混頻器的ADS優化設計與仿真

張翠芳

（太原科技大學，太原 030006）

混頻器的ADS優化設計與仿真

張翠芳

（太原科技大學，太原 030006）

在射頻系統中，混頻器可以將較高頻率的輸入信號變換為較低頻率的輸出信號，以便對信號進行后續的調整和處理，一般通過混頻二極管實現頻率的變換。文章主要采用ADS軟件對接收電路中的混頻部分進行性能上的優化設計，運用軟件的HARMONIC BALANCE仿真器中的參數掃描（Sweep）功能和掃描控制器進行仿真，得到三階交調圖和最理想的本振功率。通過ADS對射頻混頻器的仿真，得到了混頻器的一些重要性能指標，大大提高了設計效率，縮短設計周期，并對混頻器的參數進一步優化，提高了混頻器性能。

ADS；混頻器；輸出功率；駐波比

1 引言

混頻器是射頻系統中用于頻率變換的部件，具有廣泛的應用領域，其具有可以將輸入信號頻率升高或降低而不改變原信號的特性。混頻器是一個三端口器件，其中兩個端口輸入，一個端口輸出。混頻器采用非線性或時變參量元件，它可以將兩個不同頻率的輸入信號變為一系列不同頻率的輸出信號，輸出頻率分別為兩個輸入頻率的和頻、差頻及諧波，易于對信號進行后續的調整和處理。本文利用ADS軟件設計變頻混頻器的方法，設計與仿真接收系統的混頻器。

混頻器分為有源和無源兩種：有源器件混頻器采用晶體管或場效應管作為非線性器件；無源器件混頻器采用二極管作為非線性器件。根據上面的雙通道零中頻結構，混頻器的射頻信號和本振信號是同一個端口輸入，滿足這一條件的混頻器只有無源器件混頻器中的單端混頻器和單平衡混頻器。單端混頻器只采用一個二極管作為非線性器件，結構簡單、經濟，但性能較差。單平衡混頻器采用兩只二極管作為非線性器件，借助電路的對稱性和二極管性能的一致性，使本振調幅噪聲抵消，中頻輸出功率增強，性能比單端混頻器有了很大的改善。

ADS（Advanced Design System）軟件由Agilent公司開發，可以支持從模塊到系統的設計，能夠完成射頻和微波電路設計、通信系統設計、射頻集成電路設計和數字信號處理設計，該軟件還可以完成時域和頻域、數字和模擬、線性和非線性、電磁和數字信號處理等多種仿真[1]。

2 混頻器的設計與仿真

混頻器對輸入RF小信號而言是線性網絡，其輸出中頻信號與輸入射頻信號的幅度成正比。但是當輸入信號幅度逐漸增加時，與線性放大器一樣，也存在著非線性失真問題。因此在設計時，需要考慮混頻器的1dB壓縮點、三階互調截點、線性動態范圍等質量指標。

本混頻器由90°混合3dB耦合器、兩個二極管低通濾波器和匹配網絡構成，射頻頻率為3.6GHz，本振頻率為3.8Hz。使用ADS軟件創建射頻混頻器的電路如圖1所示。

圖1 混頻器電路

該原理圖由微帶分支定向耦合器、低通濾波器和兩個二極管及其匹配電路組成。為了了解混頻器的性能指標，分別利用S參數仿真元件和S參數仿真元件面板上的駐波比控件VSWR對混頻器的輸出信號和輸入駐波比進行仿真。仿真結果如圖2和圖3所示。

圖2 輸出信號的功率譜

圖3 輸入駐波比

由于射頻功率為3.6GHz，本振功率為3.8GHz，從Vout的仿真結果可以看出中頻輸出為200MHz以及各次諧波。從圖3可知，端口1的駐波系數很小，也就是射頻端口的反射很小，這體現了單平衡混頻器的優點。

3 混頻器的優化

混頻一般通過混頻二極管實現頻率的變換，混頻器的作用很大[2]，因此本文主要采用ADS軟件對接收電路中的混頻部分進行性能上的優化設計。混頻器的變頻損耗為射頻輸入功率與可用本振輸入功率之比[4]，因此本振信號的輸入功率一定影響整個系統的輸出功率。運用HARMONIC BALANCE仿真器中的參數掃描（Sweep）功能可以得到最理想的本振功率。輸出信號隨本振功率變化的曲線如圖4所示。

圖4 輸入信號隨本振功率的變化

如果混頻器輸入兩個射頻信號fRF1和fRF2，它們的三階互調分量2fRF1-fRF2與本振混頻后也位于中頻帶寬內[3]，就會對有用中頻產生干擾，因此需要對混頻器進行三階交調分析。利用ADS軟件的測量方程控件來測量輸出三階交調點、輸出中頻成分的功率、混頻器轉換增益和輸入三階交調點。它們的測量方程分別為：

再利用軟件中的掃描控制器進行仿真，就可以得到三階交調圖，如圖5所示。

圖5 三階交調圖

4 結語

通過ADS對射頻混頻器的仿真，得到了混頻器的一些重要性能指標，大大提高了設計效率，縮短了設計周期，并對混頻器的參數進一步優化，提高了混頻器性能。

[1] 黃玉蘭. ADS射頻電路設計基礎與典型應用[M]. 北京：人民郵電出版社，2010.

[2] 范博. 射頻電路原理與實用電路設計[M]. 北京：機械工業出版社，2007.

[3] 陳利. 2. 4 GHz 收發系統射頻前端的ADS設計與仿真[J].現代電子技術，2009（19）：23-26.

ADS Optimization and Simulation of UHF RF Receiving System

ZHANG Cui-fang
（Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan030006,China）

The RF system, The mixer can transform the high frequency input signal into lower frequency output signal, In order to more easily to adjust and process signal. Usually by frequency mixing diode to transform frequency, this paper mainly use the ADS software to perform the mixing part of receiving circuit,Using the Scan (Sweep) function parameters of the HARMONIC and scanning controller to simulation, get the fi rst three into the fi gure and the most ideal vibration power. improve the design eff i ciency greatly, shorten the design cycle, and the parameters of the mixer further optimization to improve the mixer performance.

ADS; mixer; output power; standing wave ratio

TN62

A

1681-1070（2011）10-0028-03

2011-07-23

張翠芳（1982—），女，山西省長治市人，就職于山西建筑職業技術學院，正在攻讀太原科技大學在職研究生，研究方向為電氣工程及自動化。