趙晶亮，呂晶晶，趙永亮

（中北大學(xué)信息探測(cè)與處理技術(shù)研究所，山西 太原 030051）

0 引言

本文主要對(duì)微波混頻器進(jìn)行深入研究，并設(shè)計(jì)出單平衡混頻器電路，采用平面微帶混合集成的方案實(shí)現(xiàn)。在此課題中，利用Agilent公司的ADS軟件進(jìn)行電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，電路仿真和優(yōu)化。

預(yù)期目標(biāo)技術(shù)指標(biāo)要求：射頻頻率為4.8GHz；本振頻率為5GHz；變頻損耗≤12dB；噪聲系數(shù)≤15dB。

1 混頻器原理與分析

1.1 混頻器工作原理

兩個(gè)不同頻率的高頻電壓作用于非線性器件時(shí)，經(jīng)非線性變換，電流中包含直流分量、基波、諧波、和頻、差頻分量等。其中差頻分量-就是混頻所需要的中頻成分，通過(guò)中頻帶通濾波器把其它不需要的頻率分量濾掉，取出差頻分量完成混頻[2]?；祛l器主要組成如圖1所示。

圖1 混頻器組成圖

利用諧波平衡法適合對(duì)混頻器這種有著強(qiáng)非線性的電路進(jìn)行分析。對(duì)諧波混頻電路，在理想情況下，我們可以將其簡(jiǎn)化為單端混頻器的情況來(lái)進(jìn)行處理[3]。

1.2 混頻器的選型和技術(shù)指標(biāo)

采用無(wú)源器件二極管作為非線性器件。在微波毫米波頻段，都采用肖特基勢(shì)壘二極管。其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)容易、便于集成、工作穩(wěn)定，工作帶寬可以做的比較寬，有時(shí)達(dá)幾個(gè)甚至幾十個(gè)倍頻程，性能好。肖特基勢(shì)壘二極管非線性程度好，因而是目前微波/毫米波混頻器中的主要變頻元件[4]。

毫米波混頻器由于其廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)性能的要求通常是不同的。根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)踐，混頻器主要包括以下指標(biāo)：變頻損耗、噪聲系數(shù)、帶寬、動(dòng)態(tài)范圍、三階交調(diào)與P1dB、鏡頻抑制度、端口隔離度及各端口駐波比等[5]。

2 單平衡微帶混頻器的設(shè)計(jì)

2.1 單平衡混頻器設(shè)計(jì)方案

首先我們應(yīng)該確定整體電路的拓?fù)?，通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)以及充分的理論分析，確定的電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 微帶型單端混頻器仿真拓?fù)鋱D

由定向耦合器、阻抗匹配電路、二極管、相移線、高頻短路塊、電感線、中頻及直流通路和匹配負(fù)載等組成。微波信號(hào)從定向耦合器的輸入端口1加入，本振功率從定向耦合器的另一個(gè)輸入口2加入。定向耦合器保證本振口和信號(hào)口有適當(dāng)?shù)母綦x度，一般取耦合度約為10dB。定向耦合器至混頻管之間有1/4波長(zhǎng)阻抗變換器，以完成阻抗匹配，使信號(hào)和本振功率有效地加到二極管?；祛l二極管是一個(gè)復(fù)阻抗，可在工作頻率下測(cè)量。電路中采用兩只混頻管，要求混合電路能使信號(hào)和本振都能以等分的功率及一定的相位關(guān)系加到兩只二極管上。常采用的混合電路時(shí)環(huán)行橋和分支線定向耦合器。平衡混頻器電路主要對(duì)型平衡混頻器進(jìn)行研究[6]。

2.2 3dB定向耦合器的設(shè)計(jì)

定向耦合器是一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，它有輸入端口、直通端口、耦合端口和隔離端口。其主要技術(shù)指標(biāo)有耦合度、定向性、輸入駐波比和工作帶寬。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行仿真分析，可以得到輸出端口間的相位差、輸入端口的隔離度和輸入端口的回波損耗。為下一步整體電路的設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)[7]。在ADS軟件里建立3dB定向耦合器電路模型如圖3所示。

圖3 3dB定向耦合器的ADS電路

2.3 低通濾波器的設(shè)計(jì)

微波濾波器是微波系統(tǒng)中重要元件之一，用于分離和組合各種不同頻率信號(hào)的重要元件。在不同領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用[8]。

濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)有：截止頻率fc或頻率范圍f1～f2； 通帶內(nèi)允許最大插入衰減LAr；阻帶內(nèi)最大衰減LAr及相應(yīng)的阻帶頻率fs；根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，在ADS里面建立低通濾波器的仿真模型，如圖4所示。

2.4 整體電路的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)整體電路中的匹配電路及晶體管電路進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)，得到我們?cè)O(shè)計(jì)的混頻器的整體電路如圖5所示。

3 電路仿真

對(duì)電路進(jìn)行仿真，可以得到中頻輸出的頻譜分量。通過(guò)濾波器前中頻頻譜如圖6示；通過(guò)濾波器后中頻輸出頻譜如圖7示；通過(guò)濾波器前中頻輸出時(shí)域波形如圖8示；通過(guò)濾波器后中頻輸出時(shí)域波形如圖9示。

圖4 低通濾波器的ADS電路

圖5 混頻器總體電路圖

圖6 濾波器前中頻頻譜

圖7 通過(guò)濾波器后中頻輸出頻譜

圖8 通過(guò)濾波器前中頻輸出時(shí)域波形

圖9 通過(guò)濾波器后中頻輸出時(shí)域波形

通過(guò)兩組結(jié)果對(duì)比我們可以看到這個(gè)設(shè)計(jì)電路可以得到較為理想的中頻分量輸出而將其他組合頻率濾掉，達(dá)到了我們的設(shè)計(jì)要求和目的。變頻損耗仿真如圖10示。

圖10 變頻損耗仿真圖

對(duì)混頻器的噪聲系數(shù)進(jìn)行仿真：當(dāng)noisefreq為200.0MHz是噪聲系數(shù)nf(2)為14.035。

4 總結(jié)

微帶平衡混頻器主要：3dB定向耦合器、輸入、輸出阻抗匹配電路、兩個(gè)二極管、輸出低通濾波器等組成。介紹了 3dB 定向耦合器的仿真，分析了低通濾波器，最后對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，所測(cè)結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

[1]高峻.無(wú)線通信射頻接收前端研究與設(shè)計(jì)[D].成都:西南交通大學(xué),2006.

[2]W.Alan Davis Krishna K .Agarwal.射頻電路設(shè)計(jì)[M].李福樂(lè) 譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[3]王磊,楊紅.射頻電路設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[4]Joshua Israelsohn.噪聲與低噪聲設(shè)計(jì)的探討[J].EDN電子設(shè)計(jì)技術(shù),2004(5).

[5]吳國(guó)增.一種寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試,2010(09).

[6]電子測(cè)試.安捷倫科技推出用于ADS軟件的NXP Semiconductors的射頻小信號(hào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)套件[J].電子測(cè)試,2010(03)

[7]范壽康,盧春蘭,李平輝.微波技術(shù)與微波電路[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:259-273.

[8]黃清江,朱良學(xué).一種小功率點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)無(wú)線Modem[J].電子測(cè)試,2009(04).