基于ADS的微波混頻器設(shè)計

文/陶霞 蔡雪芳 杜順勇

采用平面微帶混合集成的方案設(shè)計出單平衡混頻器電路，利用ADS軟件在電路仿真和優(yōu)化上進(jìn)行輔助設(shè)計，這是微博混頻器深入研究的主要內(nèi)容。根據(jù)射頻頻率本振頻率變頻損耗等數(shù)值得到預(yù)期目標(biāo)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，例如噪聲系數(shù)小于等于15db，射頻頻率為5GHZ。

1 微波混頻器工作原理

（1）微波混頻器的電流中含有的基波諧波和平差評分量等作用于非線性借器器件中，再不需要頻率分量，濾掉時取出了分量混品，并完成主要混頻器的組成。混頻器部分設(shè)計，根據(jù)非線性變換的原理，在非線性器件設(shè)計上，采用兩個不同頻率的高頻電壓，利用些衡法對這兩部分高頻電壓進(jìn)行理想性的設(shè)計，使之有著強非線性的電路分析技術(shù)，并且將其簡化為單混頻器進(jìn)行處理。ADS軟件為設(shè)備之間的通訊提供路由。在TwinCAT PC 和Beckhoff 的CX、BX、BC 系列控制器中都包含TwinCAT 信息路由器。因此各個ADS 設(shè)備之間都能夠交換數(shù)據(jù)和信息,進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計是ADS軟件的優(yōu)勢，對于微波混頻器電路過程采用軟件技術(shù)進(jìn)行仿真，如微波電路的噪聲特性等的設(shè)計，在ADS軟件的幫助下，仿真結(jié)果完全滿足設(shè)計指標(biāo)。

（2）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和混頻器的選型，對于應(yīng)用場合進(jìn)行勘察，選用適合的二極管作為非線性器件。對其性能要求，根據(jù)工程的需要，采用混頻器各項指標(biāo)予以監(jiān)督，包括動態(tài)范圍、三階交調(diào)、噪聲系數(shù)、變頻損耗等。根據(jù)各項指標(biāo)運行后發(fā)現(xiàn)，微波毫米波頻段采用蕭特基勢壘二極管，電路簡單，便于集成，工作穩(wěn)定，設(shè)計容易，可以放大為幾十倍，性能良好，目前在主要的變頻元件中被運用。根據(jù)工程實踐應(yīng)用結(jié)果，微波毫米波混偏器在端口隔離帶的性能發(fā)揮上令人滿意。

2 單平衡微帶混頻器的設(shè)計

微波混頻器設(shè)計時采用ADS軟件,能夠優(yōu)化微波混頻器中的電路,ADS軟件提高微波混頻器的射頻通信技術(shù),在工作性能上促使微波混頻器可以滿足使用標(biāo)準(zhǔn)。運用ADS軟件保障微波混頻器中采用的微電子技術(shù)等各項技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)微波混頻器中的有效應(yīng)用。

（1）運用ADS仿真進(jìn)行輔助設(shè)計,首先查閱大量文獻(xiàn)，充分的進(jìn)行理論論證之后，確定了整體電路的拓?fù)潆娐啡鐖D1所示。

在圖1中我們可以看到，定向耦合器以及本振功率從耦合器的一個端口輸入到另一個端口阻抗匹配電路，中頻直流通路由于功分器頻率特性及分配功率特性,被廣泛用于雷達(dá)和通訊系統(tǒng)中,微波功率分配器進(jìn)行電路優(yōu)化設(shè)計，用于系統(tǒng)的多路信道實現(xiàn)。最終為接收機系統(tǒng)多路混頻器傳輸?shù)缺菊窆β?并在需要的頻段使用加載在二極管上的方法，成功實現(xiàn)了信道插損不大于8dB,隔離度大于30dB,各信道插損一致性的技術(shù)指標(biāo)。

圖1：仿真電路原理圖

圖2：諧波平衡法仿真控制

圖3：中頻信號最大輸出功率

（2）平衡混頻器電路主要按照分支線定向耦合和混合電路。環(huán)形橋進(jìn)行設(shè)計。3db定向耦合器的設(shè)計，其主要指標(biāo)包含了輸入駐波比工作帶寬定向性，在四端口網(wǎng)絡(luò)上將直通端口輸入端口隔離端口和偶端口進(jìn)行布置，輸入端口的隔離度和輸入端口，根據(jù)輸出端口的相位差進(jìn)行整體設(shè)計，電路的基礎(chǔ)打好之后，在ADS軟件中建立3DB定向耦合器電路模型。

（3）低波濾波器的設(shè)計需要采用相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)予以指導(dǎo)，在不同領(lǐng)域中運用微波系統(tǒng)中的重要元件。微波濾波器用于組合和分離各種不同頻率的信號，例如組帶相應(yīng)的組帶頻率頻率范圍以及截止頻率通帶內(nèi)最大衰減。在ADS軟件中要建立仿真模型，用以建立整體電路的設(shè)計。體管電路中進(jìn)行選擇和設(shè)計后，將整體電路中的設(shè)計思路予以匹配。

頻譜以及頻譜分量的電路仿真，進(jìn)行濾波器前中頻輸出時，得到的時域波形仿真控制如圖2。

對混頻器的噪聲系數(shù)進(jìn)行仿真設(shè)置，噪聲系數(shù)為14.025。精品二極管的伏安特曲線，具有動態(tài)范圍小噪聲小組合頻率分量高的特點。在二級管混頻器的使用中沒有混頻增益，進(jìn)行單平衡的輸出電流在強信號產(chǎn)生的時候，其產(chǎn)生的組合分量較少。這種平衡混頻器具有抵消噪聲的能力。基于以上特點利用ADS軟件對單平衡混頻器進(jìn)行設(shè)計和仿真。

3 基于ADS的微波混頻器仿真設(shè)計

根據(jù)ADS 的電路級原理圖，得到X參數(shù)，首先需要在ADS中設(shè)計好電路原理圖。電路原理圖完成之后，就可以把頻率、直流偏置、溫度和其他重要的參數(shù)輸入給ADS用來產(chǎn)生X參數(shù)的應(yīng)用程序(X-parameter Generator — X參數(shù)生成器)。使用電路級的設(shè)計來計算可供ADS諧波平衡或電路包絡(luò)仿真。ADS的X 參數(shù)產(chǎn)生器工作起來非常靈活，可以為非線性多端口器件在多音激勵以及負(fù)載牽引仿真的條件下產(chǎn)生X 參數(shù)。因此，在ADS中使用參數(shù)提取器不僅可以對放大器、混頻器等電路進(jìn)行X參數(shù)提取，還能夠?qū)Χ嗉壔祛l鏈路等復(fù)雜電路進(jìn)行X參數(shù)提取。

通過對器件的測量快速而精準(zhǔn)地得到X參數(shù)，實現(xiàn)的非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析(NVNA)的測量技術(shù)。直接測量被測器件(DUT) 的 X參數(shù)，這些通過測量得到的X參數(shù)可以移植到ADS的仿真程序中。使用NVNA測量X參數(shù)的時候，充分利用了PNA-X內(nèi)置的兩個高性能激勵源，其中的一個激勵源用大信號激勵被測器件使其達(dá)到大信號工作點，同時第二個激勵源可以以各種適當(dāng)測量頻率和相位的信號給被測器件施加小的測量激勵信號。

使用ADS平臺，能夠針對大多數(shù)線性、非線性器件進(jìn)行建模、測試，同時建立元器件模型庫，以應(yīng)用到射頻鏈路、系統(tǒng)設(shè)計中，可以大大提高工程師的設(shè)計效率。通過規(guī)范元器件的原理圖以及幫助、說明文檔，可以讓現(xiàn)有的工程經(jīng)驗得以傳承、改進(jìn)，避免因人員變動而引起的元器件模型丟失。通過定期對元器件庫進(jìn)行更新，輔助電子管理流程，可以讓射頻系統(tǒng)工程師快速利用現(xiàn)有器件對新系統(tǒng)進(jìn)行搭建，同時考慮指標(biāo)的符合情況等。目前業(yè)界已經(jīng)使用X參數(shù)對功率放大器進(jìn)行了X參數(shù)的模型提取及仿真，顯示了X參數(shù)模型的精確性。同時，使用X參數(shù)也能夠成功表征檢波器的非線性模型。X參數(shù)還能夠支持級聯(lián)模型仿真，對混頻器進(jìn)行測試，建立X參數(shù)模型，可以對混頻器的變頻損耗、RF-IF泄漏、LO-IF泄漏以及混頻器的高次交調(diào)產(chǎn)物等進(jìn)行建模在面板上選擇諧波平衡法，仿真控制器插入到原理圖中，雙擊諧波平衡法仿真控制器，按照頻率值和射頻信號頻率的參數(shù)要求進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，并按SIMULATN按鈕執(zhí)行仿真等待仿真結(jié)束后，加入一個關(guān)于頻譜的矩形圖。

微帶平衡混頻器，主要是有幾部分組成：3dB定向耦合器、二極管的輸入、輸出阻抗匹配電路、兩個二極管、輸出低通濾波器。設(shè)計和仿真Mixer的頻譜、噪音、增益-本振功率曲線、射頻頻率-噪音系數(shù)曲線等等。電路的原理圖都是不變的，改變的只是端口的配置、仿真器的配置還有變量的配置。如圖3所示。

在獲得了一定數(shù)量的模型，并進(jìn)行歸類整理后，可以進(jìn)行模型庫創(chuàng)建的工作。在此，使用ADS自帶的DesignGuide Developer Studio進(jìn)行模型庫的創(chuàng)建工作。主要工作可以分為以下幾步：將模型作為子電路加入模型庫；在位圖編輯器中新建元器件圖標(biāo)或?qū)σ延袌D標(biāo)進(jìn)行修改，編輯元器件列表，排列圖標(biāo)并編輯操作內(nèi)容，如元器件對應(yīng)位圖、幫助文檔調(diào)用等；設(shè)置元器件庫的版本號，并進(jìn)行編譯，將頻率值進(jìn)行輸出。雙擊諧波平衡仿真控制器的參數(shù)設(shè)置窗口選擇刪除，選項卡分別添加頻率成分設(shè)置最高次數(shù)為3，然后選擇SWEEP選項卡，完成設(shè)置仿真控制器如圖，單擊工具欄中的SIMULATN按鈕進(jìn)行仿真，等待仿真結(jié)束。在數(shù)據(jù)顯示窗口中輸出三階交調(diào)點的數(shù)據(jù)列表，從列表中得到三階交調(diào)點和三階交調(diào)點的數(shù)值，等待仿真結(jié)束。選擇元件面板，刪除電路原理圖中的控件，將射頻信號兩個終端進(jìn)行插入，在參數(shù)仿真原件面板中選擇參數(shù)并插入到原理圖中，按照頻率掃描起始和終止的頻率進(jìn)行仿真。仿真結(jié)束后，系統(tǒng)彈出數(shù)據(jù)顯示窗口，在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入矩形圖，在矩形圖中加入標(biāo)記。

4 結(jié)語

通過3D B定向耦合器等的設(shè)計，在分析仿真電路圖之后，設(shè)計結(jié)果比較簡單，技術(shù)人員在后期應(yīng)通過工具和渠道對這一領(lǐng)域的研究和學(xué)習(xí)進(jìn)行滲透，更好地利用ADS防真軟件。