王蘭翔 南京恒電電子有限公司

基于ADS的微波混頻器設(shè)計(jì)與仿真

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由于微電子技術(shù)與射頻通訊技術(shù)的快速發(fā)展，微波混頻器正廣泛地被應(yīng)用在電子對(duì)抗、移動(dòng)通信、雷達(dá)、微波電路和射頻等領(lǐng)域。微波混頻器的性能，可以直接影響到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的效果。根據(jù)微波混頻器的設(shè)計(jì)原理，在分析微波混頻器原理的根本之上，完成單平衡混頻器設(shè)計(jì)。其內(nèi)容主要包括二極管、定向耦合器、匹配網(wǎng)絡(luò)以及低通濾波器設(shè)計(jì)。以5.2GHZ為單平衡混頻器的設(shè)計(jì)中心頻率。使用Agilent公司的ADS軟件，對(duì)該電路進(jìn)行分析與優(yōu)化。在微波電路運(yùn)行過(guò)程中，仿真模擬結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。同時(shí)，分析了微波電路的噪聲特征。該仿真結(jié)果，對(duì)于微波混頻器的設(shè)計(jì)研究，有重要的借鑒價(jià)值。

ADS 定向耦合器 微波混頻器 低通濾波器

1 引言

本文不僅設(shè)計(jì)出單平衡混頻器電路，而且對(duì)該平衡混頻器電路采取了平面微帶混合集成方案，對(duì)微波混頻器進(jìn)行了簡(jiǎn)單的試驗(yàn)研究。本次簡(jiǎn)單試驗(yàn)研究，使用Agilent公司開(kāi)發(fā)的ADS軟件。ADS軟件能夠，對(duì)已設(shè)計(jì)完成的平衡混頻器電路，進(jìn)行仿真模擬。這樣，就可以幫助研究者對(duì)平衡混頻器電路進(jìn)行更好地分析[1]。同時(shí)，能夠幫助研究者及時(shí)做出平衡混頻器電路的優(yōu)化方案。設(shè)計(jì)指標(biāo)有，本振頻率：5．2GHZ、噪聲≤16dB、射頻頻率：4．9GHz、變頻損耗≤13dB。

2 混頻器的設(shè)計(jì)

2.1 組成

電波訊號(hào)在經(jīng)過(guò)非線性器件時(shí)，在兩個(gè)頻率不同的高頻電壓的作用下，混合成一道特定頻率的電波訊號(hào)。電流根據(jù)傳送方式可進(jìn)一步分化為：直流分量、差頻分量、諧波、基波、和頻等。而混頻器需要的中頻信號(hào)，就是電流經(jīng)過(guò)非線性變換后的電流差頻分量[2]。差頻分量是電流經(jīng)過(guò)非線性變換后，再經(jīng)過(guò)中頻帶通濾波器的過(guò)濾作用，將電流中其它不需要的頻率分量過(guò)濾掉得到的?；祛l器的主要組成如下圖所示：

2.2 分析方法

對(duì)微波混頻器電路進(jìn)行分析時(shí)，可以采用諧波平衡法進(jìn)行分析。諧波平衡法適用于強(qiáng)非線性電路，而微波混頻器電路是強(qiáng)非線性電路，故采用諧波平衡發(fā)分析。在分析諧波混頻電路時(shí)，理想條件下，我們可以將其簡(jiǎn)化成單端混頻器，再進(jìn)行電路分析。

2.3 混頻器的選型和技術(shù)性能指標(biāo)

非線性器件，選擇無(wú)源器件二極管。在微波混頻器處理微波/毫米波、頻段時(shí)，具體采用SBD二極管。SBD是一種熱載流子二極管。采用SBD二極管能夠使得電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，運(yùn)行效果更穩(wěn)定、集成與生產(chǎn)方便、對(duì)于設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)電路設(shè)計(jì)起來(lái)更容易。工作帶寬可以做得比較寬，倍頻程有時(shí)能夠達(dá)到幾個(gè)，或者幾十個(gè)。除此之外，SBD二極管的線性程度好。綜上各優(yōu)點(diǎn)，在微波/毫米波混頻器中，主要變頻元件通常采取SBD二極管為材料。由于毫米波混頻器的應(yīng)用場(chǎng)合比較廣泛，性能要求通常也是不同的。在實(shí)際工程中，微波混頻器的指標(biāo)如下：

（1）重要指標(biāo)：噪聲系數(shù)、變頻損耗；

（2）其他指標(biāo)：端口隔離、輸入駐波比、動(dòng)態(tài)范圍、頻帶寬度。

3 單平衡微帶混頻器的設(shè)計(jì)

3.1 單平衡混頻器設(shè)計(jì)方案

一開(kāi)始我們要對(duì)整體電路的拓?fù)溥M(jìn)行確定，然后閱讀大量文獻(xiàn)及充分的理論進(jìn)行分析，最后再確定電路拓?fù)淙缦聢D所示。由阻抗匹配電路、中頻、高頻短路塊、相移線、電感線、定向耦合器、二極管和直流電路和匹配荷載構(gòu)成圖。再經(jīng)由定向耦合器入口1輸入微波信號(hào)，又從該器另一個(gè)進(jìn)入口2進(jìn)入本振功率。進(jìn)入本振口的信號(hào)要與該耦合器有一定的分離，通常為10dB。該耦合器與混頻管之間通常須要有阻抗，波長(zhǎng)為1/4，用來(lái)完成阻抗的匹配，從而讓二極管高效率的輸入本振和訊號(hào)。本混頻管本質(zhì)上就是個(gè)復(fù)阻，能夠測(cè)量得出。該電路用兩個(gè)二極管，并且須在通路混合情況下，兩個(gè)混頻管中，憑等分的功率與相應(yīng)的相位，將其加入訊號(hào)以及本振。經(jīng)常利用定向耦合，用時(shí)環(huán)行橋與分支線。電路主要分析的是平衡器。

3.2 定向耦合器的設(shè)計(jì)方案

該器件一般有進(jìn)入口、耦合口、隔離口、直通口。在這之中耦合程度、向性、駐波比例、工作寬度，為主要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行仿真分析能夠得到輸入端口隔離度、輸出端口間相位差及輸入端口回波損耗。做好了整體電路下一步設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

4 總結(jié)

闡明耦合器原理，定向耦合、進(jìn)入、流出阻抗通路、兩個(gè)混頻管、流出低濾波等構(gòu)成混頻器。設(shè)計(jì)了低通濾波器，進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真整個(gè)電路測(cè)結(jié)果，所得基本滿足參數(shù)要求。

[1]曹志翔.3.8GHz單平衡微波混頻器的設(shè)計(jì)與仿真[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017(11):94-95.

[2]楊婷.混頻器測(cè)試方法的研究[J].黑龍江科技信息，2016(36):60-61.

王蘭翔，1986.01，男，漢，江蘇揚(yáng)州本科，助理工程師，目前從事微波射頻電路方面的研究。