应用ADS设计混频器

1、应用ADS设计混频器1 概述图1为一微带平衡混频器，其功率混合电路采用3dB分支线定向耦合器，在各端口匹配的条件下，1、2为隔离臂，1到3、4端口以及从2到3、4端口都是功率平分而相位差90。图1设射频信号和本振分别从隔离臂1、2端口加入时，初相位都是0，考虑到传输相同的路径不影响相对相位关系。通过定向耦合器，加到D1，D2上的信号和本振电压分别为：D1上电压 1-1 1-2D2上电压 1-3 1-4可见，信号和本振都分别以相位差分配到两只二极管上，故这类混频器称为型平衡混频器。由一般混频电流的计算公式，并考虑到射频电压和本振电压的相位差，可以得到D1中混频电流为：同样，D2式中的混频器的电流

2、为：当时，利用的关系，可以求出中频电流为：主要的技术指标有：1、 噪音系数和等效相位噪音(单边带噪音系数、双边带噪音系数)；2、 变频增益，中频输出和射频输入的比较；3、 动态范围，这是指混频器正常工作时的微波输入功率范围；4、 双频三阶交调与线性度；5、 工作频率；6、 隔离度；7、 本振功率与工作点。设计目标：射频：3.6 GHz，本振：3.8 GHz，噪音：15。2.具体设计过程2.1创建一个新项目 启动ADS 选择Main windows 菜单FileNew Project，然后按照提示选择项目保存的路径和输入文件名 点击“ok”这样就创建了一个新项目。 点击，新建一个电路原理图窗口，

3、开始设计混频器。2.2 3dB定向耦合器设计 里面选择类“Tlines-Microstrip” 选择，并双击编辑其中的属性，这是微带线基板的参数设置，其中的各项的物理含义，可以参考ADS的帮助文档。 选择，这是一个微带传输线，选择，这是一个三叉口。 按照下图设计好电路图图2 3dB耦合器其中50 ohm传输线的线宽w0.98mm，四分之一波长长度为10.46mm，35ohm传输线的线宽为w1.67mm，四分之一波长长度为10.2mm。MTEE是三端口器件，有三个参数W1，W2，W3具体是有定义的，可以此参考ADS帮助文档。 选择类“SimulationS_Param”并把仿真器和“Term”拉

4、出来放好。图3 双击，修改里面的属性，要求从3GHz到5GHz扫描。 保存文档。 按“F7”仿真。 在“DataDisplay”窗口中，按，如下图所示，看端口的耦合度。图4结果如下图所示图5 输出端口间的相位差同样的办法可以看到输出端口的相位差、输入端口的隔离度、输入端口的回波损耗等。图6 输出端口的相位差图7 输入端口的回波损耗图8 输入、输出端口的隔离度2.3低通滤波器 在类“Lumped-Components”里面选择电容，和电感，按照下图设计电路。图9 低通滤波器电路图 加上仿真器，设计为，表示从0.01GHz，扫描到4GHz。 按“F7”仿真。 在出现的“DataDisplay”窗口

5、中，按，选择加入S21，仿真结果如下图所示。图10 低通滤波器仿真结果2.4 混频器频谱分析2.41设计完整的电路图图11 完整的电路图把混频器的电路图分解为如下图所示的8个部分，下面分别说明一下这8个部分具体的情况。图12 第一部分 第二部分第三部分就是上面设计出来的3dB定向耦合器，具体请参考3dB耦合器一章。第4部分 匹配电路第5部分是晶体管，其中晶体管是使用了模型，具体操作是这样的，先在类“Devices-Diodes”里面，选择，并双击修改里面的属性，建立二极管模型，具体的参数设计参考下图13。图13选择，并在相应的位置把器件放好，其中DIODE1，和DIODE2都是引用了刚才设计的

6、二极管模板“DIODEM1”。第6部分是输出阻抗匹配电路，使用传输线做阻抗匹配，第6部分第7部分是低通滤波器，具体电路参考低通滤波器设计电路。第8部分是一个“Term”，用来做输出负载的。“Term”是在“Simulation S-Param”中获得的。第8部分注意：第1部分是射频输入端口，端口号就是(Num)要设计为“1”；第2部分是本振输入端口，端口号要设计为“3”。这是一般用HB Simulation仿真的规范要求。2.42设置变量 在电路原理图窗口上，选择，双击，修改其属性，如下图所示。 在类“Optim/Stat/Yield/DOE”里面，选择，并双击修改其属性为2.43配置仿真器

7、在类“Simulation-HB”里面选择和，先双击修改其属性，主要是把温度改为符合IEEE标准的16.85度。 双击，配置谐波平衡仿真器，具体参见下图图14图15图16图17图19 选择krylov来做噪音仿真 按“F7”进行仿真。 在出现的“DataDisplay”窗口中，选择，并点击“advance”项目，在对话框里面输入“dBm(Vif)”点击“Ok”就可以显示中频输出的频谱分量。图20仿真结果如下图所示： 选择，选择显示“ConvGain”结果如下图所示图21图222.5噪音系数仿真在上面仿真的基础上，稍微把仿真器修改一下就可以得到噪音系数的仿真结果，双击，修改第二项“Sweep”图

8、23表示不在对本振功率“PLO”进行扫描，其他项目不需要做任何改动。 按“F7”进行仿真。 在新出现的“DataDisplay”窗口中，选择，并把nf(2)添加进去。2.7噪声系数随RF频率的变化在上面噪音仿真的基础上，做如下改动： 修改变量如下图所示： 把射频输入端的功率源换成一个“Term” 。 在类“Simulation-HB”选择一个，双击修改其属性为：图24表示从1。0GHz扫描到6.0GHz，步长是0.1GHz。 配置仿真器，如下图所示。图25 图27图28图29 按“F7”进行仿真。 在新出现的“DataDisplay”窗口中，点击，并在“advance”对话框中输入“plot_

9、vs(nf(2),HB_NOISE.RFfreq)最后的仿真结果如下图所示。图302.8三阶交调系数电路原理图不变，然后做下面的修改 设置变量如下图所示： 设计输出变量，在类“Optim/Stat/Yield/DOE”里面点击，然后双击编辑属性 在类“Sources-Freq Domain”里面，选择，并把该器件放在1端口，就是射频输入端口，双击修改其属性。 仿真器配置图31图32图33图34 按“F7”进行仿真 在新出现的“DataDisplay”窗口中，选择，双击，在“advance”里面加入“dBm(Vif)”，并修改坐标最后的仿真结果如下图所示图352.9功率三阶交调系数 在上面的基础

10、上，修改下面的参数 变量 把仿真器中的一项改掉，其他不变，就是加入了一个扫描变量 最后仿真的结果是图36总结这是一个微带平衡混频器，主要是有几部分组成：3dB定向耦合器、二极管的输入、输出阻抗匹配电路、两个二极管、输出低通滤波器。在这篇文章中，我们先介绍了3dB定向耦合器的仿真，其中原理部分可以参考其他资料，在知道了原理后，可以利用一些小软件计算线宽，该软件陈抗生老师哪里有的。后面是介绍一个低通滤波器的设计和仿真，这是比较简单的，用于输出中频滤波。后面是分别设计和仿真了这个Mixer的频谱、噪音、增益-本振功率曲线、射频频率-噪音系数曲线等等。整个过程中，电路的原理图都是不变的，改变的只是端口

11、的配置、仿真器的配置还有变量的配置。其中有几个规律。对于用来仿真Mixer的HB Simulation要求1端口是射频输入端口、2端口是中频输入端口、3端口是本振输入端口。输入部分一般使用功率源，输出负载是使用“Term”。仿真器的配置中，一般Freq1是本振频率，Freq2是射频频率，Order一般是要大于1的或者就是变成线性电路仿真了，Sweep是加入扫描变量的选项，只能扫描直接变量，表达式不能扫描，另外计算噪音的时候要选上“Nolinear”，Noise1噪音输入频率是射频，分析的频率是中频。Noise2选择输出节点是“Vif”。这是一般的配置情况，具体的可以参考上面的章节。教训：因为这

12、个过程中电路原理图要反复用到，也许有同学会选择直接从电路原理图中Copy(Ctrl+a；Ctrl+c；Ctrl+v)过去，事实证明，ADS的这个功能有点缺陷，可能会造成器件之间的连线出问题，建议不要这样处理，可以把文件先做一个备份，然后把备份的名字改掉，这样方面，而且可靠。附录ip3_in Purpose Returns the input third-order intercept (TOI) point Synopsis ip3_in(vOut, ssGain, fundFreq, imFreq, zRef) where vOut is the signal voltage at the

13、output, ssGain is the small signal gain in dB, fundFreq and imFreq are the harmonic frequency indices for the fundamental and intermodulation frequencies, respectively, and zRef is the reference impedance. Example y=ip3_in(vOut, 22, 1, 0, 2, -1, 50) Used in Harmonic balance simulationmix Purpose Returns a component of a spectrum based on a vector of mixing indices Synopsis mix(xOut, harmIndex, Mix) where xOut is a voltage or a current spectrum and harmIndex is the desired vector of harmonic frequency indices (mixing term