實驗七 混頻器的仿真設(shè)計

1、XIAN JIAOTONG UNIVERSITY1. 理解微波混頻器的主要性能指標(biāo)2. 掌握微波混頻器的分析方法及基本應(yīng)用3. 掌握單端微波二極管和單平衡混頻器的結(jié)構(gòu)特點、電路形式和工作原理；4. 掌握用ADS進(jìn)行混頻器仿真的方法與步驟一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?降頻器RF濾波器前置放大器IF帶通濾波器RF濾波器LNAIF濾波器IF放大器接收天線功率分配器發(fā)射天線功率放大器升頻器IF放大器BaseProcessorUnit(BPU)GainControllerPADPADPLLVCO混頻器是微波集成電路接收系統(tǒng)中必不可少的部件。在微混頻器是微波集成電路接收系統(tǒng)中必不可少的部件。在微波通信、雷達(dá)、

2、遙控、遙感、偵察與電子對抗波通信、雷達(dá)、遙控、遙感、偵察與電子對抗系統(tǒng)以及系統(tǒng)以及微波測量微波測量系統(tǒng)中，將微波信號用混頻器降到中低頻來進(jìn)行處理。系統(tǒng)中，將微波信號用混頻器降到中低頻來進(jìn)行處理。二、微波混頻器典型電路結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)二、微波混頻器典型電路結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo) 變頻損耗 噪聲系數(shù) 端口隔離度 駐波比 動態(tài)范圍 三階交調(diào)系數(shù) 鏡頻抑制度 交調(diào)失真n 混頻器電路的主要技術(shù)指標(biāo)混頻器電路的主要技術(shù)指標(biāo)n 混頻器電路的基本要求混頻器電路的基本要求 信號功率和本振功率應(yīng)同時加到混頻二極管上； 二極管要有直流通路和中頻輸出通路； 二極管和信號回路應(yīng)盡可能匹配，以便獲得較大的信號功率； 本振與混頻器之

3、間的耦合量應(yīng)能調(diào)節(jié)，以便選擇合適的工作狀態(tài)； 中頻輸出端應(yīng)能濾掉高頻分量（信號和本振）下變頻下變頻接收機(jī)接收機(jī)和頻差頻n混頻器的基本概念及指標(biāo)混頻器的基本概念及指標(biāo)載波頻率下邊帶上邊帶上變頻上變頻發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)大量諧波及其高階產(chǎn)物大量諧波及其高階產(chǎn)物鏡頻多數(shù)多數(shù)微波系統(tǒng)中的混頻器是單邊帶工作；鏡頻噪聲使混頻微波系統(tǒng)中的混頻器是單邊帶工作；鏡頻噪聲使混頻器的噪聲系數(shù)惡化，因此需抑制鏡頻。器的噪聲系數(shù)惡化，因此需抑制鏡頻。tfftffABtfBtfALoRFLoRFLoRF)cos()cos(22cos2cos鏡頻抑制度鏡頻抑制度：表征混頻器對鏡頻信號抑制程度的指標(biāo)。定義：在信號頻率和鏡頻上分別輸入

4、同樣的功率信號時所產(chǎn)生的中頻信號幅度之比，通常用分貝表示。變頻損耗指標(biāo)變頻損耗指標(biāo)LC：混頻過程伴隨著信號能量的重新分配，導(dǎo)致中頻信號幅度低于射頻信號幅度定義：為輸入射頻信號的資用功率PRF 與輸出中頻信號資用功率PIF 之比: 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)NF：定義為輸入信號信噪比Si/Ni與輸出信號信噪比So/No的比值：3階交調(diào)系數(shù)階交調(diào)系數(shù)Mi：輸入信號包括兩個以上的頻率分量時，混頻器輸出信號中將產(chǎn)生交調(diào)分量，出現(xiàn)交調(diào)干擾（IMD）。影響最大的是 3 階交調(diào)分量（3階交調(diào)的階次最低，幅度最大）。 )(logdBcPPMavailIFIMi310混頻器隔離度混頻器隔離度：是指各頻率端口之間的隔離度，

5、該指標(biāo)包括三項，信號與本振之間的隔離度，信號與中頻之間的隔離度，本振與中頻之間的隔離度。隔離度定義是本振或信號泄漏到其他端口的功率與原有功率之比，單位為dB。)(21sSLmn雙頻交調(diào)分量雙頻交調(diào)分量m + n = k為交調(diào)失真的階數(shù)三、混頻器的基本電路結(jié)構(gòu)三、混頻器的基本電路結(jié)構(gòu)1、 混頻管二極管混頻管二極管 通常非線性變頻管采用二極管（非線性電阻二極管：肖特基勢壘二極管）,本振輸入功率約210mW，變頻損耗約-4dB左右，噪聲系數(shù)約4-6dB. 非線性電容二極管：變?nèi)莨?、階躍恢復(fù)二極管等,利用結(jié)電容對所加電壓的非線性變化來實現(xiàn)頻率變換。一般為15-25mW，變頻損耗約-6dB左右 晶體管（

6、微波場效應(yīng)管，MESFET）。采用肖特基勢壘二極管做變頻元件：變頻損耗相對較高，但是它結(jié)構(gòu)簡單，便于集成化，工作頻帶寬，可能達(dá)到幾個甚至幾十個倍頻程。它的噪聲較低而且工作穩(wěn)定，動態(tài)范圍大，不容易出現(xiàn)飽和。肖特基勢壘二極管結(jié)構(gòu)如圖所示，在N+半導(dǎo)體（Si或GaAs）襯底基片上生長外延層（大約0.5m），外延層上做一層SiO2保護(hù)層，腐蝕出小孔（直徑約為1m-5m），再蒸發(fā)金屬，小孔中的金屬與外延半導(dǎo)體形成肖特基勢壘結(jié)。在勢壘金屬上再鍍出金屬電極就構(gòu)成了二極管芯。窗孔直徑愈小，結(jié)電容愈小，則工作頻率愈高。肖特基二極管管芯結(jié)構(gòu)示意圖肖特基二極管是是以金屬A為正極，以N型半導(dǎo)體B為負(fù)極，利用二者接觸面

7、上形成的勢壘具有整流特性而制成的金屬-半導(dǎo)體器件。因為N型半導(dǎo)體中存在著大量的電子，貴金屬中僅有極少量的自由電子，所以電子便從濃度高的B中向濃度低的A中擴(kuò)散，于是就形成了肖特基勢壘。肖特基二極管具有功耗低、電流大、正向?qū)▔航档?、肖特基二極管具有功耗低、電流大、正向?qū)▔航档汀⒎聪蚧謴?fù)時間極短（可以小到幾納秒）的超高速半導(dǎo)體器件。反向恢復(fù)時間極短（可以小到幾納秒）的超高速半導(dǎo)體器件。對外主要呈現(xiàn)非線性電阻特性，是構(gòu)成微波混頻器、檢波器對外主要呈現(xiàn)非線性電阻特性，是構(gòu)成微波混頻器、檢波器和微波開關(guān)等的核心元件。和微波開關(guān)等的核心元件。 n 肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管n 混頻二極管封裝結(jié)構(gòu)及

8、等效電路混頻二極管封裝結(jié)構(gòu)及等效電路(a) “炮彈”式封裝；(b) 微帶封裝；(c) SOT貼片封裝面結(jié)合型二極管結(jié)構(gòu)和等效電路肖特基勢壘二極管等效電路Rj為二極管的非線性結(jié)電阻，是阻性二極管的核心等效元件。Rj隨外加偏壓而改變，正向時約為幾歐姆，反向時可達(dá)M量級。 Cj為二極管的非線性結(jié)電容。 Cj隨二極管的工作狀態(tài)而變，電容量在百分之幾皮法到一皮法之間。 肖特基二極管的伏安特性可表示為：SS=1exp1expqUI f UInkTIUe是電子電荷，k是波爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度，一般情況n1至1.2。室溫下=30至40， Is是反向飽和電流 混頻二極管上加大功率本振、小功率信號及直流偏置(

9、或零偏壓)時定義二極管的時變電導(dǎo)g(t)為 ()0LL0LLE +U costv=E +U cost0LLsdig t = fv = fE +U costI edv電流在工作點用泰勒級數(shù)展開：n 二極管的非線性電阻混頻機(jī)理二極管的非線性電阻混頻機(jī)理0LLSS0LL0LLSS20LLSS(coscos) (cos)(cos)cos1 (cos)(cos)2!if EUtUtf EUtfEUt UtfEUt UtSS0SSSLS1( )coscoscos()nnig t Utg Utg Unt201( )cos() ()2nLLgg tnt dt混頻器電流的主要頻譜(設(shè)0=SL)從上分析可見： 在

10、混頻器中產(chǎn)生了無數(shù)的組合頻率分量，若負(fù)載ZL采用中頻帶通濾波器，就可以取出所需的中頻分量而將其他組合頻率濾掉（ I1=g1US ） 混頻過程中，本振是強(qiáng)信號，它產(chǎn)生了無數(shù)的諧波，但其諧波功率大約隨1/n2變化(n為諧波次數(shù)) 信號頻率與本振頻率產(chǎn)生的和頻+=L+S、差頻0=SL、鏡頻(關(guān)于本振)i=2LS=L0分量。如果在輸入電路中將鏡頻反射回二極管并重新與本振混頻，即可再次產(chǎn)生中頻Li=0（鏡頻回收以減小變頻損耗）。 2、單端混頻器：最簡單的混頻器電路。用于要求不高的場合、單端混頻器：最簡單的混頻器電路。用于要求不高的場合1定向耦合器(本振與信號隔離)；2阻抗變換器；3相移線段(阻抗匹配)；

11、4混頻二極管; 5高頻旁路；6半環(huán)電感及縫隙電容(濾除高頻、中頻回路)；7中頻和直流通路(高頻有效短路及偏壓)；8匹配負(fù)載 設(shè)計微帶線長度時是以信號頻率對應(yīng)的微帶波導(dǎo)波長為基準(zhǔn)的。由于信號頻率和本振頻率很接近，按信號波長設(shè)計對本振傳輸帶來的影響不大； 另一方面是由于信號功率比較弱，電路設(shè)計務(wù)必要保證信號的損失最小，因此只能犧牲部分本振功率。g/2鏡頻開路單端混頻器鏡頻開路單端混頻器2. 雙管單平衡混頻器電路雙管單平衡混頻器電路結(jié)構(gòu)：混合網(wǎng)絡(luò) + 兩個單口混頻器優(yōu)點：噪聲系數(shù)低、動態(tài)范圍大、本振功率小、無偶數(shù)階產(chǎn)物電橋作用：（環(huán)形橋、分支線定向耦合器）輸入信號、本振功率平分加到兩個混頻管，得到充

12、分利用增加工作帶寬RF端口實現(xiàn)完全匹配RF-LO完全隔離抑制諧波，減少失真、干擾與損耗LfSfiff4344123441D2Dn /2型（型（90）移相型平衡混頻器）移相型平衡混頻器 加到兩管上的信號加到兩管上的信號( (本振本振) )相位差為相位差為/2。1212cos() cos()2cos() cos()2ssssssLLLLLLuVtuVtuVtuVt混頻電導(dǎo)為：混頻電導(dǎo)為：2( )012cos()2tnLnngggnt1( )012cos()tnLngggntn混頻電流為：混頻電流為：11( )1012cos()cos()2tsnLssniguggntnVt22( )2012cos(

13、)cos()2tsnLssnniguggntVt中頻電流為：中頻電流為：01110cos ()cos()22ssLsigVtgVt0211001cos ()cos()22ssLsigVtgVti 輸出中頻電流為：輸出中頻電流為：00102011022cos()2siiiigVt)2(cos)()()2(cos)(21tntmUgtitntmUgtiLSSnLSSn nLSmnmnLSmnmtnmjnjItitnmnmjIti)(exp2exp)()expj()2(exp)(21 nLSmnmjnjmjntnmjItiti)2exp()2exp(exp)(exp)()(21兩管輸出端電流兩管輸出

14、端電流表示成傅立表示成傅立葉級數(shù)葉級數(shù)總電流總電流um = n各項不存在u相差2 的各項不存在 （例 m=1，n=3，.)單平衡混頻器的組合頻率單平衡混頻器的組合頻率n 1800（反相型）平衡混頻器（反相型）平衡混頻器 加到兩管上加到兩管上的信號同相，的信號同相，本振相位差本振相位差為為。本振偶次諧波。本振偶次諧波組合頻率無輸出、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。組合頻率無輸出、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。12cosSSSsUUVt2cosLLLUVt1cos()LLLUVt兩管的混頻跨導(dǎo)分別為：兩管的混頻跨導(dǎo)分別為：2( )012costnLngggnt1( )012cos()tnLngggntn流過兩管的電流分別為：流過兩管的電流

15、分別為：12( )012cos()costsnLssniguggntnVt21( )012coscostsnLssniguggnt VtLfSfiff4344123441D2DfLfS中頻電流成分為：中頻電流成分為：0211001110cos()coscos()cosssLsssLsigVtgVtigVtgVt 總輸出中頻電流為：總輸出中頻電流為：00201102cossiiigVt對隨同本振進(jìn)入的噪聲：對隨同本振進(jìn)入的噪聲：2cosnnnuVt1cos()nnnuVt混頻后產(chǎn)生的中頻噪聲輸出為：混頻后產(chǎn)生的中頻噪聲輸出為：2110cos()cosnnnLnnigVtgVt1110cos ()

16、()cosnnnLnnigVttgVt在輸出端實際輸出的噪聲電流為：在輸出端實際輸出的噪聲電流為：210Lnnniii在輸出端可有效抑制本振噪聲，改善噪聲性能在輸出端可有效抑制本振噪聲，改善噪聲性能輸出：輸出：212cos21nsLsiiig Vit n n為偶數(shù)的高次諧波電流被完全抵消，只剩下奇次諧波為偶數(shù)的高次諧波電流被完全抵消，只剩下奇次諧波電電流流(n=2i+1)(n=2i+1)，所以電路本身抵消了一半高次諧波電流分量。所以電路本身抵消了一半高次諧波電流分量。對混頻后產(chǎn)生的高次諧波對混頻后產(chǎn)生的高次諧波21cos()cos ()nsLsnsLsig Vntig Vntn3、鏡像回收混頻

17、器、鏡像回收混頻器(a)給出了分支線電橋的信號和本振輸入端都放置了平行耦合鏡像帶阻濾波器，在該處它們鏡像開路。由于該處距二極管約為Sg4, 因而在兩個二極管輸入接點處鏡像信號被短路到地。(b) 在靠近連接二極管端口處有一耦合微帶線作帶阻濾波器，該濾波器由兩段1/4鏡頻波長的短線組成，一段終端開路，另一段與主傳輸線平行，形成平行耦合微帶線。位置要調(diào)整到剛好使鏡頻和本振二次混頻后的中頻和一次混頻的中頻同相疊加，可回收鏡頻能量，提高混頻器性能。（a）鏡像短路平衡混頻器（）鏡像短路平衡混頻器（b）鏡像開路平衡混頻器）鏡像開路平衡混頻器Photograph of a 35 GHz microstrip

18、monopulse radar receiver circuit. Three balanced mixers using ring hybrids are shown, along with three stepped-impedance low-pass filters, and six quadrature hybrids. Eight feedlines are aperture coupled to microstrip antennas on the reverse side. The circuit also contains a Gunn diode source for th

19、e local oscillator. Courtesy of Millitech Corporation.例子：設(shè)計例子：設(shè)計C波段微帶混頻器，分析其非線性特性。波段微帶混頻器，分析其非線性特性。技術(shù)指標(biāo)：射頻信號（技術(shù)指標(biāo)：射頻信號（RF）：）：3.6 GHz 本振頻率（本振頻率（LO）：）：3.8 GHz 中頻頻率（中頻頻率（IF）：）：200MHz 噪音系數(shù)：噪音系數(shù)：15dB微微帶帶單單平平衡衡混混頻頻器器1、設(shè)計、設(shè)計3dB定向耦合器定向耦合器 建新工程建立新設(shè)計，選擇【TLines-Microstrip】 執(zhí)行菜單命令【Tools】-【LineCalc】-【Start LineCalc】計算微帶線的寬度和長度：頻率3.8GHz阻抗50W：/4=11.01mm，W=0.98mm阻抗35.36W：/4=10.74mm，W=1.67mm 設(shè)計原理圖設(shè)置L1變量（1012），L2變量（911） 設(shè)置優(yōu)化參數(shù) 優(yōu)化仿真更新數(shù)據(jù)保存文件觀察結(jié)果Goal 1Goal 2Goal 3Goal 4ExprdB(S(1,1)dB(S(2,1)dB(S(3,1)dB(S(4,1)SimInstanceNameSP1SP1SP1SP1IndepVar1freqfreqfreqfreqLimitType1Lim