基于ADS的微波混频器设计与仿真★

2011-06-13 12:52赵晶亮吕晶晶赵永亮

电子测试 2011年8期

关键词：混频器低通滤波器二极管

赵晶亮，吕晶晶，赵永亮

（中北大学信息探测与处理技术研究所，山西太原 030051）

0 引言

本文主要对微波混频器进行深入研究，并设计出单平衡混频器电路，采用平面微带混合集成的方案实现。在此课题中，利用Agilent公司的ADS软件进行电路的计算机辅助设计，电路仿真和优化。

预期目标技术指标要求：射频频率为4.8GHz；本振频率为5GHz；变频损耗≤12dB；噪声系数≤15dB。

1 混频器原理与分析

1.1 混频器工作原理

两个不同频率的高频电压作用于非线性器件时，经非线性变换，电流中包含直流分量、基波、谐波、和频、差频分量等。其中差频分量-就是混频所需要的中频成分，通过中频带通滤波器把其它不需要的频率分量滤掉，取出差频分量完成混频[2]。混频器主要组成如图1所示。

图1 混频器组成图

利用谐波平衡法适合对混频器这种有着强非线性的电路进行分析。对谐波混频电路，在理想情况下，我们可以将其简化为单端混频器的情况来进行处理[3]。

1.2 混频器的选型和技术指标

采用无源器件二极管作为非线性器件。在微波毫米波频段，都采用肖特基势垒二极管。其优点是电路简单、设计容易、便于集成、工作稳定，工作带宽可以做的比较宽，有时达几个甚至几十个倍频程，性能好。肖特基势垒二极管非线性程度好，因而是目前微波/毫米波混频器中的主要变频元件[4]。

毫米波混频器由于其广泛的应用场合，对性能的要求通常是不同的。根据工程应用实践，混频器主要包括以下指标：变频损耗、噪声系数、带宽、动态范围、三阶交调与P1dB、镜频抑制度、端口隔离度及各端口驻波比等[5]。

2 单平衡微带混频器的设计

2.1 单平衡混频器设计方案

首先我们应该确定整体电路的拓扑，通过查阅大量文献以及充分的理论分析，确定的电路拓扑如图2所示。

图2 微带型单端混频器仿真拓扑图

由定向耦合器、阻抗匹配电路、二极管、相移线、高频短路块、电感线、中频及直流通路和匹配负载等组成。微波信号从定向耦合器的输入端口1加入，本振功率从定向耦合器的另一个输入口2加入。定向耦合器保证本振口和信号口有适当的隔离度，一般取耦合度约为10dB。定向耦合器至混频管之间有1/4波长阻抗变换器，以完成阻抗匹配，使信号和本振功率有效地加到二极管。混频二极管是一个复阻抗，可在工作频率下测量。电路中采用两只混频管，要求混合电路能使信号和本振都能以等分的功率及一定的相位关系加到两只二极管上。常采用的混合电路时环行桥和分支线定向耦合器。平衡混频器电路主要对型平衡混频器进行研究[6]。

2.2 3dB定向耦合器的设计

定向耦合器是一个四端口网络，它有输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口。其主要技术指标有耦合度、定向性、输入驻波比和工作带宽。通过对电路进行仿真分析，可以得到输出端口间的相位差、输入端口的隔离度和输入端口的回波损耗。为下一步整体电路的设计打好基础[7]。在ADS软件里建立3dB定向耦合器电路模型如图3所示。