功分器,混頻器實(shí)驗(yàn)參考方案射頻電路與系統(tǒng)課程報(bào)告下載

ID:370562 · 發(fā)表于 2018-7-12 22:21

功分器以及混頻器兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告，適用于射頻電路仿真實(shí)驗(yàn)。

《射頻電路與系統(tǒng)》課程報(bào)告

題目功分器設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化
目錄

一、功分器設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化  1
1設(shè)計(jì)目的 1
2設(shè)計(jì)內(nèi)容 1
3技術(shù)基礎(chǔ) 1
31 基本工作原理 1
32 基本設(shè)計(jì)指標(biāo) 2
4設(shè)計(jì)實(shí)例 3
41 設(shè)計(jì)指標(biāo) 3
42 設(shè)計(jì)原理圖 3
43 基板參數(shù)設(shè)置 4
44 原理圖仿真 6
45 電路參數(shù)的優(yōu)化 7
46 版圖的生成與仿真 9

二、混頻器設(shè)計(jì)與仿真  11
1 設(shè)計(jì)目的 11
2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 11
3 設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 11
31 基本工作原理 12
32 基本性能參數(shù) 12
4 設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例——Gilbert 混頻器15
41 Gilbert 混頻器簡(jiǎn)介 15
42 設(shè)計(jì)指標(biāo) 15
43 混頻器模型的設(shè)計(jì) 16
44 混頻器電路仿真 18
三、心得體會(huì)  22

一、功分器設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化

1.設(shè)計(jì)目的

了解功率分配器電路的原理及設(shè)計(jì)方法。

學(xué)習(xí)使用 ADS 軟件進(jìn)行微波電路的設(shè)計(jì)，優(yōu)化，仿真。

掌握功率分配器的制作及調(diào)試方法。

2.設(shè)計(jì)內(nèi)容

了解功分器基本的工作原理和相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。

使用 ADS 軟件設(shè)計(jì)威爾金森功分器，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化。

根據(jù) ADS 設(shè)計(jì)完成的電路原理圖生成相應(yīng)的設(shè)計(jì)版圖并進(jìn)行優(yōu)化

對(duì)加工好的電路進(jìn)行調(diào)試，使其滿足設(shè)計(jì)要求。

3.技術(shù)基礎(chǔ)

功率分配電路屬于無(wú)緣微波器件，主要應(yīng)用于功率分配。常用的功率分配器件有 T 型功分器、威爾金森功分器等。功率分配器通常采用三端口網(wǎng)絡(luò)，常用3dB 等分形式。本此實(shí) 驗(yàn)主要是通過(guò)對(duì)威爾金森功分器的設(shè)計(jì)仿真和優(yōu)化來(lái)了解功分器的原理。

3.1基本工作原理

威爾金森功率分配器的功能是將輸入信號(hào)等分或者不等分地分配到各個(gè)輸出端口，并保持相同的輸出相位。微帶型功分器的電路結(jié)構(gòu)如圖所示。其中，輸入端的特征阻抗為 Z0 ;

兩端分支微帶線長(zhǎng)度為  / 4 ，特征阻抗分別為 Z02 和 Z03 ，終端分別接負(fù)載 R2 和 R3 。

各個(gè)端口的特性如下：

端口 1 無(wú)反射

端口 2 和端口 3 輸出電壓相等且同相

端口 2 和端口 3 輸出功率比值為任意指定值1 / k2

所以，

4.設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1設(shè)計(jì)指標(biāo)

通帶范圍：0.9~1.1GHz

通帶內(nèi)各端口反射系數(shù)：<-20dB

通帶內(nèi)的傳輸損耗：<3.1dB

兩輸出端隔離度：<-25dB

功分比：1:1

4.2設(shè)計(jì)原理圖

輸入端口電路：由一個(gè)一般微帶線和一個(gè)微帶 T 型結(jié)構(gòu)成。

阻抗變換電路：此設(shè)計(jì)圖為四分之一波長(zhǎng)阻抗變換電路，由于技術(shù)指標(biāo)中規(guī)定了隔離度的最大值，所以需要加入薄膜電阻 TRF 作為兩路分支之間的隔離電阻，用來(lái)增加隔離度。

輸出端口電路：輸出端口電路可分為上下兩個(gè)支路，成對(duì)稱分布。

 完整的微帶型威爾金森功分器

4.3基板參數(shù)設(shè)置

（1）在電路中加入 MSUB 控件進(jìn)行微帶線的參數(shù)設(shè)置，如下圖所示：

（2）用【LineCalc】計(jì)算出功分器各段微帶線的理論值，并修改原理圖

當(dāng)特征阻抗為 50Ohm 時(shí)，計(jì)算得到的傳輸線寬度為 1.521330mm；當(dāng)特征阻抗為

70.70Ohm，長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)時(shí)，時(shí)計(jì)算出的特征阻抗為 0.788886mm。由最開(kāi)始的設(shè)計(jì) 可知，輸入阻抗為 50Ohm，阻抗變換部分為四分之一波長(zhǎng)，所以輸入端的 W 應(yīng)為 1.52，阻抗變換部分應(yīng)為 0.79。為了方便之后的參數(shù)優(yōu)化，插入 VAR 控件，設(shè)置變量 w1=1.52，w2=0.79， lh=16。然后依照設(shè)計(jì)指標(biāo)，用變量 w1, w2,lh 替換原理圖中原有的數(shù)據(jù)，修改結(jié)果如下：

4.4原理圖仿真

對(duì)完成的原理圖進(jìn)行 S 參數(shù)仿真，首先分別在三個(gè)端口加入 Term 用來(lái)定義端口并且與地相連。隨后加入 SP 空間設(shè)置通帶頻率和步長(zhǎng)。完成之后點(diǎn)擊 simulation 進(jìn)行仿真。在數(shù)據(jù)觀察窗中加入觀察對(duì)象。

由于 S11 表示輸入端口的反射系數(shù)，所以增加一個(gè)觀測(cè)變量 S(1, 1); S21 和 S31 均表示傳輸損耗，所以增加一個(gè)觀測(cè)變量 S(2, 1); S22 和S33 均表示輸出端口的反射系數(shù)，又由于上下分支呈對(duì)稱分布，所以增加一個(gè)觀測(cè)變量 S(2, 1); S23 表示兩個(gè)輸出端口之間的隔離度，所以增加一個(gè)觀測(cè)變量 S(2, 3)。得到下圖的仿真結(jié)果。

分析仿真結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)在通帶內(nèi)，輸入端口的反射系數(shù) S11 均小于 20dB，且最小值為-63.121 符合設(shè)計(jì)要求，但是曲線不夠平滑產(chǎn)生尖峰；輸出端口的反射系數(shù)也均小于

20dB，最小值為-47.059dB，平坦度還有待提高；但是觀察傳輸損耗 S21 我們發(fā)現(xiàn)，仿真獲得的結(jié)果均大于 3.1dB，且最大值達(dá)到 3.05，符合設(shè)計(jì)要求；就兩個(gè)輸出端口之間的隔離度來(lái)看，并不是整個(gè)通帶內(nèi)的值都符合技術(shù)指標(biāo)，小于-25dB，有部分值大于 25dB，所以也需優(yōu)化改進(jìn)。

4.5電路參數(shù)的優(yōu)化

通過(guò)對(duì) 4.4 中的仿真結(jié)果進(jìn)行分析以及為了更好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，我們需要對(duì) w2 和 lh 進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)對(duì)于 VAR 控件的設(shè)置，將 w2 和 lh 的定值改為一個(gè)范圍，先初步將 w2 的范圍定在 0.7-0.9，將 lh 的范圍設(shè)置在 5-20。由于我們需要對(duì) S11，S21，S22，S23 進(jìn)行仿真，所以要插入 OPTIM 和四個(gè) GOAL 控件。然后分別輸入技術(shù)指標(biāo)要求的參數(shù)范圍，如下圖所示：

完成控件設(shè)置后點(diǎn)擊仿真按鈕，當(dāng)優(yōu)化結(jié)束后，數(shù)據(jù)顯示的窗口會(huì)自動(dòng)彈出來(lái)，此時(shí)的

優(yōu)化結(jié)果變化還不是很明顯，然后我們需要點(diǎn)擊按鍵，更新優(yōu)化后的 w2 和 lh 的值，優(yōu)化后 w2 和 lh 的值如圖所示。

最后我們將 OPTIM 控件禁用，進(jìn)行最后一次的仿真，得到最終的結(jié)果，如下圖所示：

通過(guò)比較觀察我們發(fā)現(xiàn)，此圖中個(gè)技術(shù)指標(biāo)基本符合要求，且相較于優(yōu)化之前的 S 參數(shù)，波形要更加的平坦順滑，說(shuō)明優(yōu)化起到了作用。

4.6版圖的生成與仿真

在完成了功分器電路原理圖的仿真之后，為了制作成合格可用的實(shí)際成品，我們還需要生成相應(yīng)的功分器板圖并對(duì)其進(jìn)行仿真，查看各部分功能是否完全實(shí)現(xiàn)并符合指標(biāo)。

首先我們需要將原理圖中的部分仿真用的控件失效，因?yàn)檫@一部分的內(nèi)容不需要加入到實(shí)際的板圖制作中去，然后就可以使用【Layout】自動(dòng)生成微帶線板圖。生成的板圖如下圖所示。

但是在這里我出現(xiàn)了一些問(wèn)題，就是在我生成板圖的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在圖中的紅框處出現(xiàn)了

一個(gè)不符合預(yù)期的斷點(diǎn)，一開(kāi)始我沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行處理進(jìn)行了之后的仿真操作，得到的 S 參數(shù) 仿真圖與技術(shù)指標(biāo)以及電路圖的 S 參數(shù)仿真圖均有較大的出入。所以我嘗試增加一段微帶線去填補(bǔ)這一段空缺，在進(jìn)行仿真操作，發(fā)現(xiàn)這一舉措起到了實(shí)際的作用，得到了預(yù)期的仿真圖，具體的仿真操作見(jiàn)下文。

在生成板圖之后，我們需要將原理圖中的微帶線參數(shù)設(shè)置導(dǎo)入到板圖中。因?yàn)槲Ь€介

質(zhì)基片和金屬片對(duì)功分器參數(shù)影響很大。完成 Substrate 參數(shù)的導(dǎo)入之后，我們需要對(duì)板圖再次進(jìn)行 S 參數(shù)仿真。Substrate 得到的結(jié)果如圖所示：

仿真之前，我們先要在板圖中加入三個(gè)接地端口，這個(gè)過(guò)程和原理圖仿真相似，然后設(shè) 置通帶頻率以及取樣點(diǎn)頻率。完成設(shè)置后點(diǎn)擊 Simulation 進(jìn)行仿真。得到 S11，S21，S22， S23 的結(jié)果如下圖所示。通過(guò)與技術(shù)指標(biāo)和電路圖的 S 參數(shù)仿真圖進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)基本符合設(shè)計(jì)要求，板圖沒(méi)有產(chǎn)生較大的偏差。理論來(lái)說(shuō)，如果板圖的 S 參數(shù)結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì) 要求，則需要返回原理圖重新進(jìn)行變量參數(shù)的優(yōu)化，在進(jìn)行板圖的生成和仿真，直到滿足設(shè) 計(jì)要求。

二、混頻器設(shè)計(jì)與仿真

1. 設(shè)計(jì)目的

掌握混頻器基本的工作原理，

了解混頻器電路的原理和設(shè)計(jì)方法

學(xué)習(xí)使用 ADS 軟件進(jìn)行 Gilbert 混頻器的設(shè)計(jì)以及仿真

2. 設(shè)計(jì)內(nèi)容

了解混頻器基本的工作原理和相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。

使用 ADS 軟件設(shè)計(jì) Gilbert 混頻器模型

設(shè)計(jì)仿真電路圖參照要求的指標(biāo)，進(jìn)行仿真優(yōu)化。

3. 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

混頻器是射頻電路前端最關(guān)鍵的模塊，實(shí)現(xiàn)了頻率變換的過(guò)程。無(wú)論是微波通信、雷達(dá)、遙控、遙感，還是偵察與電子對(duì)抗，以及微波測(cè)量系統(tǒng)，都必須把微波信號(hào)用混頻器降到中

低頻來(lái)進(jìn)行處理。混頻器的設(shè)計(jì)要綜合考慮噪聲、線性度、轉(zhuǎn)換增益、隔離度等技術(shù)指標(biāo)。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中還是有一定的難度的。

3.1基本工作原理

混頻器是一個(gè)三端口非線性器件，其中兩個(gè)為輸入端稱為射頻端（RF）和本振端（LO），另外一個(gè)為輸出端稱為中頻端（IF）。通過(guò)這三個(gè)端口將兩個(gè)頻率不同的輸入信號(hào)變?yōu)橐幌?列的輸出頻譜。

混頻器一般是通過(guò)在時(shí)變電路中采用非線性元件來(lái)完成頻率轉(zhuǎn)換，一般分為無(wú)源混頻器和有源混頻器兩種。無(wú)源混頻器具有很好的線性度，并且可以在很高的頻率范圍內(nèi)工作，但是缺少轉(zhuǎn)換增益；有源混頻器則具有轉(zhuǎn)換增益，可以減小來(lái)自中頻的噪聲影響。

混頻器一般是通過(guò)兩個(gè)信號(hào)相乘進(jìn)行頻率變換：

如：輸入 A,B 信號(hào)的頻率分別為 1 和 2 ，則輸出的混頻信號(hào)頻率可能為 1 - 2 或，從而實(shí)現(xiàn)變頻功能。

混頻器的示意圖如下圖所示，其中 RF 端接收將要進(jìn)行變頻的信號(hào)；LO 端接收由本地振蕩器產(chǎn)生的周期性波形信號(hào)；IF 端是中頻信號(hào)的輸出端口。

3.2基本性能參數(shù)

(1) 噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度比

噪聲系數(shù)的定義為： F Pno/ Pns，其中 Pno為當(dāng)系統(tǒng)輸入噪聲溫度在所有頻率上都是標(biāo)準(zhǔn)溫度 T0 290K時(shí)，系統(tǒng)傳輸?shù)捷敵龆说目傇肼曎Y用功率； Pns為僅由有用信號(hào)輸入所

產(chǎn)生的那一部分輸出的噪聲的資用功率。

噪聲系數(shù)可以分為單邊帶噪聲系數(shù)（ FSSB mtm， m為混頻器變頻損耗）以及雙邊帶噪聲系數(shù)（ FDSB 0.5 mtm）。相比之下可知，由于鏡像噪聲的影響，混頻器單邊帶噪聲

系數(shù)比雙邊帶噪聲系數(shù)大一倍，即高出 3dB。

所以在混頻器使用過(guò)程中應(yīng)注意以下 3 點(diǎn)內(nèi)容：

注意給出的噪聲系數(shù)是單邊帶的還是雙邊帶的，不作說(shuō)明默認(rèn)為單邊帶噪聲系數(shù)

鏡頻回收或鏡頻抑制混頻器不宜用于雙邊帶信號(hào)接收

測(cè)量噪聲系數(shù)時(shí)，通常采用寬頻帶熱噪聲源，這樣測(cè)得的是雙邊帶噪聲系數(shù)

上文中提到的 tm指的是混頻器等效噪聲溫度比。主要由混頻器性能決定，與電路端的

負(fù)載有關(guān)。在厘米波段 tm 1.1 ~ 1.2 ；在毫米波段 tm 1.2 ~ 1.5 。

由于混頻器和中頻放大器之和為總噪聲系數(shù)，一般只給出總噪聲系數(shù)，在厘米波段范圍內(nèi) tm 1，因此可粗略估計(jì)整機(jī)噪聲為 F0 m(tm FIF1) mFIF。

(2) 變頻損耗

混頻器的變頻損耗是混頻器輸入端的射頻信號(hào)功率與輸出端中頻功率之比，表達(dá)式為：

微波輸入信號(hào)功率

 m(dB)  10 lg

中頻輸出信號(hào)功率

   (電路失配損耗dB)   r(混頻二極管芯的結(jié)損耗dB)   g(非線性電導(dǎo)凈變頻損耗dB)

(3) 動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是混頻器正常工作時(shí)的射頻輸入功率范圍。動(dòng)態(tài)范圍的下限通常指信號(hào)與噪聲

電平相比擬時(shí)的功率，可以表示為 Pmin  MkT0 ( mFIF)fIF。其中  m為混頻器變頻損耗；

FIF為中頻放大器噪聲系數(shù)； fIF為中頻放大器帶寬；M 為信號(hào)識(shí)別系數(shù)。動(dòng)態(tài)范圍的上限

受輸出中頻功率飽和所限。通常是指 1dB 壓縮點(diǎn)的射頻輸入信號(hào)功率 Pmax 。

(4) 雙頻三階交調(diào)與線性度

如果有兩個(gè)頻率相近的射頻信號(hào) s1 、s2 和本振 p 一起輸入混頻器，這時(shí)將有很多組

合諧波頻率。三階交調(diào)分量一般出現(xiàn)在輸出中頻附近。當(dāng)兩個(gè)射頻信號(hào)相距很近的時(shí)候，m3

將會(huì)落在中頻放大器工作頻帶內(nèi)，造成很大的干擾。這是射頻多路通信系統(tǒng)中一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)

題，可能會(huì)造成串話和干擾。

 三階交調(diào)分量功率  P

混頻器三階交調(diào)系數(shù) Mi 的定義為 Mi(dB)  10 lg

  10lg m3

P

 有用信息功率  IF

其值為負(fù)分貝數(shù)，單位常用 dBc，其物理含義是三階交調(diào)功率比有用中頻信號(hào)功率小的分貝數(shù)。三階交調(diào)功率 P 隨輸入微波信號(hào)功率 Ps 的變化斜率變大，而中頻功率 PIF隨 Ps 的變

化呈正比關(guān)系，基本規(guī)律是 Ps 每減小 1dB, Mi 就改善 2dB。如下圖所示。

但是 Mi 的值與輸入信號(hào)強(qiáng)度有關(guān)，通常不穩(wěn)定，所以引入三階交調(diào)截止點(diǎn) Ma 作為相

應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。 Ma 是 PIF直線和 P 直線延長(zhǎng)的交點(diǎn)。1dB 壓縮點(diǎn) P1dB 和三階交調(diào)截止值

PM常作為混頻器線性度的標(biāo)志參數(shù)。

(5) 工作頻率

混頻器是多頻率器件，除了應(yīng)指明信號(hào)工作頻帶外，還應(yīng)該注明本振頻率可用范圍以及

(6) 隔離度

混頻器的隔離度指的是各頻率端口之間的隔離度，該指標(biāo)包括：信號(hào)與本振之間的隔離度、信號(hào)與中頻之間的隔離度和本振與中頻之間的隔離度。如信號(hào)與本振之間的隔離度為

信號(hào)輸入到混頻器的功率

Lsp 10lg

在本振端口測(cè)得的信號(hào)功率

，這是一個(gè)重要的指標(biāo)，尤其是在共用本振的多

通道接受系統(tǒng)中。當(dāng)一個(gè)通道的信號(hào)泄漏到另一通道時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生交叉干擾。在單通道系統(tǒng)

中，信號(hào)泄露就要損失信號(hào)能量，對(duì)接收靈敏度也是不利的。

(7) 本振功率與工作點(diǎn)

混頻器的本振功率是指最佳工作狀態(tài)時(shí)所需要的本振功率。本振功率不同時(shí)，混頻二極管工作電流不同，阻抗也不同，這會(huì)使本振，信號(hào)，中頻這三個(gè)端口的匹配狀態(tài)變差。此外，還會(huì)改變動(dòng)態(tài)范圍和交調(diào)系數(shù)。

不同的混頻器工作狀態(tài)所需要的本振功率不同。原則上本振功率越大，則混頻器動(dòng)態(tài)范圍越大，線性度改善，1dB 壓縮點(diǎn)上升，三階交調(diào)系數(shù)也會(huì)改善。

4. 設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例——Gilbert 混頻器

4.1Gilbert混頻器簡(jiǎn)介

如圖所示為一個(gè)典型的 Gilbert 混頻器，通過(guò) M1 和 M2 把射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流；M1~M4

在差分的本振信號(hào)控制下輪流導(dǎo)通，使電流交替通過(guò)這兩組 MOS 開(kāi)關(guān)管，并在 IF 端形成電壓。如果將電阻換成電感，可以有效的降低負(fù)載引入的噪聲，而且電感上只有很小的直流壓降，有利于實(shí)現(xiàn)低壓設(shè)計(jì)。此外，Gilbert 電路為雙平衡結(jié)構(gòu)，具有相當(dāng)高的隔離度。射頻

輸入信號(hào)是平衡信號(hào)，本振信號(hào)也是平衡信號(hào)，且本振和輸入的電流都為零，輸出差分實(shí)現(xiàn) 減法運(yùn)算。本振幅度也得到了極大的降低。輸入跨導(dǎo)將射頻（RF）輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，然后本振 LO 信號(hào)控制差分對(duì)管切換電流方向。在 Gilbert 電路中，本振信號(hào)的擺幅和上升斜率影響 M5 和 M6 的噪聲貢獻(xiàn)，輸入跨導(dǎo)的線性度決定了整個(gè)混頻器的線性度。

4.2設(shè)計(jì)指標(biāo)

 本振輸入頻率：2250MHz

 RF 輸入頻率：2500MHz

 本振輸入功率：5dBm

 RF 輸入功率：-30dBm

 中頻輸出頻率：250MHz

 轉(zhuǎn)換增益：>10

 噪聲系數(shù)：<25

 工作電壓：2.5V

 1dB 功率壓縮點(diǎn)>1dBm

 三階交調(diào)截取點(diǎn)>11dBm

4.3混頻器模型的設(shè)計(jì)

1. 模型的提取：用 ADS 發(fā)布的 TSMC 0.25um 工藝 MOS 管的 Bsim3_Model 模型調(diào)參完成本例仿真。先找到“MOSFET BSIM3 Model(0.25um)”模型，由于只需要用到NMOS 所以將 PMOS 刪去，此模型共有 479 個(gè)參數(shù)，由于實(shí)驗(yàn)報(bào)告篇幅限制，這里就不一一列出了，部分見(jiàn)下圖。并將此模型保存在 mixer_gil 工程中，并將此模型命名為 cmosn，方便之后的調(diào)用。

2. 混頻器內(nèi)部電路圖的繪制：創(chuàng)建一個(gè)新的工程，命名為“MIXER_FENGZHANG”,將設(shè)置好的非線性 NMOS 管模型調(diào)入原理圖中。按照 Gilbert 混頻器的設(shè)計(jì)要求，插入 9 個(gè) NMOS 管，將它們的 Model 都改為 cmosn，表示調(diào)用了設(shè)置好的 NMOS 管模型。之后就可以按照原理圖的設(shè)計(jì)要求，添加相應(yīng)的原件設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)。整個(gè)電路分為 3 個(gè)部分：

主電路:NMOS1~4 受 LO 功率源驅(qū)動(dòng)，NMOS5,6 受 RF 功率源驅(qū)動(dòng)。

電流偏置電路：NMOS8 分別與 NMOS7 和 9 構(gòu)成兩對(duì)電流源，已提供電流偏置。將 NMOS8 的溝道寬度設(shè)為 NMOS7 和 9 的 1/10，這樣 NMOS8 就可以以 ibias/10的電流控制偏置電流 ibias，以達(dá)到省電的目的。

電壓偏置電路：“V_DC 1”供電電壓為 2.5V，經(jīng)過(guò)電阻 R2 和 R3，為 LO 功率源控制的

4 個(gè) NMOS 管提供偏置電壓，“V_DC 2”供電電壓為-2.5V，為 NMOS789 提供偏執(zhí)電壓。

最終電路：加入 VAR 控件設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)值

VAR 的具體數(shù)值如下圖所示：

3. 生成混頻器的系統(tǒng)符號(hào)：完成混頻器內(nèi)部電路設(shè)計(jì)之后，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)符號(hào)的設(shè)計(jì)，要注意輸入輸出端口的標(biāo)識(shí)，以防使用不當(dāng)。自行繪制混頻器符號(hào)如下圖所示：

4. 配置各端口功率源：完成了混頻器模型的設(shè)置，我們需要調(diào)用混頻器模型，構(gòu)建電路，對(duì)其輸入輸出端口進(jìn)行初步的配置，為接下來(lái)的仿真步驟做初步的準(zhǔn)備，故得到如下圖所示

的電路圖。當(dāng)我們選中混頻器符號(hào)并且點(diǎn)擊就可以在混頻器原理圖和實(shí)際仿真電路圖之間進(jìn)行切換。

4.4混頻器電路仿真

(1) 頻譜和噪聲系數(shù)的仿真

創(chuàng)建一個(gè)新的工程“mixer4exam_gil_specfz”用來(lái)進(jìn)行頻譜和噪聲系數(shù)的仿真操作。

首先加入諧波仿真控制器 HB，配置好本振頻率（LOfreq）和信號(hào)頻率（RFfreq）的階數(shù)，設(shè)置好噪聲參數(shù)。然后調(diào)用 VAR 控件和 Meas 控件，根據(jù)給出的技術(shù)指標(biāo)，定義好需要用到的參數(shù)的值以及相應(yīng)的公式。具體數(shù)值如下圖所示：

完成此步驟后，調(diào)用 4.3 中配置好各端口輸入輸出功率源的原理圖，進(jìn)行仿真。完成仿真之后，插入觀察對(duì)象 Vout，得到中頻輸出頻譜如下圖所示。

在加入觀測(cè)值 ConvGain 以顯示混頻器的轉(zhuǎn)換增益，根據(jù)定義公式 ConvGain=abs(dBm(mix(Vout,{-1,1}))-RFpwr)，在仿真結(jié)果中加入 ConvGain 的觀測(cè)值即可，得到如下圖所示，ConvGain=11.931，；在技術(shù)指標(biāo)中指出轉(zhuǎn)換增益應(yīng)該大于 10，所以基本符合技術(shù)指標(biāo)。

接著我們加入噪聲系數(shù)的觀測(cè)值 nf（2），得到端口 2 的噪聲值，從結(jié)果來(lái)看，中頻輸

出頻率為 250MHz 時(shí)，噪聲系數(shù)為 24.584，小于 25 所以符合技術(shù)指標(biāo)。

(2) 探究本振功率對(duì)噪聲系數(shù)和轉(zhuǎn)換增益的影響

探究本振功率對(duì)噪聲系數(shù)和轉(zhuǎn)換增益的影響，用 1dB 的步長(zhǎng)掃描本振功率（-20~10dBm），觀察本振功率對(duì) 噪聲系數(shù) 和轉(zhuǎn) 化增益的影響。其中 RF 頻率為輸入頻率，即為 LO_freq+IF_freq=2500MHz.RF 功率為-30dBm。創(chuàng)建原理圖“mixer4exam_gil_swplofz”用來(lái)實(shí) 現(xiàn)本次的仿真操作。

在操作過(guò)程中，首先插入 HB 控件進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，然后寫出轉(zhuǎn)換增益求解的公式，

以及設(shè)置好技術(shù)指標(biāo)的參數(shù)值，導(dǎo)入仿真原理圖。參數(shù)設(shè)置如下圖所示：

點(diǎn)擊仿真按鍵，發(fā)現(xiàn)有幾個(gè) warning 產(chǎn)生，首先是提示 Warning detected by HPEESOFSIM during spectral noise analysis `HB_NOISE'. 溫度符合 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)查找資料，我加入了一個(gè) OPTIONS 控件，將溫度設(shè)置為 16.85，成功解決了這個(gè)問(wèn)題。其次是關(guān)于 NMOS 的 PD=0 和 PS=0 出現(xiàn)問(wèn)題,出現(xiàn)如下提示

回到混頻器模塊修改相應(yīng)參數(shù)。最終得到如下圖所示的仿真結(jié)果。左邊的圖為本振功率對(duì)噪聲系數(shù)的影響，可以看出在本振功率為 6dBm 的時(shí)候，中頻段的噪聲系數(shù)最低，為 28.673 左右，略大于技術(shù)指標(biāo)，右邊的是本振功率對(duì)轉(zhuǎn)換增益的影響，與期望值有比較大的偏差。

(3) 三階交調(diào)的仿真

創(chuàng)建原理圖“mixer4exam_gil_ip3fz”用來(lái)進(jìn)行本項(xiàng)仿真操作。首先我們需要進(jìn)行控件參數(shù)設(shè)置以及原理圖導(dǎo)入修改等工作。在本次的仿真中需要在諧

波仿真器中設(shè)置兩個(gè)在 RFfreq 附近的載波頻率，一個(gè)比 RFfreq 高 50kHZ 一個(gè)低 50kHz。此外，因?yàn)樯婕皟蓚€(gè)載波頻率，所以將 RF 端的功率源換為“P_nTone”功率源進(jìn)行仿真，并設(shè) 置好對(duì)應(yīng)的參數(shù)。具體參數(shù)和電路圖如下圖所示。

設(shè)置完參數(shù)之后就可以進(jìn)行相應(yīng)的仿真操作了，首先輸出 Vout，觀察中頻輸出頻譜，然后通過(guò)頻譜計(jì)算三階交調(diào)截取點(diǎn)。具體的仿真結(jié)果如下圖所示。可以發(fā)現(xiàn)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

與理想值還是存在很大的差距的。

三、心得體會(huì)

本次課程論文我主要針對(duì)功分器電路以及混頻器電路進(jìn)行了學(xué)習(xí)以及設(shè)計(jì)，仿真使用的軟件是 ADS2016 版本。在選題的時(shí)候我本著選一個(gè)微帶線電路設(shè)計(jì)以及一個(gè)器件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 的原則，想全方位的鍛煉一下自己的能力。下面我主要想從功分器的設(shè)計(jì)心得，混頻器的設(shè) 計(jì)心得以及 ADS2016 的使用心得簡(jiǎn)單地談一下我的體會(huì)。

首先是關(guān)于功分器的設(shè)計(jì)。關(guān)于功分器這個(gè)無(wú)源微帶線的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，還是相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單的。參照網(wǎng)絡(luò)上的參考

文件以及實(shí)驗(yàn)材料，可以比較快的完成初步設(shè)計(jì)。但是完成原理圖仿真優(yōu)化之后，生成板圖的步驟中發(fā)現(xiàn)功分器微帶線板圖中存在部分?jǐn)嚅_(kāi)的地方，起初沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行修改，導(dǎo)致最后 S 參數(shù)仿真的結(jié)果與原理圖仿真的值存在很大偏差也不符合技術(shù)指標(biāo)。在這個(gè)斷電處添加一段微帶線之后，繼續(xù)仿真，得到了正確的結(jié)果。但是在這一段我還是存有疑惑，為什么原理圖都連接完整，但是在導(dǎo)入板圖的過(guò)程中會(huì)存在斷點(diǎn)的問(wèn)題。

然后是關(guān)于混頻器的電路設(shè)計(jì)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中我還是遇到了很多的麻煩。由于缺少基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)一些技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算以

及認(rèn)知都不是很夠。雖然看了一些參考文獻(xiàn)，但是由于混頻器涉及的參數(shù)過(guò)多，到最后有點(diǎn)

暈頭轉(zhuǎn)向。究其根本原因還是自身能力不足，需要進(jìn)一步的提高。然后關(guān)于混頻器的仿真內(nèi) 容，遇到的第一個(gè)麻煩就是 NMOS 管 PD 和 PS 的值的設(shè)置，因?yàn)闆](méi)有一個(gè)大概的方向，所以花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力，最后也沒(méi)有一個(gè)明確的結(jié)果，確實(shí)讓人有些對(duì)自己失去信心。然后就是關(guān)于混頻器仿真模塊得出的結(jié)果很多也不盡如人意，所以還煩請(qǐng)老師指正。

最后是關(guān)于 ADS 操作使用方面。

在上學(xué)期的微波實(shí)驗(yàn)課上，我有接觸過(guò) ADS2013 版本比較基本的操作，如微帶線介質(zhì) 板參數(shù)設(shè)置，LineCalc 計(jì)算操作等等。本次實(shí)驗(yàn)首次接觸 ADS2016 版本雖然遇到了一些問(wèn)題，但是感覺(jué) 2016 版本還是為我們提供了一些便利。首先是菜單欄的變化，特別是在板圖設(shè)計(jì) 的窗口。如加端口這個(gè)操作，ADS2008 版本中Insert 中的 Port 變成了 Pin，ADS2016 只需要我們直接加入 Pin 就能自動(dòng)生成 Port 和 Gnd，相較于之前的操作方便很多。還有就是將

Simulation 以及 Momentum 都放在 EM 板塊中，打開(kāi) Simulation Setup 就可以進(jìn)行一站式操作，如果你忘記加端口或者同步 Substrate 系統(tǒng)還會(huì)有提示，大大的方便了初學(xué)者的操作。不過(guò)由于版本缺少操作教程，在摸索的過(guò)程中還是走了彎路，還需要更多的鍛煉。

總而言之，無(wú)論是關(guān)于設(shè)計(jì)的理論知識(shí)還是關(guān)于軟件的使用，我的知識(shí)還存在很大的不足，需要之后進(jìn)一步的學(xué)習(xí)以及鍛煉。一個(gè)設(shè)計(jì)的完成不僅僅需要豐富的理論知識(shí)的支撐，還需要有足夠的耐心。以上便是我本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的些許心得。不當(dāng)之處還望老師指正。

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功分器以及混頻器綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告.pdf (1.26 MB, 下載次數(shù): 18)

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