基于ADS的微波混頻器設(shè)計(jì)

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(jì)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(jì)，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(píng)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(shí)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(jì)，根據(jù)非線性變換的原理，在非線性器件設(shè)計(jì)上，采用兩個(gè)不同頻率的高頻電壓，利用些衡法對(duì)這兩部分高頻電壓進(jìn)行理想性的設(shè)計(jì)，使之有著強(qiáng)非線性的電路分析技術(shù)，并且將其簡(jiǎn)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(gè)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(jì)是ADS軟件的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于微波混頻器電路過(guò)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(jì)，在ADS軟件的幫助下，仿真結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

（2）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和混頻器的選型，對(duì)于應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行勘察，選用適合的二極管作為非線性器件。對(duì)其性能要求，根據(jù)工程的需要，采用混頻器各項(xiàng)指標(biāo)予以監(jiān)督，包括動(dòng)態(tài)范圍、三階交調(diào)、噪聲系數(shù)、變頻損耗等。根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，微波毫米波頻段采用蕭特基勢(shì)壘二極管，電路簡(jiǎn)單，便于集成，工作穩(wěn)定，設(shè)計(jì)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(yùn)用。根據(jù)工程實(shí)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(jì)

微波混頻器設(shè)計(jì)時(shí)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(yùn)用ADS軟件保障微波混頻器中采用的微電子技術(shù)等各項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)微波混頻器中的有效應(yīng)用。

（1）運(yùn)用ADS仿真進(jìn)行輔助設(shè)計(jì),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(gè)端口輸入到另一個(gè)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(jì)，用于系統(tǒng)的多路信道實(shí)現(xiàn)。最終為接收機(jī)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(shí)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(hào)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(jì)。3db定向耦合器的設(shè)計(jì)，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(jì)，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(jì)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(yùn)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(hào)，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(jì)。體管電路中進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)后，將整體電路中的設(shè)計(jì)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(shí)，得到的時(shí)域波形仿真控制如圖2。

對(duì)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(dòng)態(tài)范圍小噪聲小組合頻率分量高的特點(diǎn)。在二級(jí)管混頻器的使用中沒(méi)有混頻增益，進(jìn)行單平衡的輸出電流在強(qiáng)信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)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(diǎn)利用ADS軟件對(duì)單平衡混頻器進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。

3 基于ADS的微波混頻器仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)ADS 的電路級(jí)原理圖，得到X參數(shù)，首先需要在ADS中設(shè)計(jì)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(lái)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(jí)的設(shè)計(jì)來(lái)計(jì)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(lái)非常靈活，可以為非線性多端口器件在多音激勵(lì)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(duì)放大器、混頻器等電路進(jìn)行X參數(shù)提取，還能夠?qū)Χ嗉?jí)混頻鏈路等復(fù)雜電路進(jìn)行X參數(shù)提取。

通過(guò)對(duì)器件的測(cè)量快速而精準(zhǔn)地得到X參數(shù)，實(shí)現(xiàn)的非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析(NVNA)的測(cè)量技術(shù)。直接測(cè)量被測(cè)器件(DUT) 的 X參數(shù)，這些通過(guò)測(cè)量得到的X參數(shù)可以移植到ADS的仿真程序中。使用NVNA測(cè)量X參數(shù)的時(shí)候，充分利用了PNA-X內(nèi)置的兩個(gè)高性能激勵(lì)源，其中的一個(gè)激勵(lì)源用大信號(hào)激勵(lì)被測(cè)器件使其達(dá)到大信號(hào)工作點(diǎn)，同時(shí)第二個(gè)激勵(lì)源可以以各種適當(dāng)測(cè)量頻率和相位的信號(hào)給被測(cè)器件施加小的測(cè)量激勵(lì)信號(hào)。

使用ADS平臺(tái)，能夠針對(duì)大多數(shù)線性、非線性器件進(jìn)行建模、測(cè)試，同時(shí)建立元器件模型庫(kù)，以應(yīng)用到射頻鏈路、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以大大提高工程師的設(shè)計(jì)效率。通過(guò)規(guī)范元器件的原理圖以及幫助、說(shuō)明文檔，可以讓現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)得以傳承、改進(jìn)，避免因人員變動(dòng)而引起的元器件模型丟失。通過(guò)定期對(duì)元器件庫(kù)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(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行搭建，同時(shí)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(duì)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(shí)，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(jí)聯(lián)模型仿真，對(duì)混頻器進(jìn)行測(cè)試，建立X參數(shù)模型，可以對(duì)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(hào)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(gè)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(gè)二極管、輸出低通濾波器。設(shè)計(jì)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(kù)創(chuàng)建的工作。在此，使用ADS自帶的DesignGuide Developer Studio進(jìn)行模型庫(kù)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(kù)；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(duì)應(yīng)位圖、幫助文檔調(diào)用等；設(shè)置元器件庫(kù)的版本號(hào)，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(xiàng)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(xiàng)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(diǎn)的數(shù)據(jù)列表，從列表中得到三階交調(diào)點(diǎn)和三階交調(diào)點(diǎn)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(hào)兩個(gè)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(yǔ)

通過(guò)3D B定向耦合器等的設(shè)計(jì)，在分析仿真電路圖之后，設(shè)計(jì)結(jié)果比較簡(jiǎn)單，技術(shù)人員在后期應(yīng)通過(guò)工具和渠道對(duì)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。