1、 湖南理工學院 射頻電路課程設計 序號：609 論文題目： 混頻器的設計 姓 名： 劉 志 昌 院 別： 信息與通信工程 專 業(yè)： 電子信息工程 學 號： 指導老師： 粟向軍 目錄摘要3一、 混頻器基本原理3二、具體設計過程41 創(chuàng)建一個新項目42 3dB定向耦合器設計53 低通濾波器84 混頻器頻譜分析9（1） 設計完整的電路9（2） 設置變量11（3） 配置仿真器125 噪音系數(shù)仿真146 噪聲系數(shù)隨RF頻率的變化147 三階交調(diào)系數(shù)158 功率三階交調(diào)系數(shù)17三、總結(jié)18參考文獻：18 摘要在無線通信系統(tǒng)中，混頻器是一種常見的射頻電路組件，主要用來將不同頻率的信號相乘，以實現(xiàn)頻率的變換。

2、它最基本的兩個作用：上變頻和下變頻。其中上變頻的作用是將中頻信號與射頻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；下變頻的作用是將天線接收到的射頻信號與本地載波信號混頻，經(jīng)過濾波后得到中頻信號，并送到中頻處理模塊進行處理。本設計通過ADS仿真掌握射頻電路的工程設計方法和技巧，熟悉射頻電路的調(diào)試過程，建立設計、開發(fā)射頻電路和產(chǎn)品的系統(tǒng)概念，提高專業(yè)素質(zhì)和工程實踐能力。關(guān)鍵字：混頻器、ADS、變頻1、 混頻器基本原理圖1為一微帶平衡混頻器，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1設射頻信號

3、和本振分別從隔離臂1、2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(guān)系。通過定向耦合器，加到D1，D2上的信號和本振電壓分別為：D1上電壓 1-1 1-2D2上電壓 1-3 1-4可見，信號和本振都分別以相位差分配到兩只二極管上，故這類混頻器稱為型平衡混頻器。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：同樣，D2式中的混頻器的電流為：當時，利用的關(guān)系，可以求出中頻電流為：主要的技術(shù)指標有： 噪音系數(shù)和等效相位噪音(單邊帶噪音系數(shù)、雙邊帶噪音系數(shù))； 變頻增益，中頻輸出和射頻輸入的比較； 動態(tài)范圍，這是指混頻器正常工作時的微波輸入功率

4、范圍； 雙頻三階交調(diào)與線性度； 工作頻率； 隔離度； 本振功率與工作點。二、具體設計過程1 創(chuàng)建一個新項目 啟動ADS，彈出ADS主窗口。 菜單FileNew Project，然后按照提示選擇項目保存的路徑和輸入文件名 點擊“ok”這樣就創(chuàng)建了一個新項目。 點擊，新建一個電路原理圖窗口，命名為3dB_coupler，并單擊工具欄中的SAVE按鈕保存。2 3dB定向耦合器設計 在原理圖設計窗口的元件面板列表中選擇“Tlines-Microstrip”元件面板。 選擇，并雙擊編輯其中的屬性，這是微帶線基板的參數(shù)設置，其中的各項的物理含義，可以參考ADS的幫助文檔。 選擇，這是一個微帶傳輸線，選擇，

5、這是一個三叉口。 按照下圖設計好電路圖圖2 3dB耦合器其中50 ohm傳輸線的線寬w0.98mm，四分之一波長長度為10.46mm，35ohm傳輸線的線寬為w1.67mm，四分之一波長長度為10.2mm。MTEE是三端口器件，有三個參數(shù)W1，W2，W3具體是有定義的，可以此參考ADS幫助文檔。 選擇類“SimulationS_Param”并把仿真器和“Term”拉出來放好。圖3 雙擊，修改里面的屬性，要求從3.2GHz到4.4GHz掃描。 保存文檔。 按“F7”仿真。 在數(shù)據(jù)顯示中插入一個關(guān)于S11參數(shù)和一個關(guān)于S22參數(shù)的矩形圖，如圖6所示。從圖中可以看出，S11參數(shù)曲線和S22參數(shù)曲線在

6、3.8GHz處的值都在-40dB以下，說明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。 圖6 在數(shù)據(jù)顯示窗口中，插入一個關(guān)于S31參數(shù)和一個關(guān)于S41參數(shù)的矩形圖，如圖7所示?？梢钥吹?端口到3端口以及從1端口到4端口的都有3dB左右衰減，這同樣滿足設計要求。 圖7 在數(shù)據(jù)顯示窗口中分別插入一個關(guān)于S31參數(shù)相位和一個關(guān)于S41參數(shù)相位的矩形圖，如圖8所示。可以看到相位曲線是線性的，這同樣滿足設計要求。 圖8相位特性這樣就完成了3dB定向耦合器的設計，并仿真表明，它的參數(shù)完全滿足設計要求，可進行混頻器電路其他電路部分的設計。3 低通濾波器由于混頻器輸出的頻率成分中含有其他的高次諧波成分，

7、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。1 在工程中心建一個原理圖，命名為filter_lp.2 選擇Lumped Component元件面板，在元件中選擇3個電感和2個電容，并插入到原理圖中，設置好參數(shù)。3 按照圖9連接好電路圖，并從Simulation-S_Param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。圖9 低通濾波器電路圖4 從Simulation-S_Param面板中選擇S參數(shù)仿真控制器，并設置Start=0.1GHz,表示頻率掃描從0.1開始。Stop=4GHz,表示頻率掃描到4GHz終止。Step=10MHz,表示頻率掃描間隔10MHz。

8、單擊仿真按鈕，并查看仿真結(jié)果。如圖10所示。 圖 10低通濾波器的仿真結(jié)果4 混頻器頻譜分析（1） 設計完整的電路 按照下圖加入元件連接好設置詳細參數(shù)。圖11 完整的電路圖把混頻器的電路圖分解為如下圖所示的8個部分，下面分別說明一下這8個部分具體的情況。圖12 第一部分 第二部分第三部分就是上面設計出來的3dB定向耦合器，具體請參考3dB耦合器一章。第4部分 匹配電路第5部分是晶體管，其中晶體管是使用了模型，具體操作是這樣的，先在類“Devices-Diodes”里面，選擇，并雙擊修改里面的屬性，建立二極管模型， 圖13選擇，并在相應的位置把器件放好，其中DIODE1，和DIODE2都是引用了

9、剛才設計的二極管模板“DIODEM1”。第6部分是輸出阻抗匹配電路，使用傳輸線做阻抗匹配，第6部分第7部分是低通濾波器，具體電路參考低通濾波器設計電路。第8部分是一個“Term”，用來做輸出負載的?！癟erm”是在“Simulation S-Param”中獲得的。第8部分注意：第1部分是射頻輸入端口，端口號就是(Num)要設計為“1”；第2部分是本振輸入端口，端口號要設計為“3”。這是一般用HB Simulation仿真的規(guī)范要求。（2） 設置變量 在電路原理圖窗口上，選擇，雙擊，修改其屬性，如下圖所示。 在類“Optim/Stat/Yield/DOE”里面，選擇，并雙擊修改其屬性為（3） 配

10、置仿真器 在類“Simulation-HB”里面選擇和，先雙擊修改其屬性，主 要是把溫度改為符合IEEE標準的16.85度。 雙擊，配置諧波平衡仿真器，具體參見下圖 圖 14 圖15圖19 選擇krylov來做噪音仿真 按“F7”進行仿真。 在出現(xiàn)的“DataDisplay”窗口中，選擇，并點擊“advance”項目，在對話框里面輸入“dBm(Vif)”點擊“Ok”就可以顯示中頻輸出的頻譜分量。仿真結(jié)果如下圖所示： Vout信號的頻譜 中頻信號的功率譜 選擇，選擇顯示“ConvGain”結(jié)果如下圖所示圖185 噪音系數(shù)仿真在上面仿真的基礎(chǔ)上，稍微把仿真器修改一下就可以得到噪音系數(shù)的仿真結(jié)果，雙

11、擊，修改第二項“Sweep”表示不在對本振功率“PLO”進行掃描，其他項目不需要做任何改動。 按“F7”進行仿真。 在新出現(xiàn)的“DataDisplay”窗口中，選擇，并把nf(2)添加進去。6 噪聲系數(shù)隨RF頻率的變化在上面噪音仿真的基礎(chǔ)上，做如下改動： 修改變量如下圖所示： 把射頻輸入端的功率源換成一個“Term” 。 在類“Simulation-HB”選擇一個，雙擊修改其屬性為：表示從1。0GHz掃描到6.0GHz，步長是0.1GHz。 配置仿真器，如下圖所示。 按“F7”進行仿真。 在新出現(xiàn)的“DataDisplay”窗口中，點擊，并在“advance”對話框中輸入“plot_vs(nf

12、(2),HB_NOISE.RFfreq)最后的仿真結(jié)果如下圖所示。圖307 三階交調(diào)系數(shù)電路原理圖不變，然后做下面的修改 設置變量如下圖所示： 設計輸出變量，在類“Optim/Stat/Yield/DOE”里面點擊，然后雙擊編輯屬性 在類“Sources-Freq Domain”里面，選擇，并把該器件放在1端口，就是射頻輸入端口，雙擊修改其屬性。 仿真器配置 按“F7”進行仿真 在新出現(xiàn)的“DataDisplay”窗口中，選擇，雙擊，在“advance”里面加入“dBm(Vif)”，并修改坐標最后的仿真結(jié)果如下圖所示 圖158 功率三階交調(diào)系數(shù) 在上面的基礎(chǔ)上，修改下面的參數(shù) 變量 把仿真器中的一項改掉，其他不變，就是加入了一個掃描變量 最后仿真的結(jié)果是圖16三、總結(jié)這是一個微帶平衡混頻器，主要是有幾部分組成：3dB定向耦合器、二極管的輸入、輸出阻抗匹配電路、兩個二極管、輸出低通濾波器。本文中，我們先介紹了3dB定向耦合器的仿真，其中原理部分可以參考其他資料，在知道了原理后，可以利用一些小軟件計算線寬。后面是介紹一個低通濾波器的設計和仿真，這是比較簡單的，