基于ADS的微波混频器设计

文/陶霞 蔡雪芳 杜顺勇

采用平面微带混合集成的方案设计出单平衡混频器电路，利用ADS软件在电路仿真和优化上进行辅助设计，这是微博混频器深入研究的主要内容。根据射频频率本振频率变频损耗等数值得到预期目标的相关技术指标，例如噪声系数小于等于15db，射频频率为5GHZ。

1 微波混频器工作原理

（1）微波混频器的电流中含有的基波谐波和平差评分量等作用于非线性借器器件中，再不需要频率分量，滤掉时取出了分量混品，并完成主要混频器的组成。混频器部分设计，根据非线性变换的原理，在非线性器件设计上，采用两个不同频率的高频电压，利用些衡法对这两部分高频电压进行理想性的设计，使之有着强非线性的电路分析技术，并且将其简化为单混频器进行处理。ADS软件为设备之间的通讯提供路由。在TwinCAT PC 和Beckhoff 的CX、BX、BC 系列控制器中都包含TwinCAT 信息路由器。因此各个ADS 设备之间都能够交换数据和信息,进行分析和优化设计是ADS软件的优势，对于微波混频器电路过程采用软件技术进行仿真，如微波电路的噪声特性等的设计，在ADS软件的帮助下，仿真结果完全满足设计指标。

（2）根据技术指标和混频器的选型，对于应用场合进行勘察，选用适合的二极管作为非线性器件。对其性能要求，根据工程的需要，采用混频器各项指标予以监督，包括动态范围、三阶交调、噪声系数、变频损耗等。根据各项指标运行后发现，微波毫米波频段采用萧特基势垒二极管，电路简单，便于集成，工作稳定，设计容易，可以放大为几十倍，性能良好，目前在主要的变频元件中被运用。根据工程实践应用结果，微波毫米波混偏器在端口隔离带的性能发挥上令人满意。

2 单平衡微带混频器的设计

微波混频器设计时采用ADS软件,能够优化微波混频器中的电路,ADS软件提高微波混频器的射频通信技术,在工作性能上促使微波混频器可以满足使用标准。运用ADS软件保障微波混频器中采用的微电子技术等各项技术能够实现微波混频器中的有效应用。

（1）运用ADS仿真进行辅助设计,首先查阅大量文献，充分的进行理论论证之后，确定了整体电路的拓扑电路如图1所示。

在图1中我们可以看到，定向耦合器以及本振功率从耦合器的一个端口输入到另一个端口阻抗匹配电路，中频直流通路由于功分器频率特性及分配功率特性,被广泛用于雷达和通讯系统中,微波功率分配器进行电路优化设计，用于系统的多路信道实现。最终为接收机系统多路混频器传输等本振功率,并在需要的频段使用加载在二极管上的方法，成功实现了信道插损不大于8dB,隔离度大于30dB,各信道插损一致性的技术指标。

图1：仿真电路原理图

图2：谐波平衡法仿真控制

图3：中频信号最大输出功率

（2）平衡混频器电路主要按照分支线定向耦合和混合电路。环形桥进行设计。3db定向耦合器的设计，其主要指标包含了输入驻波比工作带宽定向性，在四端口网络上将直通端口输入端口隔离端口和偶端口进行布置，输入端口的隔离度和输入端口，根据输出端口的相位差进行整体设计，电路的基础打好之后，在ADS软件中建立3DB定向耦合器电路模型。

（3）低波滤波器的设计需要采用相应的技术指标予以指导，在不同领域中运用微波系统中的重要元件。微波滤波器用于组合和分离各种不同频率的信号，例如组带相应的组带频率频率范围以及截止频率通带内最大衰减。在ADS软件中要建立仿真模型，用以建立整体电路的设计。体管电路中进行选择和设计后，将整体电路中的设计思路予以匹配。

频谱以及频谱分量的电路仿真，进行滤波器前中频输出时，得到的时域波形仿真控制如图2。

对混频器的噪声系数进行仿真设置，噪声系数为14.025。精品二极管的伏安特曲线，具有动态范围小噪声小组合频率分量高的特点。在二级管混频器的使用中没有混频增益，进行单平衡的输出电流在强信号产生的时候，其产生的组合分量较少。这种平衡混频器具有抵消噪声的能力。基于以上特点利用ADS软件对单平衡混频器进行设计和仿真。

3 基于ADS的微波混频器仿真设计

根据ADS 的电路级原理图，得到X参数，首先需要在ADS中设计好电路原理图。电路原理图完成之后，就可以把频率、直流偏置、温度和其他重要的参数输入给ADS用来产生X参数的应用程序(X-parameter Generator — X参数生成器)。使用电路级的设计来计算可供ADS谐波平衡或电路包络仿真。ADS的X 参数产生器工作起来非常灵活，可以为非线性多端口器件在多音激励以及负载牵引仿真的条件下产生X 参数。因此，在ADS中使用参数提取器不仅可以对放大器、混频器等电路进行X参数提取，还能够对多级混频链路等复杂电路进行X参数提取。

通过对器件的测量快速而精准地得到X参数，实现的非线性矢量网络分析(NVNA)的测量技术。直接测量被测器件(DUT) 的 X参数，这些通过测量得到的X参数可以移植到ADS的仿真程序中。使用NVNA测量X参数的时候，充分利用了PNA-X内置的两个高性能激励源，其中的一个激励源用大信号激励被测器件使其达到大信号工作点，同时第二个激励源可以以各种适当测量频率和相位的信号给被测器件施加小的测量激励信号。

使用ADS平台，能够针对大多数线性、非线性器件进行建模、测试，同时建立元器件模型库，以应用到射频链路、系统设计中，可以大大提高工程师的设计效率。通过规范元器件的原理图以及帮助、说明文档，可以让现有的工程经验得以传承、改进，避免因人员变动而引起的元器件模型丢失。通过定期对元器件库进行更新，辅助电子管理流程，可以让射频系统工程师快速利用现有器件对新系统进行搭建，同时考虑指标的符合情况等。目前业界已经使用X参数对功率放大器进行了X参数的模型提取及仿真，显示了X参数模型的精确性。同时，使用X参数也能够成功表征检波器的非线性模型。X参数还能够支持级联模型仿真，对混频器进行测试，建立X参数模型，可以对混频器的变频损耗、RF-IF泄漏、LO-IF泄漏以及混频器的高次交调产物等进行建模在面板上选择谐波平衡法，仿真控制器插入到原理图中，双击谐波平衡法仿真控制器，按照频率值和射频信号频率的参数要求进行相关的设置，并按SIMULATN按钮执行仿真等待仿真结束后，加入一个关于频谱的矩形图。

微带平衡混频器，主要是有几部分组成：3dB定向耦合器、二极管的输入、输出阻抗匹配电路、两个二极管、输出低通滤波器。设计和仿真Mixer的频谱、噪音、增益-本振功率曲线、射频频率-噪音系数曲线等等。电路的原理图都是不变的，改变的只是端口的配置、仿真器的配置还有变量的配置。如图3所示。

在获得了一定数量的模型，并进行归类整理后，可以进行模型库创建的工作。在此，使用ADS自带的DesignGuide Developer Studio进行模型库的创建工作。主要工作可以分为以下几步：将模型作为子电路加入模型库；在位图编辑器中新建元器件图标或对已有图标进行修改，编辑元器件列表，排列图标并编辑操作内容，如元器件对应位图、帮助文档调用等；设置元器件库的版本号，并进行编译，将频率值进行输出。双击谐波平衡仿真控制器的参数设置窗口选择删除，选项卡分别添加频率成分设置最高次数为3，然后选择SWEEP选项卡，完成设置仿真控制器如图，单击工具栏中的SIMULATN按钮进行仿真，等待仿真结束。在数据显示窗口中输出三阶交调点的数据列表，从列表中得到三阶交调点和三阶交调点的数值，等待仿真结束。选择元件面板，删除电路原理图中的控件，将射频信号两个终端进行插入，在参数仿真原件面板中选择参数并插入到原理图中，按照频率扫描起始和终止的频率进行仿真。仿真结束后，系统弹出数据显示窗口，在数据显示窗口中插入矩形图，在矩形图中加入标记。

4 结语

通过3D B定向耦合器等的设计，在分析仿真电路图之后，设计结果比较简单，技术人员在后期应通过工具和渠道对这一领域的研究和学习进行渗透，更好地利用ADS防真软件。