ADS系列 - 混频器设计 - 混频器原理介绍及仿真1

清疚 2023-02-17 15:51 67阅读 0赞

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**0.****前言**

（本文所设计的ADS版本为2016版）

混频器是射频系统中用于频率变换的部件，混频器可以将较高频率的射频输入信号变换为频率较低的中频输出信号，以便更容易对信号进行后续的调整和处理。接收机模拟前端将接收到的射频信号转换成低频信号，而发射机模拟前端将要发射的低频信号转换成射频信号，频率转换功能就是由混频器完成的。

混频器是一种非线性时变电路，依靠电路本身的非线性来完成频率转换功能，因此它具有与其它电路不同的特点。

**1.****混频器介绍**

混频器是一个三端口器件，其中2个端口输入、1个端口输出。混频器分为无源混频器和有源混频器，无源混频器线性度好，可以工作在很高频率，但没有转换增益；有源混频器有转换增益，可以减小来自中频的噪声影响。

下图是超外差接收机示意图，混频器工作在下变频状况，2 个输入端分别称为本振端（LO）和射频端（RF），输出端称为中频端（IF）。

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**2.****混频器原理**

混频是利用两个信号在时域上相乘来实现的。假设两个正弦型信号输入到一个乘法器中，则在乘法器的输出可以得到一个和频成分和一个差频成分，在数学上可以表示为：

![20200614211454812.png][]

两个正弦型输入信号中，一个是固定幅度的本地振荡信号（LO），由本地振荡器提供；另一个是接收到的射频信号或者要发射的低频信号。

通过这两个信号的混频，可以得到一个差频成分（频率为w1-w2）和一个和频成分（频率为w1+w2），在LO信号幅度一定的情况下，差频成分与和频成分的幅度都正比于输入信号的幅度。该操作仅完成了频率转换，而幅度上不会引入失真。

在下变频器中，需要的信号为差频信号，通过一个带通滤波器可取出需要的差频成分，而滤除和频成分和其它干扰成分；而在上变频器中，需要的信号为和频信号，这时也可以通过一个带通滤波器取出和频成分，滤除差频成分和其它干扰成分。

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混频器虽然可以完成混频功能，但由于射频信号和本振信号直接相加，因此本振信号会馈通到射频信号通路上，射频信号和本振信号的隔离度不是很好。为了改善射频信号与本振信号之间的隔离度，可以将射频信号和本振信号加在不同的节点上，如图所示。

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射频信号通过隔直电容后加在晶体管栅极，而本振信号隔直后加在晶体管的源极。晶体管M1的栅源电压包含有vRF-vLO成分，如果晶体管是长沟道器件，它的I -V 方程满足平方律关系，则流过晶体管的电流中仍然将只包含有和频和差频成分，而没有其它的交调成分。该电路的射频信号和本振信号加在不同的节点上，改善了射频信号与本振信号之间的隔离度。

**3.****混频器参数**

**  ** 混频器是无线收发机中的核心模块，它的性能对整个无线系统的性能具有很大的影响。理想混频器中输出信号仅为2个输入信号的和频和差频。实际混频器有变频损耗、三阶交调和噪声等，并需要讨论动态范围和抑制镜频等。

**3.1噪声因子（噪声系数）**

噪声因子描述了一个电路引入噪声的大小，它的值是输入信噪比与输出信噪比的比值。通常可以表示为：

![20200614211454957.png][]

其中，**Ns是信号源在输出端引入的噪声，Ni是电路本身产生的噪声**。

在接收机里，混频器作为下变频器来使用，它通常位于低噪声放大器后面。由于低噪声放大器提供了一定的增益，因此对下变频器的噪声要求不像对低噪声放大器那么苛刻，但考虑到射频低噪声放大器的增益有限，而混频过程通常会引入很大的噪声，因此为了降低对低噪声放大器增益的要求，下变频器也需要具有较低的噪声系数。

在发射机里，混频器作为上变频器来使用。由于发射机中有用信号是最强的信号，因此对上变频器噪声系数的要求不像下变频器那么严格。

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混频器的噪声系数通常是很大的，因为混频过程会将其它频带内的噪声也转移到中频由于混频电路存在非线性，因此本振信号会产生高阶谐波成分，这些谐波成分与其它频带内的噪声混频，混频后的结果也位于中频频带，极大地增加了混频器的噪声系数。混频器单边带噪声系数的典型值约为10～15dB。

**3.2变频损耗**

混频器的变频损耗定义为可用RF输入功率与可用IF输出功率之比，用dB表示为

![20200614211454908.png][]

变频损耗包括二极管的阻抗损耗、混频器端口的失配损耗和谐波分量引起的损耗。双边带（DSB）信号的变频损耗比单边带（SSB）信号的变频损耗低3dB。

**3.3线性度：1dB压缩点和三阶交调点**

线性度决定了混频器能处理的最大信号强度。无论是应用于接收机系统还是应用于发射机系统中的混频器，其输入信号能量都较高，因此混频器必须具有较高的线性度。线性度通常用1dB压缩点和三阶交调点来描述。

输入1dB压缩点是指当混频器的输出信号功率偏离它的线性响应输出功率1dB时的输入信号功率，该点所对应的输出信号功率称为输出1dB压缩点。当输入信号能量较弱时，混频器的输出信号功率与输入信号功率之间是线性。

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**3.4 本振激励功率**

混频器的指标受本振功率控制，本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功率。若本振功率不够，就会降低混频器的性能，甚至使混频器无法工作。因此，混频器要求给出本振功率的参数，以dBm为单位。实际使用的混频器也是按本振功率进行分类，如7dBm、10dBm本振（LO）等，要求本振激励的功率达到上述数值。

**3.5 端口隔离度**

混频器LO、RF、IF端口的频率不同，端口隔离度定义为一个端口的输入信号与其他端口得到的该频率信号功率的衰减量，以dB为单位，一般要高于20dB。端口隔离度包括3项，分别是信号与本振之间的隔离度、信号与中频之间的隔离度、本振与中频之间的隔离度。

**3.6 端口阻抗匹配**

混频器的3个端口应配以适当的匹配电路，以求得最大转换效率。混频器端口阻抗匹配的原则是：对于该端口的工作频率的信号严格匹配，对于其他端口的工作频率的信号则需全反射。

混频器输入端口的设计与放大器类似，希望达到共轭匹配。而中频输出端口除了需要与后级阻抗匹配，还要求尽可能反射本振频率的信号，以提高隔离度。

**4.****混频器设计仿真**

**4.1单平衡混频器**

如图为单平衡混频器的构成，2个单端混频器与1个3dB耦合器可以组成单平衡混频器，为简单起见，图中省略了对二极管的偏置电路

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使用90°混合网络定向耦合器可以有较宽的频率范围，在RF端口可以得到完全的输入匹配，同时可以除去所有偶数阶互调产物。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3N1bnNreWRheQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

**4.2 混频器设计**

**   混频器由90°混合3dB耦合器、2个二极管、低通滤波器和匹配网络构成。射频频率为5.45GHz，本振频率为3.8GHz，输出的中频频率为200MHz。**

（1）在原理图的元件面板列表上，选择微带线【TLines-Microstrip】元件面板。在微带线元件面板上，选择 MSUB 插入原理图的画图区。在画图区中双击 MSub1，弹出【Microstrip Substrate】对话框，在【Microstrip Substrate】对话框中对微带线参数控件MSub1进行设置。

（2）在原理图的元件面板列表上，选择无源网络微带电路设计向导【Passive Circuit DG-Microstrip Circuits】元件面板。在无源网络微带电路设计向导元件面板上，选择分支定向耦合器BLCplr插入原理图的画图区。在画图区对分支定向耦合器控件DA\_BLCoupler1进行设置。

（3）设置完成的微带线参数控件MSub1和分支定向耦合器控件DA\_BLCoupler1如图所示。

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（4）在原理图视窗中，执行菜单命令【DesignGuide】→【Passive Circuit】，弹出【Passive Circuit】对话框，如图所示。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3N1bnNreWRheQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]

（5）在【Passive Circuit】对话框中，选择“Passive Circuit Control Window…”项，单击“OK”按钮关闭【Passive Circuit】对话框，同时将弹出设计向导窗口【Passive Circuit DesignGuide】。【Passive Circuit DesignGuide】窗口如图所示，其中“SmartComponent”栏为“DA\_BLCo upler1”。

![20200614211956225.png][]

（6）在【Passive Circuit DesignGuide】窗口中，单击“Design Assistant”选项，然后再单击“Design”按钮，ADS将自动完成分支定向耦合器的设计过程，如图所示。

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（7）现在原理图中的分支定向耦合器控件DA\_BLCoupler1已经有了子电路。下面观察子电路，步骤如下。

◆在原理图中选中分支定向耦合器控件DA\_BLCoupler1。

◆单击原理图工具栏中的push按钮，进入子电路。如图所示

◆在原理图的工具栏中单击PoP按钮，由子电路退出。

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**4.3 原理图仿真**

（1）选择S参数仿真元件面板，在元件面板图分支定向耦合器控件DA\_BLCoupler1的子电路上选择负载终端Term，4次插入原理图中，定义负载终端Term1为输入端口，负载终端Term2为直通输出端口，负载终端Term3为耦合输出端口，负载终端Term4为隔离端口。在原理图工具栏中单击按钮，4次插入原理图，让4个负载终端Term接地。

（2）将原理图中的负载终端 Term 和分支定向耦合器控件DA\_BLCoupler1连接起来。

（3）在S参数仿真元件面板上，选择S参数仿真控件SP插入原理图的画图区，对S参数仿真控件SP设置如下。

◆频率扫描类型选为线性Linear。

◆频率扫描的起始值设为2GHz。

◆频率扫描的终止值设为9GHz。

◆频率扫描的步长设为0.01GHz。

◆其余的参数保持默认状态。

单击S参数仿真控件设置窗口中的“OK”，完成对S参数仿真控件的设置。

（4）原理图如下

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（5）在原理图工具栏中单击仿真按钮，运行仿真。仿真结束后，数据显示视窗自动弹出，用户自己选择需要显示的数据和数据显示的方式。这里选择的步骤和显示的结果如下。

◆用矩形图显示输出端口的耦合度，如图所示。可以看出，在6.3GHz直通端口2与耦合端口3的输出一样。但本设计要求在5.45 GHz时直通端口2与耦合端口3的输出一样（-3。746dB）。

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6.83GHz时候，S11=-21.6

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该结果并不理想，还需继续优化调整，混频器设计还有滤波器等，这些在下一篇文章介绍。

### **下一篇：ADS系列 - 混频器设计 - 混频器设计及仿真2** ###

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