微波混频器设计.docx

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微波混频器设计

微波混频器设计

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-37.829dBm和−114.506dBm。

输入驻波比为1.024。

关键词：

混频器；单平衡；ADS；三阶交调

MicrowaveMixerDesign

Abstract

Mixeristheimportantpartofthecommunicationsystems,usedinalloftheRFandmicrowavesystemforfrequencyconversion,forcommunicationreceiver,frequencysynthesizerandotherelectronicequipmentisanimportantpartofthemixercanachievethefrequency,withadd,subtractfunctions.

Crystaldiode,volt-amperecharacteristiccurveisnonlinear,canuseitformixingdevice.Mixerdiodesandtransistorsarecompared,withlargedynamicrange,lownoise,lesscombinationfrequencycomponents,simplestructureandhighworkingfrequency.TheSchottkydiodemixercircuit,workingfrequencycanbehightothemicrowaveband.Therefore,diodemixercircuitinthehighqualityofthevariousreceiverandmeasuringinstrumenthasbeenwidelyused.Butthediodemixeralsohasanimportantdrawback,thatisnomixinggain（mixinggainoflessthan1）.Comparedtoasingleendedmixer,singlebalancedmixeroutputcurrentspectrumcomponentthansingleendedmixerismuchsmaller,withastrongsignal,itgenerateslesscompositecomponent.Themixerusingtwodiodes,inthesamestronginputsignals,intoeachtubesignalpower3dBlessthanonemixing,soitsdynamicrangeisalsoabigtimes.Inadditionthebalancedmixerandoffsetthevibrationintothenoisegeneratedbythemediumfrequencynoise.Inviewofthesinglebalancedmixeroftheaboveadvantages,throughADSonthesinglebalancedmixerdesignandsimulation.ComparativeanalysisonSimulationofcircuitdiagram,theinputofmixerthreeorderintermodulationpointandtheoutputofthethreeorderintermodulationpointwere-37.829dBmand-114.506dBm.TheinputinBobbifor1.024.

Keywords:

Mixer;Singlebalanced;ADS;Threeorderintermodulation

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一号变换为中频，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间世后，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。

1.2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人，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人信号频率，也可以高于输人信号频率。

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4～6dB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。

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。

1.3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90～94GHz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80～102GHz的20GHz瞬时带宽内，变频损耗小于7．5dB。

射频80～106GHz的26GHz带宽内变频损耗小于8．7dB。

其中从90～102GHz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，K．Chang和R．S．Tallim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，StevenLow等人研制了交叉型混频器，本振84GHz，射频从85～100GHz的15GHz带宽下，变频损耗整体小于7dB。

1988年，Merenda．J．L等人用四个反向并联二极管对制作了4--40GHz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，R．J．Lang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5．5dB。

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32--40GHz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，Mun．KyoLee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320GHz~340GHz的分谐波镜像抑制混频器，在通带范围内镜像抑制度达到7．2~24．1dB。

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85～95GHz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9-12dB。

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92～96GHz，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Hittite、Linear、MACOM等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。

1.4论文的主要内容

论文各章节分布及其主要内容：

第一章：

绪论。

介绍本课题的背景，发展历程和当前研究状况，并简介论文的主要内容。

第二章：

ADS设计平台的介绍。

简要介绍ADS平台的窗口功能和设计方法。

第三章：

混频器的基本理论，主要介绍混频器的技术指标以及二极管混频器的电路形式。

第四章：

单平衡混频器的设计与仿真。

通过混频器原理，对单平衡混频器以及其匹配电路进行设计，并对完整混频器电路进行仿真分析。

第2章设计平台的介绍

2.1ADS的概述

ADS—AdvancedDesignSystem，是美国安捷伦（Agilent）公司所开发的电子设计自动化软件，功能强大，仿真手段丰富多样，包含时域电路仿真（SPICE-likeSimulation）、频域电路仿真（HarmonicBalance、LinearAnalysis）、三维电磁仿真（EMSimulation）、通信系统仿真（CommunicationSystemSimulation）和数字信号处理仿真设计（DSP）等，并可对设计结果进行成品率分析与优化，大大提高了复杂电路的设计效率，是非常优秀的微波电路、系统信号链路的设计工具。

此外，Agilent公司还和多家半导体厂商合作建立了ADSDesignKit及ModelFile，以供设计人员使用。

使用者可以利用DesignKit及软件仿真功能进行通信系统的设计、规划与评估及MMIC/RFIC、模拟与数字电路设计。

除上述仿真设计功能外，ADS软件也提供了辅助设计功能，如DesignGuide以范例及指令方式示范电路或系统的设计流程，而SimulationWizard以步骤式界面进行电路设计与分析。

ADS还能与其他EDA软件，如SPICE、MentorGraphics的ModelSim、Cadence的NC-Verilog、Mathworks的Matlab等进行协同仿真（Co-Simulation），再加上丰富的元件应用模型库及测量/验证仪器间的连接功能，大大增加了电路与系统设计的方便性、快速性与精确性。

2.2ADS的仿真设计方法

ADS软件可以帮助电路设计者进行模拟、射频与微波等电路和通信系统设计，其提供的仿真分析方法大致可以分为：

时域仿真、频域仿真、系统仿真和电磁仿真。

1．高频SPICE分析和卷积分析

高频SPICE分析方法提供如SPICE仿真器相同的瞬态分析，用它可分析线性与非线性电路的瞬态效应。

但是与SPICE仿真相比，它又有很多优点，例如，在SPICE仿真器中无法直接使用的频域分析模型，如微带线、带状线等，可以在ADS的SPICE高频仿真器中直接使用。

这是因为ADS在仿真时可以将频域分析模型进行拉氏变换后再进行瞬态分析，而不需要使用者将该模型转化为等效的RLC电路。

因此SPICE高频仿真器除了可以做低频电路的瞬态分析，也可以分析高频电路的瞬态响应。

此外SPICE高频仿真器还提供了瞬态噪声分析的功能，可以用来仿真电路的瞬态噪声。

卷积分析方法是架构在SPICE高频仿真器上的高级时域分析方法，由卷积分析可以更加准确地用时域的方法分析与频率相关的元件。

例如，以S参数定义的元件、传输线和微带线等。

2．线性分析

线性分析为频域的电路仿真分析方法，可以对线性或非线性的射频与微波电路进行线性分析。

当进行线性分析时，软件首先会先针对电路中每个元件计算所需的线性参数，如S、Z、Y和H参数、电路阻抗、噪声、反射系数、稳定系数、增益或损耗等，然后再进行整个电路的分析和仿真。

3．谐波平衡分析

谐波平衡分析提供频域、稳态、大信号的电路分析仿真和方法，它可以用来分析具有多频输入信号的非线性电路，得到非线性的电路响应，如噪声、功率压缩点和谐波失真等。

与时域的SPICE仿真分析相比较，谐波平衡可以给非线性的电路提供一个比较快速有效的分析方法。

谐波平衡分析方法的出现填补了SPICE的瞬态响应分析与线性S参数分析对具有多频输入信号的非线性电路仿真的不足。

尤其在现今的高频通信系统中，大多包含了混频电路结构，这更使得谐波平衡分析方法的使用更加频繁，也越趋重要。

4．电路包络分析

电路包络分析包含了时域与频域的分析方法，可以使用于包含调频信号的电路或通信系统中。

电路包络分析借鉴了SPICE与谐波平衡两种仿真方法的优点，将较低频的调频信号用时域SPICE仿真方法来分析，而较高频的载波信号则以频域的谐波平衡仿真方法进行分析。

5．射频系统分析

射频系统分析方法可以让使用者模拟评估系统特性，其中系统的电路模型除可以使用行为级模型外，也可以使用元件电路模型进行响应验证。

射频系统仿真分析包含了上面介绍的线性分析、谐波平衡分析和电路包络分析等各种分析手段，它们分别用来验证射频系统的无源元件与线性化系统模型特性、非线性系统模型特性和具有数字调频信号的系统特性。

6．电磁仿真分析

ADS软件提供了一个平面电磁仿真分析功能——Momentum，它可以用来仿真微带线、带状线和共面波导等的电磁特性、天线的辐射特性，以及电路板上的寄生、耦合效应。

所分析的S参数结果可直接使用于谐波平衡和电路包络等电路分析中，进行电路设计与验证。

PICE的瞬态响应分析与线性S参数分析对具有多频。

2.3ADS的辅助设计功能

1．设计指南

设计指南以范例与指令的说明示范电路设计的设计流程，使用者可以利用这些范例与指令，学习如何利用ADS软件高效地进行电路设计。

目前ADS所提供的设计指南包括：

WLAN设计指南、Bluetooth设计指南、CDMA2000设计指南、RFSystem设计指南、Mixer设计指南、Oscillator设计指南、PassiveCircuits设计指南、PhasedLockedLoop设计指南、Amplifier设计指南和Filter设计指南等。

除了使用ADS软件自带的设计指南外，使用者也可以通过软件中的DesignGuideDeveloperStudio建立自己的设计指南。

2．仿真向导

仿真向导提供的设定界面供设计人员进行电路分析与设计，使用者可以利用图形化界面设定所需验证的电路响应模型。

ADS提供的仿真向导包括：

元件特性、放大器、混频器和线性电路等。

3．仿真与结果显示模板

为了增加仿真分析的方便性，ADS软件提供了仿真模板功能，它让使用者可以将经常重复使用的仿真设定（如仿真控制器、电压电流源、变量参数设定等）制定成一个模板直接使用，避免了重复设定所需的时间和步骤。

结果显示模板也具有相同的功能，使用者可以将经常使用的绘图或列表格式制作成模板以减少重复设定所需的时间。

除了使用者自行建立的模板外，ADS软件也提供了标准的仿真与结果显示模板以供使用。

4．电子笔记本

电子笔记本可以让使用者将所设计电路与仿真结果加入文字叙述，制成一份网页式的报告。

由电子笔记本所制成的报告，不需执行ADS软件即可以在浏览器上浏览。

2.4ADS的主要操作窗口

ADS的主要操作窗口包括主窗口、原理图设计窗口、布局图设计窗口和数据显示窗口。

下面对这四种窗口进行简单的介绍

1．主窗口

主窗口主要用于创建或打开工程、文件管理、工程管理等功能，它主要包含菜单栏、工具栏、文件浏览区和工程管理区等几个部分。

窗口如下：

图2-1ADS主窗口

2．原理图设计窗口

ADS的原理图设计窗口为用户提供了方便的设计原理图环境，也是用户进行原理图仿真用的最多的窗口。

下图为一个原理图设计窗口，其中包含标题栏、菜单栏、工具栏、元件面板列表、元件面板、历史元件、提示面板和画图区。

其中元件面板中包含所有用户需要放置的元件按钮，并通过元件面板列表分类管理，当用户选择一类原件或仿真控件时，元件面板中会显示出当前选定类型的所有元件或仿真控件。

图2-2原理图设计窗口

3．布局图设计窗口

用户可以在布局图设计窗口中创建一个布局图，还可以添加连接线来描述电气连接。

布局图设计窗口用来进行布局图的设计、编辑和仿真，布局图设计窗口与原理图设计窗口内容基本一致。

4．数据显示窗口

ADS使用数组存储用户输入的仿真信息，当完成仿真分析时。

用户可以在数据显示窗口显示这些信息以便进行下一步的分析。

数据显示窗口还可以显示从其他数据源获取得的数据。

在数据显示窗口中用户可以进行如下操作：

以多种图表和格式显示数据。

使用标记读取曲线上特定点的数据。

使用方程式表现对数据的处理。

2.5ADS仿真功能概述

ADS软件具有的仿真功能主要有：

直流仿真（DCSimulation）、交流仿真（ACSimulation）、S参数仿真（S-parameterSimulation）、谐波平衡仿真（HarmonicBalanceSimulation）、电路包络仿真（Circuit