數(shù)設置的諧波平衡法仿真控件如圖 29 所示。HarmonicBalanceHB1Step=1Stop=20Start=1SweepVar=LO_pwrOrder2=3Order1=3Freq2=RF_freq GHzFreq1=LO_freq GHzHARMONIC BALANCE0500-200-150-100-50-2500freq, MHzdBm(Vout)200.0M-31.83 m1m1freq=dBm(Vout)=-21.575LO_pwr=14.000000200.0MHz圖

58、29 HB 控件中設置參數(shù)掃描 圖 30 中頻信號的最大輸出功率（2）單擊工具欄中的【Simulate】按鈕進行仿真，并等待仿真結束。（3）仿真結束后，查看輸出信號的頻譜，并在頻率值為 200MHz 處插入一個標記，如圖 30 所示。從圖 30 中可以看出，當本振頻率為 14dBm 時，輸出信號中中頻信號的功率值最大，為-21.575dBm。（4）在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個轉換增益的測量方程，轉換增益為輸出信號中頻的功率與輸入射頻信號功率的差值，因此方程的內容為，如圖 31 所示。201,-1)ut,dBm(mix(Vocon_gain（5）在數(shù)據(jù)顯示窗口中添加一個轉換增益與輸入本振信號功率的關

59、系曲線，如圖 32 所示。29 / 34Eqn con_gain=dBm(mix(Vout,1,-1)+2024681012141618020-40-30-20-10-500LO_pwrcon_gainReadoutm2m2indep(m2)=plot_vs(con_gain, LO_pwr)=-1.57514.000 圖 31 轉換增益方程 圖 32 轉換增益與本振信號功率的關系曲線3、混頻器的三階交調點分析3.1、三階交調點的測量（1）刪除變量控件中的 RF_freq 和 LO_freq 變量，如圖 33 所示。（2）單擊原理圖設計窗口工具欄中的【VAR】按鈕，在原理圖中插入一個新的變量控

60、件，并在控件中添加如下變量：1、 IF_freq=RF_freq-LO_freq，表示中頻頻率為射頻頻率與本振頻率之差。2、 RF_freq=3.8，表示射頻頻率為 3.8GHz。3、 LO_freq=3.6，表示本振頻率為 3.6GHz。4、 fspacing=0.2e-3,表示頻率間隔為 200KHz。完成設置的變量控件如圖 34 所示。VARVAR1LO_pwr=10RF_pwr=-20EqnVar VARVAR2fspacing=0.2e-3LO_freq=3.6RF_freq=3.8IF_freq=RF_freq-LO_freqEqnVar 圖 33 VAR1 中的變量 圖 34 VAR2