湖南理工学院射频电路课程设计序号：609论文题目：混频器的设计*名：***院别：信息与通信工程专业：电子信息工程学号：***********指导老师：粟向军目录摘要 (4)一、混频器基本原理 (4)二、具体设计过程 (5)1．创建一个新项目 (5)2．3dB定向耦合器设计 (6)3．低通滤波器 (9)4．混频器频谱分析 (10)（1）设计完整的电路 (10)（2）设置变量 (12)（3）配置仿真器 (13)5．噪音系数仿真 (15)6．噪声系数随RF频率的变化 (15)7．三阶交调系数 (16)8．功率－三阶交调系数 (18)三、总结 (19)参考文献： (20)摘要在无线通信系统中，混频器是一种常见的射频电路组件，主要用来将不同频率的信号相乘，以实现频率的变换。
它最基本的两个作用：上变频和下变频。
其中上变频的作用是将中频信号与射频本振信号混频成为发射的射频信号，通过天线发射出去；下变频的作用是将天线接收到的射频信号与本地载波信号混频，经过滤波后得到中频信号，并送到中频处理模块进行处理。
本设计通过ADS 仿真掌握射频电路的工程设计方法和技巧，熟悉射频电路的调试过程，建立 设计、开发射频电路和产品的系统概念，提高专业素质和工程实践能力。
关键字：混频器、ADS 、变频一、混频器基本原理图1为一微带平衡混频器，其功率混合电路采用3dB 分支线定向耦合器，在各端口匹配的条件下，1、2为隔离臂，1到3、4端口以及从2到3、4端口都是功率平分而相位差90°。
图1设射频信号和本振分别从隔离臂1、2端口加入时，初相位都是0°，考虑到传输相同的路径不影响相对相位关系。
通过定向耦合器，加到D1，D2上的信号和本振电压分别为：D1上电压 )2cos(1πω-=t V v s s s 1-1)cos(1πω-=t V v L L L 1-2 D2上电压)cos(2t V v s s s ω= 1-3 )2cos(2πω+=t V v L L L 1-4可见，信号和本振都分别以2π相位差分配到两只二极管上，故这类混频器称为2π型平衡混频器。
由一般混频电流的计算公式，并考虑到射频电压和本振电压的相位差，可以得到D1中混频电流为： ∑∑∞-∞=∞-+-=m n L s m n t jn t jm I t i ,,1)]()2(exp[)(πωπω 同样，D2式中的混频器的电流为：∑∑∞-∞=∞++=m n L s m n t jn t jm I t i ,,2)]2()(exp[)(πωω当1,1±=±=n m 时，利用1,11,1-++-=I I 的关系，可以求出中频电流为： ]2)cos[(41,1πωω+-=+-t I i L s IF主要的技术指标有：✧ 噪音系数和等效相位噪音(单边带噪音系数、双边带噪音系数)； ✧ 变频增益，中频输出和射频输入的比较；✧ 动态范围，这是指混频器正常工作时的微波输入功率范围；✧ 双频三阶交调与线性度；✧ 工作频率；✧ 隔离度；✧ 本振功率与工作点。
二、具体设计过程1．创建一个新项目◇ 启动ADS ，弹出ADS 主窗口。
◇ 菜单－File －New Project ，然后按照提示选择项目保存的路径和输入文件名 ◇ 点击“ok ”这样就创建了一个新项目。
◇ 点击，新建一个电路原理图窗口，命名为3dB_coupler ，并单击工具栏中的SA VE 按钮保存。
2．3dB定向耦合器设计◇在原理图设计窗口的元件面板列表中选择“Tlines-Microstrip”元件面板。
◇选择，并双击编辑其中的属性，，这是微带线基板的参数设置，其中的各项的物理含义，可以参考ADS的帮助文档。
◇选择，这是一个微带传输线，选择，这是一个三叉口。
◇按照下图设计好电路图图2 3dB耦合器其中50 ohm传输线的线宽w＝0.98mm，四分之一波长长度为10.46mm，35ohm 传输线的线宽为w＝1.67mm，四分之一波长长度为10.2mm。
MTEE是三端口器件，有三个参数W1，W2，W3具体是有定义的，可以此参考ADS帮助文档。
◇选择类“Simulation－S_Param”并把仿真器和“Term”拉出来放好。
图3◇双击，修改里面的属性，要求从3.2GHz到4.4GHz扫描。
◇保存文档。
◇按“F7”仿真。
◇在数据显示中插入一个关于S11参数和一个关于S22参数的矩形图，如图6所示。
从图中可以看出，S11参数曲线和S22参数曲线在3.8GHz处的值都在-40dB以下，说明耦合器的端口反射系数和端口间隔离度都可以达到要求。
图6◇在数据显示窗口中，插入一个关于S31参数和一个关于S41参数的矩形图，如图7所示。
可以看到1端口到3端口以及从1端口到4端口的都有3dB左右衰减，这同样满足设计要求。
图7在数据显示窗口中分别插入一个关于S31参数相位和一个关于S41参数相位的矩形图，如图8所示。
可以看到相位曲线是线性的，这同样满足设计要求。
图8相位特性这样就完成了3dB定向耦合器的设计，并仿真表明，它的参数完全满足设计要求，可进行混频器电路其他电路部分的设计。
3．低通滤波器由于混频器输出的频率成分中含有其他的高次谐波成分，因此混频输出后，需要对信号进行滤波才能得到需要的中频信号。
1．在工程中心建一个原理图，命名为filter_lp.2．选择Lumped Component元件面板，在元件中选择3个电感和2个电容，并插入到原理图中，设置好参数。
3．按照图9连接好电路图，并从Simulation-S_Param面板中选择两个终端负载元件，并分别插入到滤波器的输入输出端口。
图9 低通滤波器电路图4．从Simulation-S_Param面板中选择S参数仿真控制器，并设置Start=0.1GHz,表示频率扫描从0.1开始。
Stop=4GHz,表示频率扫描到4GHz终止。
Step=10MHz,表示频率扫描间隔10MHz。
单击仿真按钮，并查看仿真结果。
如图10所示。
图10低通滤波器的仿真结果4．混频器频谱分析（1）设计完整的电路按照下图加入元件连接好设置详细参数。
图11 完整的电路图把混频器的电路图分解为如下图所示的8个部分，下面分别说明一下这8个部分具体的情况。
图12第一部分第二部分第三部分就是上面设计出来的3dB定向耦合器，具体请参考3dB耦合器一章。
第4部分匹配电路第5部分是晶体管，其中晶体管是使用了模型，具体操作是这样的，先在类“Devices-Diodes”里面，选择，并双击修改里面的属性，建立二极管模型，图13选择，并在相应的位置把器件放好，其中DIODE1，和DIODE2都是引用了刚才设计的二极管模板“DIODEM1”。
第6部分是输出阻抗匹配电路，使用传输线做阻抗匹配，第6部分第7部分是低通滤波器，具体电路参考低通滤波器设计电路。
第8部分是一个“Term”，用来做输出负载的。
“Term”是在“Simulation S-Param”中获得的。
第8部分注意：第1部分是射频输入端口，端口号就是(Num)要设计为“1”；第2部分是本振输入端口，端口号要设计为“3”。
这是一般用HB Simulation仿真的规范要求。
（2）设置变量◇在电路原理图窗口上，选择，双击，修改其属性，如下图所示。
◇在类“Optim/Stat/Yield/DOE”里面，选择，并双击修改其属性为（3）配置仿真器◇在类“Simulation-HB”里面选择和，先双击修改其属性，主◇要是把温度改为符合IEEE标准的16.85度。
◇双击，配置谐波平衡仿真器，具体参见下图图14 图15图19 选择krylov来做噪音仿真◇按“F7”进行仿真。
◇在出现的“DataDisplay”窗口中，选择，并点击“advance”项目，在对话框里面输入“dBm(Vif)”点击“Ok”就可以显示中频输出的频谱分量。
仿真结果如下图所示：V out信号的频谱中频信号的功率谱◇选择，选择显示“ConvGain”结果如下图所示图185．噪音系数仿真在上面仿真的基础上，稍微把仿真器修改一下就可以得到噪音系数的仿真结果，双击，修改第二项“Sweep”表示不在对本振功率“PLO”进行扫描，其他项目不需要做任何改动。
◇按“F7”进行仿真。
◇在新出现的“DataDisplay”窗口中，选择，并把nf(2)添加进去。
noisefreq200.0MHz nf(2)14.0356．噪声系数随RF频率的变化在上面噪音仿真的基础上，做如下改动：◇修改变量如下图所示：◇把射频输入端的功率源换成一个“Term”。
◇在类“Simulation-HB”选择一个，双击修改其属性为：表示从1。
0GHz扫描到6.0GHz，步长是0.1GHz。
◇配置仿真器，如下图所示。
◇按“F7”进行仿真。
◇在新出现的“DataDisplay”窗口中，点击，并在“advance”对话框中输入“plot_vs(nf(2),HB_NOISE.RFfreq)最后的仿真结果如下图所示。
图307．三阶交调系数电路原理图不变，然后做下面的修改◇设置变量如下图所示：◇设计输出变量，在类“Optim/Stat/Yield/DOE”里面点击，然后双击编辑属性◇在类“Sources-Freq Domain”里面，选择，并把该器件放在1端口，就是射频输入端口，双击修改其属性。
◇仿真器配置◇按“F7”进行仿真◇在新出现的“DataDisplay”窗口中，选择，双击，在“advance”里面加入“dBm(Vif)”，，并修改坐标最后的仿真结果如下图所示图158．功率－三阶交调系数◇在上面的基础上，修改下面的参数◇变量◇把仿真器中的一项改掉，其他不变，就是加入了一个扫描变量◇最后仿真的结果是图16三、总结这是一个微带平衡混频器，主要是有几部分组成：3dB定向耦合器、二极管的输入、输出阻抗匹配电路、两个二极管、输出低通滤波器。
本文中，我们先介绍了3dB定向耦合器的仿真，其中原理部分可以参考其他资料，在知道了原理后，可以利用一些小软件计算线宽。
后面是介绍一个低通滤波器的设计和仿真，这是比较简单的，用于输出中频滤波。
后面是分别设计和仿真了这个Mixer的频谱、噪音、增益-本振功率曲线、射频频率-噪音系数曲线等等。
整个过程中，电路的原理图都是不变的，改变的只是端口的配置、仿真器的配置还有变量的配置。
通过本次设计，学习了混频器的基础知识以及在ADS中设计混频器的方法和一般操作步骤。
参考文献：[ 1 ] 樊昌信《通信原理》国防工业出版社第六版[ 2 ]陈艳华李朝晖夏玮《ADS应用详解》人民邮电出版社。