張翠芳

（太原科技大學(xué)，太原 030006）

混頻器的ADS優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真

張翠芳

（太原科技大學(xué)，太原 030006）

在射頻系統(tǒng)中，混頻器可以將較高頻率的輸入信號(hào)變換為較低頻率的輸出信號(hào)，以便對(duì)信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的調(diào)整和處理，一般通過(guò)混頻二極管實(shí)現(xiàn)頻率的變換。文章主要采用ADS軟件對(duì)接收電路中的混頻部分進(jìn)行性能上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用軟件的HARMONIC BALANCE仿真器中的參數(shù)掃描（Sweep）功能和掃描控制器進(jìn)行仿真，得到三階交調(diào)圖和最理想的本振功率。通過(guò)ADS對(duì)射頻混頻器的仿真，得到了混頻器的一些重要性能指標(biāo)，大大提高了設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，并對(duì)混頻器的參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，提高了混頻器性能。

ADS；混頻器；輸出功率；駐波比

1 引言

混頻器是射頻系統(tǒng)中用于頻率變換的部件，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其具有可以將輸入信號(hào)頻率升高或降低而不改變?cè)盘?hào)的特性?；祛l器是一個(gè)三端口器件，其中兩個(gè)端口輸入，一個(gè)端口輸出?；祛l器采用非線性或時(shí)變參量元件，它可以將兩個(gè)不同頻率的輸入信號(hào)變?yōu)橐幌盗胁煌l率的輸出信號(hào)，輸出頻率分別為兩個(gè)輸入頻率的和頻、差頻及諧波，易于對(duì)信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的調(diào)整和處理。本文利用ADS軟件設(shè)計(jì)變頻混頻器的方法，設(shè)計(jì)與仿真接收系統(tǒng)的混頻器。

混頻器分為有源和無(wú)源兩種：有源器件混頻器采用晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管作為非線性器件；無(wú)源器件混頻器采用二極管作為非線性器件。根據(jù)上面的雙通道零中頻結(jié)構(gòu)，混頻器的射頻信號(hào)和本振信號(hào)是同一個(gè)端口輸入，滿足這一條件的混頻器只有無(wú)源器件混頻器中的單端混頻器和單平衡混頻器。單端混頻器只采用一個(gè)二極管作為非線性器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但性能較差。單平衡混頻器采用兩只二極管作為非線性器件，借助電路的對(duì)稱性和二極管性能的一致性，使本振調(diào)幅噪聲抵消，中頻輸出功率增強(qiáng)，性能比單端混頻器有了很大的改善。

ADS（Advanced Design System）軟件由Agilent公司開(kāi)發(fā)，可以支持從模塊到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠完成射頻和微波電路設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、射頻集成電路設(shè)計(jì)和數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)，該軟件還可以完成時(shí)域和頻域、數(shù)字和模擬、線性和非線性、電磁和數(shù)字信號(hào)處理等多種仿真[1]。

2 混頻器的設(shè)計(jì)與仿真

混頻器對(duì)輸入RF小信號(hào)而言是線性網(wǎng)絡(luò)，其輸出中頻信號(hào)與輸入射頻信號(hào)的幅度成正比。但是當(dāng)輸入信號(hào)幅度逐漸增加時(shí)，與線性放大器一樣，也存在著非線性失真問(wèn)題。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮混頻器的1dB壓縮點(diǎn)、三階互調(diào)截點(diǎn)、線性動(dòng)態(tài)范圍等質(zhì)量指標(biāo)。

本混頻器由90°混合3dB耦合器、兩個(gè)二極管低通濾波器和匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，射頻頻率為3.6GHz，本振頻率為3.8Hz。使用ADS軟件創(chuàng)建射頻混頻器的電路如圖1所示。

圖1 混頻器電路

該原理圖由微帶分支定向耦合器、低通濾波器和兩個(gè)二極管及其匹配電路組成。為了了解混頻器的性能指標(biāo)，分別利用S參數(shù)仿真元件和S參數(shù)仿真元件面板上的駐波比控件VSWR對(duì)混頻器的輸出信號(hào)和輸入駐波比進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 輸出信號(hào)的功率譜

圖3 輸入駐波比

由于射頻功率為3.6GHz，本振功率為3.8GHz，從Vout的仿真結(jié)果可以看出中頻輸出為200MHz以及各次諧波。從圖3可知，端口1的駐波系數(shù)很小，也就是射頻端口的反射很小，這體現(xiàn)了單平衡混頻器的優(yōu)點(diǎn)。

3 混頻器的優(yōu)化

混頻一般通過(guò)混頻二極管實(shí)現(xiàn)頻率的變換，混頻器的作用很大[2]，因此本文主要采用ADS軟件對(duì)接收電路中的混頻部分進(jìn)行性能上的優(yōu)化設(shè)計(jì)?；祛l器的變頻損耗為射頻輸入功率與可用本振輸入功率之比[4]，因此本振信號(hào)的輸入功率一定影響整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率。運(yùn)用HARMONIC BALANCE仿真器中的參數(shù)掃描（Sweep）功能可以得到最理想的本振功率。輸出信號(hào)隨本振功率變化的曲線如圖4所示。

圖4 輸入信號(hào)隨本振功率的變化

如果混頻器輸入兩個(gè)射頻信號(hào)fRF1和fRF2，它們的三階互調(diào)分量2fRF1-fRF2與本振混頻后也位于中頻帶寬內(nèi)[3]，就會(huì)對(duì)有用中頻產(chǎn)生干擾，因此需要對(duì)混頻器進(jìn)行三階交調(diào)分析。利用ADS軟件的測(cè)量方程控件來(lái)測(cè)量輸出三階交調(diào)點(diǎn)、輸出中頻成分的功率、混頻器轉(zhuǎn)換增益和輸入三階交調(diào)點(diǎn)。它們的測(cè)量方程分別為：

再利用軟件中的掃描控制器進(jìn)行仿真，就可以得到三階交調(diào)圖，如圖5所示。

圖5 三階交調(diào)圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ADS對(duì)射頻混頻器的仿真，得到了混頻器的一些重要性能指標(biāo)，大大提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，并對(duì)混頻器的參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，提高了混頻器性能。

[1] 黃玉蘭. ADS射頻電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與典型應(yīng)用[M]. 北京：人民郵電出版社，2010.

[2] 范博. 射頻電路原理與實(shí)用電路設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3] 陳利. 2. 4 GHz 收發(fā)系統(tǒng)射頻前端的ADS設(shè)計(jì)與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（19）：23-26.

ADS Optimization and Simulation of UHF RF Receiving System

ZHANG Cui-fang
（Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan030006,China）

The RF system, The mixer can transform the high frequency input signal into lower frequency output signal, In order to more easily to adjust and process signal. Usually by frequency mixing diode to transform frequency, this paper mainly use the ADS software to perform the mixing part of receiving circuit,Using the Scan (Sweep) function parameters of the HARMONIC and scanning controller to simulation, get the fi rst three into the fi gure and the most ideal vibration power. improve the design eff i ciency greatly, shorten the design cycle, and the parameters of the mixer further optimization to improve the mixer performance.

ADS; mixer; output power; standing wave ratio

TN62

A

1681-1070（2011）10-0028-03

2011-07-23

張翠芳（1982—），女，山西省長(zhǎng)治市人，就職于山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，正在攻讀太原科技大學(xué)在職研究生，研究方向?yàn)殡姎夤こ碳白詣?dòng)化。