基于ADS的微波混频器的设计与仿真

湖南文理学院芙蓉学院本科生毕业论文 (设计 )题 目： 基于 ADS 的微波 混频器的设计与仿真 学生姓名： 吴炜 学 号： 10160132 专业班级： 通信 1001 班 指导教师： 戴正科 完成时间： 2014 年 4 月 22 日 I目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪 论 .11.1 课题背景及意义.11.2 微波混频 器介绍.21.3 国内外研究现状.31.4 设计要求.51.5 方案比较与选择 .51.5.1 方案一：基于 ADS 的微波混频器的设计与仿真 .51.5.2 方案二：基于 microwave office 的微波混频器的设计与仿真 .61.5.3 方案三：基于 CMRC 的微波混频器的设计与仿真 .6第 2 章 设计平台的介绍 .72.1 ADS 的概述 .72.2 ADS 的仿真设计方法 .7第 3 章 混频器的基本理论 .93.1 混频器的技术指标.93.1.1 变频损耗 .93.1.2 噪声系数 .103.1.3 隔离度 .113.1.4 动态范围 .123.1.5 本振功率与工作点 .123.1.6 工作带宽 .123.2 混频器的电路形式.133.2.1 单端混频器 .133.2.2 单平衡混频器 .133.2.3 双平衡混频器 .14第 4 章 混频器的设计与仿真 .16II4.1 混频器的原理.164.1.1 混频器的基本原理 .164.1.2 混频器的技术指标 .174.2 混频器的设计.184.2.1 3dB 定向耦合器的设计.184.2.2 完整混频器电路设计 .234.2.3 低通滤波器的设计 .254.3 混频器性能仿真.274.3.1 混频器功能仿真 .274.3.2 本振功率选择 .324.3.3 混频器的三阶交调点分析 .344.3.4 混频器的输入驻波比仿真 .38总结与展望 .40参考文献 .41致 谢 .43I摘 要混频器（mixer）是通信系统的重要组成部分，用于在所有的射频和微波系统进行频率变换，用于通信接收机，也是频率合成器等电子设备中的重要组成部分，用混频器可以实现频率加、减运算功能。晶体二极管的伏安特性曲线是非线性的，完全可以利用它作混频器件。二极管混频器与三极管相比较，具有动态范围大，噪声小，组合频率分量少，结构简单和工作频率高等优点。采用肖特基二极管的混频电路，工作频率可高到微波频段。因此，二极管混频电路在高质量的各种接收机和测量仪器中得到了广泛的应用。但是二极管混频器也有一个重要的缺点，那就是没有混频增益（混频增益小于 1） 。相对于单端混频器，单平衡混频器的输出电流频谱分量要比单端混频器小很多，在强信号时，它产生的组合分量也较少。这种混频器利用两个二极管，在同样强的输入信号下，分到每个管子的信号功率比单管混频少 3dB，因此它的动态范围也大一倍。此外这种平衡混频器还有抵消本振引入噪声所产生的中频噪声的能力。鉴于单平衡混频器的以上优点，通过 ADS 对单平衡混频器进行设计与仿真。对仿真电路图进行比较分析，混频器的输入三阶交调点和输出三阶交调点分别为-36.776dBm 和113.887dBm。输入驻波比为1.035。 1关键词：混频器；单平衡；ADS；三阶交调IIAbstractMixer is the important part of the communication systems, used in all of the RF and microwave system for frequency conversion, for communication receiver, frequency synthesizer and other electronic equipment is an important part of the mixer can achieve the frequency, with add, subtract functions.Crystal diode, volt-ampere characteristic curve is nonlinear, can use it for mixing device. Mixer diodes and transistors are compared, with large dynamic range, low noise, less combination frequency components, simple structure and high working frequency. The Schottky diode mixer circuit, working frequency can be high to the microwave band. Therefore, diode mixer circuit in the high quality of the various receiver and measuring instrument has been widely used. But the diode mixer also has an important drawback, that is no mixing gain ( mixing gain of less than 1). Compared to a single ended mixer, single balanced mixer output current spectrum component than single ended mixer is much smaller, with a strong signal, it generates less composite component. The mixer using two diodes, in the same strong input signals, into each tube signal power3dB less than one mixing, so its dynamic range is also a big times. In addition the balanced mixer and offset the vibration into the noise generated by the medium frequency noise. In view of the single balanced mixer of the above advantages, through ADS on the single balanced mixer design and simulation. Comparative analysis on Simulation of circuit diagram, the input of mixer three order intermodulation point and the output of the three order intermodulation point were -36.776dBm and113.887dBm. The input in Bobbi for 1.035.1Key words: Mixer;Single balanced;ADS ;Three order intermodulation基于 ADS 的微波混频器的设计与仿真1第 1 章 绪 论1.1 课题背景及意义微波混频器最重要的应用是在微波接收机中将接收的微波信号变换为中频，以便进一步对信号进行放大和解调。它可以作为微波接收机的前置级或者作为低噪声前置放大器的后续级。微波混频器的性能对微波接收机以至整个微波系统有重要的影响，特别当它作为接收机的前置级时更是如此。由于研制频率很高的低噪声放大器至今仍比较困难，所以在毫米波、亚毫米波波段都不得不采用混频器作为接收机的前置级，这就使它成为在这些波段实现低噪声接收的关键性部件。微波混频器除用于接收微弱信号外，还常常用于微波测试系统中。例如，利用微波混频器将微波信号变换为较低的频率，以便进行相位、衰减和频率等参数的测量。在这些应用中，由于工作电平较高，灵敏度一般不成为主要问题，但要求工作频带宽，频响好。混频器是在第二次世界大战中，伴随着雷达接收机而产生的。但由于当时微波半导体器件发展缓慢，影响了混频器的发展。直至五十年代中期，晶体管技术与外延单晶生长技术的不断发展，给混频器的发展提供了物质基础。到六十年代，表面势垒二极管和隧道二极管问世后，人们对混频器的研究才得到了迅速的进展。随着混频器技术的发展，混频器的理论也得到了很大的发展。由用幂级数法、贝塞尔函数法分析小信号对非线性器件的作用，发展到用开关函数法分析大信号对非线性器件的作用，使理论和实践更加接近。后来，用信号流图法分析混频器，就更加直观、清晰了。混频器的基本功能是作频率变换(又称变量技术)。随着频率合成技术的发展，它已不仅用作超外差接收机前端的混频器，而且还可以用来作乘法器 (即倍频器)、除法器 (分频器)。双平衡混频器在锁相技术中还可作鉴相器使用。因此，混频器的研制已发展成为一种专门技术。国外已有专门生产各种混频器的专业工厂，可根据用户提出的具体指标，在一定时间内提供合格的产品。 2基于 ADS 的微波混频器的设计与仿真21.2 微波混频器介绍为了能满足各种无线电设备的需要，有利于提高设备的性能，常常要将信号自某一频率变换成另一个频率，即混频。混频实际上是将两个不同的信号同时加到非线性器件进行频率组合，取出其差频或和频。由此可知，混频器在频域上起着减(加)法器的作用。由于中频信号比高频信号的频率低，有条件增加高频放大电路的级数，使远地电台的微弱信号也能获得足够的放大倍数，又不会产生高频自激振荡；又由于中频信号的频率不变，对不同频率电台的信号均能给出比较均匀的放大量，使接收灵敏度大大提高;再有，输人电台信号经过混频变为中频信号后，就可以在中频通道中顺利通过，从而避免了不需要的邻近频率的电台的窜入，从而提高了选样性和抗干扰能力。根据设备的要求不同，混频后的输出频率既可以低于输入信号频率，也可以高于输入信号频率。所以在通信系统中，混频器是必不可少的重要部件。实际上混频器原理是利用非线性器件达到一个频谱搬移的作用。在接收机中，混频器一般是位于接收机的前端或者在低噪声放大器的后续端，它的性能如变频损耗、噪声系数等直接影响到整个系统的好坏。所以在通信系统中，性能优越的混频器对整个系统起到关键作用，也是人们一直研究的课题。混频器一般由三部分组成：本机振荡器；一个或者多个非线性器件；滤波器。它起到一个频率变换的作用，以便于信号的处理。按非线性器件的不同性质，可以分为有源器件混频器和无源器件混频器两类:(1)采用晶体管或场效应管作为非线性器件的混频器称为有源器件混频器。缺点是需要额外的直流偏置，电路结构复杂，设计方法也比较复杂。其优点是可得到 46dB的增益，而且组合干扰小。经过理论分析与实践可以看出，场效应管混频器还有动态范围大、伏安特性曲线为平方律、交调干扰小、输入阻抗高及抗镜频干扰能力强等优点。所以场效应管混频器是一个很有前途的部件。(2)采用二极管作非线性器件的混频器称为无源器件。二极管一般包括肖特基势垒二极管、梁式引线二极管、变容管等。在微波毫米波段，肖特基势垒二极管是最常用的。二极管混频器的特点是，结构简单，便于集成化，工作稳定，而且性能良好。因此是目前主要的微波混频器，但由于这种混频器是无源器件，因此有一定的变频损耗。基于 ADS 的微波混频器的设计与仿真3当用多个二极管组成的混频电路，其工作频带可以达到几个或者几十个倍频程。按电路结构形式分，可将混频器分为两大类：一类是采用一个混频管的，称为单端混频器；另一类是用两个或四个相同特性的混频管组成平衡或环形电路的，称为平衡或环形混频器。单端混频器电路结构比较简单，但其性能较差。平衡混频器又可分为单平衡混频器及双平衡混频器两种，它们具有噪声小、灵敏度高、抗干扰能力强及频带宽等优点。从目前广泛应用的微带电路来看，单端混频器和单平衡混频器较容易实现。 31.3 国内外研究现状混频器最早是由 Armstmg 在 1924 年研制成功。五十年代中期，晶体管技术与外延单晶生长技术的不断发展，给混频器的发展提供了物质基础。到六十年代，表面势垒二极管和隧道二极管问世后，人们对混频器的研究才得到了迅速的发展。随着混频器技术的发展，混频器的理论也得到了很大的发展。由用幂级数法贝塞尔函数法分析小信号对非线性器件的作用，发展到用开关函数法分析大信号对非线性器件的作用，使理论和实践更加接近。后来，用信号流图法分析混频器，就更加直观、清晰了。从国外混频器的发展形势来看，从上世纪八十年代起混频器的研究热点主要集中于毫米波频段。而目前国内对这方面的研究受到现有加工工艺，微波集成技术水平以及测试仪器的限制，相关技术并未成熟，起步比较晚，离工程化应用还有一定的差距，因而有必要做深入研究。本节将介绍近些年来混频技术的国内外发展动态。1981 年，Parrish 等人利用梁式引线二极管以及悬置带线结构制作的平衡混频器，射频从 9094GHz 的范围内变频损耗小于 8dB。1982 年，KennethLouie 等人采用交叉结构实现 W 频段宽带混频器。射频信号 80102GHz 的 20GHz 瞬时带宽内，变频损耗小于 7.5dB。射频 80106GHz 的 26GHz 带宽内变频损耗小于 8.7dB。其中从90102GHz 范围内，带宽 12GHz，变频损耗均小于 5.6dB。1983 年，WolfgangMenzel和 Heinricheallse 制作出用在 60GHz 和 94GHz 通讯子系统的鳍线混频器。1985 年，KChang 和 RSTallim 等人研制出 W 频段环形混频器，在 9GHz 的带宽范围内，变频损耗小于 7dB。1987 年，Steven Low 等人研制了交叉型混频器，本振 84GHz，射频从 85100GHz 的 15GHz 带宽下，变频损耗整体小于 7dB。1988 年，MerendaJL 等基于 ADS 的微波混频器的设计与仿真4人用四个反向并联二极管对制作了 440GHz 的谐波混频器，在整个频段内，变频损耗小于 10dB，有较好的宽带特性。1992 年，RJLang 等人研制的环形 GaAs 二极管混频器，射频工作在整个 Ka 波段，当中频信号为 100MHz，变频损耗为 55dB。1995 年前国外就已经采用 PHEMT 肖特基势垒二极管 MMIC 技术，实现 RF 频率 3240GHz 范围内，变频损耗小于 8.5dB。最优变频损耗为 5.5dB。2000 年 GhassanYassin 和MatthewBuffey 研制出应用频率高达 350GHz 的 SIS 对极鳍线混频器，得到只有 90K 的低噪声温度。2005 年，MunKyo Lee 等人制作了鳍线一共面线平衡混频器。本振功率只有 6dBm，变频损耗小于 10dB，本振和射频信号隔离度大于 29dB。2009 年BertandThomas 和 SimonRea 等人研制出 320GHz340GHz 的分谐波镜像抑制混频器，在通带范围内镜像抑制度达到 7.224.1dB。在国内，电子科技大学谢晋雄对两种 W 波段宽带混频器结构进行研究，一种是鳍线一带线集成混频器，另外为鳍线一共面波导结构，前一种结构在射频信号 8595GHz范围内，变频损耗小于 15dB。后一种在射频带宽 8GHz 范围内，变频损耗为912dB。2001 年南京电子技术研究所胡建凯等人研制的单端混频器和单平衡混频器在射频信号 93GHz-96GHz 的范围内，变频损耗小于 10dB 和 9dB，达到国外 80 年代末的水平。2004 年，电子科大董庆来对 W 波段鳍线共面线平衡混频器进行研制，射频9296GHz，本振 90GHz 下，变频损耗小于 15dB，端口隔离度大于 20dB。2006 年，南京五十五所研制出 6mm 鳍线平衡混频器，射频信号为 47GHz，变频损耗小于 3.5dB，本振和射频信号隔离度大于 20dB。2008 年电子科技大学的李侃制作的 Ka 波段四次谐波混频器在射频信号为 34.36GHz 时的变频损耗小于 11.8dB。从国内外的发展趋势来看，混频器主要研究集中在 Ka 波段和 W 波段，并且高频段、宽带混频器一直是人们的研究热点。近几年来国外已经开始涉足到亚毫米波段。相比之下，由于起步比较晚，受到工艺和设备的限制，国内水平较落后于国外，因此对这方面研究还是有必要的。混频器的基本功能是作频率变换（又称变量技术） 。随着频率合成技术的发展，它已不仅用作超外差接收机前端的混频器，而且还可以用来作乘法器（即倍频器） 、除法器（分频器） 。双平衡混频器在锁相技术中还可作鉴相器使用。因此，混频器的研制已发展成为一种专门技术。国外已有专门生产各种混频器的专业工厂，如基于 AD