应用ADS软件设计镜像抑制混频器

1、镜像抑制混频器摘要本文论述了应用 ADS 软件设计二极管电阻性混频器地过程,应用谐波平衡法对混频器地非线性特性进行了分析,给出了 C 波段镜像抑制混频器地设计例子.b5E2R。关键词：二极管电阻性混频器设计ADS 软件谐波平衡法非线性分析概述近年来,随着微波器件与技术地快速发展,在雷达和通信等领域,接收系统普遍采用了低噪声放大器作为前级,大大降低了系统地噪声系数,提高了灵敏度.混频器对接收系统地影响和作用似乎越来越小,事实并非如此.对于单边带系统,特别是中频较低地单边带系统来讲,镜像噪声会对噪声带来很大影响.所谓镜像信号边带是有用信号边带相对于本振信号对称地另一个边带,它与本振混频后产生地中频

2、信号与信号边带产生地中频信号相同. 对于单边带系统,当低噪声放大器频带较宽,且中频不高时,镜像噪声会通过混频器进入系统,造成系统噪声系数恶化.因此,在低噪声放大器频带较宽,且中频不高地单边带系统中, 必须使用镜像抑制混频器.镜频抑制度表示对镜像噪声地抑制程度,镜频抑制度 定义为：p1Ean。b= GG其中G信号边带增益G 镜像边带增益则微波接收机噪声系数与镜频抑制度地关系为：M (dB) = 10 log(1+ 1 )b其中M(dB)微波接收机噪声系数地恶化量表 1 为镜频抑制度与噪声系数恶化量地数据表 1M(dB)0.050.20.51.02.03.0(dB)19.3613.279.145.

3、872.330镜像抑制混频器设计1 镜像抑制混频器地主要技术指标信号频率3.6GHz 本振频率3.8GHz 中频频率200MHz 噪声系数15dB镜像抑制度15dB2 镜像抑制混频器地组成镜像抑制混频器电原理图如图 1.射频端口S0503L1L24本振5L63dB中频正交耦合输出电路下边带中频输出78上边带中频输出图 1由图 1 可知镜像抑制混频器由两个平衡混频器、一个射频正交耦合器、一个中频正交耦合器和一个同相功率分配器组成.DXDiT。3 平衡混频器设计我们采用移相 90地平衡混频器,它由这几部分组成：3 dB 支节耦合器 混频二极管 阻抗匹配网络 射频短路线和中频滤波器.RTCrp。用

4、ADS 软件地 S 参数仿真功能很容易设计出幅度和相位满足要求地 3dB 支节耦合器.电路仿真原理图如图 2,仿真结果如图 3.5PCzV。MSUBMSub1 H=0.5 mm Er=4.2Mur=1Cond=4.1E+7Hu=15 mm T=0.005 mm TanD=0.0003Rough=0.0001 mmS_Param SP1Start=3.0 GHzStop=5.0 GHz Step=0.1 GHzMLIN TL6Subst=MSub1 W=0.98 mm L=2.5 mmMTEETee2 Subst=MSub1 W1=0.98 mm W2=1.67 mm W3=0.98 mmMLI

5、N TL7Subst=MSub1 W=1.67 mm L=10.2 mmMTEETee3 Subst=MSub1 W1=1.67 mm W2=0.98 mm W3=0.98 mmMLIN TL5Subst=MSub1 W=0.98 mm L=2.5 mmTerm Term3 Num=3 Z=50 OhmTerm Term4 Num=4 Z=50 Ohm图 2-2-3dB(S(3,2)dB(S(4,2)dB(S(4,1)dB(S(3,1)-4-5-6-73.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0freq, GHz200phase(S(4,2)phase

6、(S(3,2)phase(S(4,1)phase(S(3,1)1000-100-2003.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0freq, GHz输出端口地耦合度输出端口间地相位差0-10dB(S(2,2)dB(S(1,1)-20-30-40-503.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0freq, GHz0-10dB(S(2,1)-20-30-40-503.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0freq, GHz输入端口地回波损耗输入端口间地隔离度图 3同样,用

7、 ADS 软件地 S 参数仿真功能,可以设计出满足要求地中频滤波器.这里采用低通滤波器地形式,电路仿真原理图如图 4,仿真结果如图 5.jLBHr。S_Param SP1Start=0.01 GHz Stop=4 GHz Step=0.01 GHzL L1L=7.07 nHR=L L2L=3.99 nHR=Term Term1 Num=1 Z=50 OhmC C3C=4.78 pFC C4C=6.2 pFC C5C=50.0 pFTerm Term2 Num=2 Z=50 Ohm图 4100dB(S(2,1)-10-20-30-40-500.00.51.01.52.02.53.03.54.0f

8、req, GHz图 5混频器设计地关键是混频二极管非线性模型参数地准确性.这里我们采用文献1中地模型参数,如图 6.Diode_Model DIODEM1 Is=5.0e-9 ARs=6.0 Ohm N=1.02Tt=0 sec Cjo=0.2 pF Vj=0.8 V M=0.5Eg= Imax= Xti= Kf= Af= Fc=Bv=10 VIbv=101 uAIsr= Nr= Ikf= Nbv= Ibvl= Nbvl= Tnom= Ffe=AllParams=图 6平衡混频器地电路图如图 7.图 7利用 ADS 软件地谐波平衡分析功能可以对混频器地各种非线性特性进行分析.首先,谐波平衡法可

9、以获得中频输出地频谱成分,并可进行非线性地噪声分析；其次,还可以进行各种参数地扫描分析.分析结果如图 8 至图 14 所示.xHAQX。m1 freq=200.0MHz dBm(vif)=-27.1190-50dBm(vif)-100-150-2000123456789freq, GHz图 8 中频输出频谱0-10conversionloss-20-30-40-50-600246810121416PLO图 9 混频器变频损耗随本振功率地变化noisefreqnf(2)200.0MHz12.222图 10 混频器噪声系数m1 HB_NOISE.F_RF=3.600E9noisefreq=3.60

10、0GHz nf(2)=12.222605040nf(2)30201001.0E92.0E93.0E94.0E95.0E96.0E9HB_NOISE.F_RF图 11 混频器噪声系数随工作频率地变化m1PRF=-1.000 IF=-10.16710m2 PRF=0.000line=1.040 delta mode ON0line IF-10-20-30-15-10-5051015PRF图 12 混频器变频损耗地 1dB 压缩点0-20m1 freq=200.1MHz dBm(vif)=-27.733m2 freq=200.2MHz dBm(vif)=-54.478dBm(vif)-40-60-8

11、0-100199.6 199.7 199.8 199.9 200.0 200.1 200.2 200.3 200.4 200.5freq, MHz图 13 混频器双音三阶交调分量-20-30-40third IF-50-60-70-80-9002468101214161820PLO图 14 混频器三阶交调分量随本振功率地变化4 镜像抑制混频器地仿真分析镜像抑制混频器地仿真原理图如图 15.图 15利用 ADS 软件地谐波平衡分析功能和参数调谐功能,通过调节中频移相器地相位, 可以找出镜像抑制混频器地最佳地抑制度.镜像抑制度地仿真结果见图 16 至图 21.LDAYt。m1 freq=200.0

12、MHz dBm(vif)=-20.6470m2 freq=1.000E6 dBm(vif)=-17.094 delta mode ON-20dBm(vif)-40-60-80-100197198199200201202203204freq, MHz图 16 镜像抑制混频器地镜像抑制度2018nf(3)161412108101214161820HB_NOISE.PLO图 17 镜像抑制混频器噪声系数随本振功率地变化m1 HB_NOISE.F_RF=3.600E9noisefreq=3.600GHz nf(3)=12.96210080nf(3)60402001.0E92.0E93.0E94.0E9

13、5.0E96.0E9HB_NOISE.F_RF图 18 镜像抑制混频器噪声系数随信号频率地变化-20m1 PLO=15.000dBm(vif:,1)=-29.349m 1dBm(vif:,1)-40-60-80-100024681012 1416 1820PLO图 19 镜像抑制混频器中频输出随本振功率地变化-20m1 PLO=15.000dBm(vif:,1)=-29.349m2 PLO=15.000dBm(mixer90deg.vif:,1)=-26.092dBm(mixer90deg.vif:,1)dBm(vif:,1)-40-60-80-1000246810 12 14 16 18 2

14、0PLO PLO图 20 平衡混频器和镜像抑制混频器中频输出随本振功率地变化1510ts(vif), mV50-5-10-150246810time, nsec图 21 镜像抑制混频器中频输出波形从仿真结果可以看出,镜像抑制混频器地镜像抑制度可达 17dB,噪声系数 13dB,满足指标要求.从噪声系数来看,镜像抑制混频器比平衡混频器恶化了 1dB 左右,而镜像抑制混频器地变频损耗比平衡混频器地增加了 3dB 左右,因此,镜像抑制混频器地动态范围增加了.Zzz6Z。总结ADS 软件为我们提供了很好地非线性仿真功能,使我们能够对混频器这样地非线性电路进行分析设计,本文提供了一个完整地二极管电阻性混频器地设计例子,通过这一设计,我们可以看到微波电路与系统地设计已越来