应用ADS软件设计镜像抑制混频器1
摘要
本文论述了应用ADS软件设计二极管电阻性混频器的过程，应用谐波平衡法对混频器的非线性特性进行了分析，给出了C波段镜像抑制混频器的设计例子。
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 镜像抑制
混频器
概述
近年来，随着微波器件与技术的快速发展，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，大大降低了系统的噪声系数，提高了灵敏度。混频器对接收系统的影响和作用似乎越来越小，事实并非如此。对于单边带系统，特别是中频较低的单边带系统来讲，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的另一个边带，它与本振混频后产生的中频信号与信号边带产生的中频信号相同。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，且中频不高的单边带系统中，必须使用镜像抑制混频器。镜频抑制度表示对镜像噪声的抑制程度，镜频抑制度β定义为：
G
G'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的关系为： M(dB)10log(1其中
M(dB) 微波接收机噪声系数的恶化量 表1为镜频抑制度与噪声系数恶化量的数据
表1 M(dB) β(dB) 0.05 19.36 0.2 13.27 0.5 9.14 1.0 5.87 2.0 2.33 3.0 0 1)
镜像抑制混频器设计
1镜像抑制混频器的主要技术指标 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 15dB
2镜像抑制混频器的组成
镜像抑制混频器电原理图如图1。
平衡混频ＶS1射频端口ＶS3dB正交耦合器1器 １3ＶL1同相功率分配器ＶL242平衡混频器 ２本振ＶL56下边带中频输出3dB中频正交耦合输出电路Ｚ0＝50ＶS2上边带中频输出78
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。 3平衡混频器设计
我们采用移相90°的平衡混频器，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。
用ADS软件的S参数仿真功能很容易设计出幅度和相位满足要求的3 dB支节耦合器。电路仿真原理图如图2，仿真结果如图3。
图2
-2-3-4-5-6-73.03.23.43.63.84.04.24.44..85.0200phase(S(4,2))phase(S(3,2))phase(S(4,1))phase(S(3,1))100dB(S(3,2))dB(S(4,2))dB(S(4,1))dB(S(3,1))0-100-2003.03.23.43.63.84.04.24.44..85.0freq, GHzfreq, GHz
输出端口的耦合度 输出端口间的相位差
0-10
0-10dB(S(2,2))dB(S(1,1))-20-30-40-503.03.23.43.63.84.04.24.44..85.0dB(S(2,1))-20-30-40-503.03.23.43.63.84.04.24.44..85.0freq, GHzfreq, GHz
输入端口的回波损耗 输入端口间的隔离度
图3
同样，用ADS软件的S参数仿真功能，可以设计出满足要求的中频滤波器。这里采用低通滤波器的形式，电路仿真原理图如图4，仿真结果如图5。
图4
100dB(S(2,1))-10-20-30-40-500.00.51.01.52.02.53.03.54.0freq, GHz
图5
混频器设计的关键是混频二极管非线性模型参数的准确性。这里我们采用文献［1］中的模型参数，如图6。
图6
平衡混频器的电路图如图7。
图7
利用ADS软件的谐波平衡分析功能可以对混频器的各种非线性特性进行分析。首先，谐波平衡法可以获得中频输出的频谱成分，并可进行非线性的噪声分析；其次，还可以进行各种参数的扫描分析。分析结果如图8至图14所示。
m1freq=200.0MHzdBm(vif)=-27.1190m1-50dBm(vif)-100-150-20001234567freq, 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的变化
noisefreq200.0MHznf(2)12.222
图10混频器噪声系数
m1HB_NOISE.F_RF=3.600E9noisefreq=3.600GHznf(2)=12.222605040nf(2)30201001.0E92.0E93.0E94.0E95.0E96.0E9m1HB_NOISE.F_RF
图11混频器噪声系数随工作频率的变化
m2PRF=0.000line=1.040delta mode ONm1PRF=-1.000IF=-10.167100lineIF-10m1m2-20-30-15-10-5051015PRF
图12混频器变频损耗的1dB压缩点
m1freq=200.1MHzdBm(vif)=-27.733m1m2m2freq=200.2MHzdBm(vif)=-54.4780-20dBm(vif)-40-60-80-100199.6199.7199.8199.9200.0200.1200.2200.3200.4200.5freq, MHz
图13混频器双音三阶交调分量
-20-30-40thirdIF-50-60-70-80-9002468101214161820PLO
图14混频器三阶交调分量随本振功率的变化
4镜像抑制混频器的仿真分析
镜像抑制混频器的仿真原理图如图15。
图15
利用ADS软件的谐波平衡分析功能和参数调谐功能，通过调节中频移相器的相位，可以找出镜像抑制混频器的最佳的抑制度。镜像抑制度的仿真结果见图16至图21。
m1freq=200.0MHzdBm(vif)=-20.70m2freq=1.000E6dBm(vif)=-17.094delta mode ONm1-20dBm(vif)-40-60-80-100197198199200m2201202203204freq, MHz
图16镜像抑制混频器的镜像抑制度
2018161412108101214161820nf(3)HB_NOISE.PLO
图17镜像抑制混频器噪声系数随本振功率的变化
m1HB_NOISE.F_RF=3.600E9noisefreq=3.600GHznf(3)=12.9621008060402001.0E92.0E93.0E94.0E95.0E96.0E9nf(3)m1HB_NOISE.F_RF
图18镜像抑制混频器噪声系数随信号频率的变化
m1PLO=15.000dBm(vif[::,1])=-29.349-20m1dBm(vif[::,1])-40-60-80-10002468101214161820PLO
图19镜像抑制混频器中频输出随本振功率的变化
m1PLO=15.000dBm(vif[::,1])=-29.349-20m2PLO=15.000dBm(mixer90deg..vif[::,1])=-26.092m2m1dBm(mixer90deg..vif[::,1])dBm(vif[::,1])-40-60-80-10002468101214161820PLOPLO
图20平衡混频器和镜像抑制混频器中频输出随本振功率的变化
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，镜像抑制混频器的镜像抑制度可达17 dB，噪声系数13 dB，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1 dB左右，而镜像抑制混频器的变频损耗比平衡混频器的增加了3 dB左右，因此，镜像抑制混频器
的动态范围增加了。
总结
ADS软件为我们提供了很好的非线性仿真功能，使我们能够对混频器这样的非线性电路进行分析设计，本文提供了一个完整的二极管电阻性混频器的设计例子，通过这一设计，我们可以看到微波电路与系统的设计已越来越离不开CAD技术，而CAD技术也大大提高了我们设计的效率和准确性。
参考文献
［1］ Octavius Pitzalis and Paul Wang，“Simulating the Intermodulation and Conversion
Loss Characteristics of a Microwave Mixer”，MSN，March 1987 ［2］ 中国集成电路大全，微波集成电路, 国防工业出版社，1995
