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混频器的设计与仿真 设计题设计题目目： 混混频频器的器的设计设计与仿真与仿真 学生姓名学生姓名： 学学 院院： 专专 业业： 指指导导老老师师： 学学 号号： 日日 期期: 2011 年年 12 月月 20 日日 目目 录录 一、混一、混频频器的原理器的原理3 1.混混频频器的基本原理器的基本原理3 2、混、混频频器的技器的技术术指指标标.4 二、混二、混频频器的器的设计设计5 1、 、3 DB 定向耦合器的定向耦合器的设计设计5 1.1、建立工程、建立工程5 1.2、搭建、搭建电电路原理路原理图图5 1.3、 、设设置微置微带线带线参数参数7 1.4、耦合器的、耦合器的 S 参数仿真参数仿真8 2、完整混、完整混频频器器电电路路设计设计.10 3、低通、低通滤滤波器的波器的设计设计.12 三、混三、混频频器性能仿真器性能仿真14 1、混、混频频器功能仿真器功能仿真.14 1.1、仿真原理、仿真原理图图的建立的建立14 1.2 功能仿真功能仿真16 2、本振功率的、本振功率的选择选择.18 3、混、混频频器的三器的三阶阶交交调调点分析点分析.19 3.1、三、三阶阶交交调调点的点的测测量量19 3.2、三、三阶阶交交调调点与本振功率的关系点与本振功率的关系22 4、混、混频频器的器的输输入入驻驻波比仿真波比仿真.22 四、四、 设计总结设计总结24 在无线通信系统中，混频器也是一种常见的射频电路组件，它主要用来对 信号进行频率变换。在接收机中，一般用来对接收机的射频信号进行下变频； 在发射机中，一般用来对中频信号进行上变频。下面将设计一个镜像抑制混频 器，并对她的参数进行仿真。 一、 混频器的原理 1、混频器的基本原理 混频器通常被用来将不同频率的信号相乘，以实现频率的变换。它最基本 的作用有两个：上变频和下变频。其中上变频的作用是将中频信号与本振信号 混频成为发射的射频信号，通过天线发射出去；下变频器的作用是将天线接收 到的射频信号与本地载波信号混频，经过滤波后得到中频信号，并送到中频处 理模块进行处理。图 1 就是一个平衡混频器的电离臂，1 到 3、4 端口以及从 2 到 3、4 端口都是功率平分而相位差 90。 图 1 镜像抑制混频器的原理 假设射频信号和本振信号分别从隔离臂 1、2 端口加入时，初相位都是 0。 ，考虑到传输相同的路径不影响相对相位关系。通过定向耦合器，加到 VD1，VD2 上的信号和本振电压分别为由式 1 到式 4 表示： （1）)2/cos( 1tVvsss （2）)2/cos( 1tVvLLL （3）)cos( 2tVvsss （4）)2/cos( 2tVvLLL 可见，射频信号和本振信号都分别以 /2 相位差分配到两只二极管上，故 这类混频器称为 /2 型平衡混频器。由一般混频电流的计算公式，并考虑到射 频电压和本振电压的相位差，可以得到 D1 中混频电流为： （5） )()2/(exp)( , ,1 tjntjmItiLs mn mn 同样 D2 中的混频电流为： （6） )2/()(exp)( , ,2 tjntjmItiLs mn mn 当 m=1，n=1 时，利用式（7）的关系，可以求出中频电流如式（8）所示。 （7） 1, 11, 1 II （8） 2/)cos(|41, 1tIiLsIF 这样就可以看出，输出的中频信号的频率是输入的射频信号的频率与本振 信号的频率之差，从而达到了混频的目的。 2、混频器的技术指标 混频器主要的技术指标如下： （1） 、噪声系数和等效相位噪声：它描述了混频器的噪声特性，有两种表 现形式，分别为单边带噪音系数和双边带噪音系数。 （2） 、变频增益：虽然混频器的输入信号和输出信号的频率不同，但仍然 可以利用输出信号功率与输入信号功率之比来表示混频器的增益。 （3） 、动态范围：混频器的动态范围是指它正常工作时的输入信号的功率 范围，超过这个范围将对信号的增益和频率成分产生影响。 （4） 、双频三阶交调与线性度。 （5） 、工作频率：混频器的工作频率是指输入或输出射频信号的频率。 （6） 、隔离度：隔离度一般是指混频器射频信号输入端口与本振信号输入 端口之间的隔离特性。 （7） 、本振功率：本振功率是指完成混频功能需要输入本振信号的功率。 二、混频器的设计 图 1 所示的混频器电路主要由 3 dB 定向耦合器、匹配电路和晶体管组成。 1、3dB 定向耦合器的设计 1.1、建立工程 （1） 、运行 ADS，弹出 ADS 的主窗口。 （2）、选择【File】 【New Project】命令，打开“New Project” （新 建工程）对话框，可以看见对话框中已经存在了默认的工作路径 “c:usersdefault” ，在路径的末尾输入工程名为：mixer，并且在【Project Technology Files】栏中选择“ADS Standard:Length unilmillimeter”,即工 程中的默认长度单位为毫米，如图 2 示。 图 2 新建 mixer 工程 （3） 、单击【OK】按钮，完成新建工程，同时打开原理图设计窗口。 1.2、搭建电路原理图 （1） 、选择【File】 【New Design】命令，在工程中新建一个原理图。 （2） 、在新建设计窗口中给新建的原理图命名，这里命名为 3dB_couple， 并单击工具栏中的【Save】按钮保存设计。 （3） 、在原理图设计窗口的元件面板列表中选择“TLines-Microstrip”元 件面板，并从元件面板中选择 3 个 MLIN 和 2 个 MTEE 插入到原理图中。 （4） 、调整它们的放置方式，并按照图 3 所示的形式连接起来，组成定向 耦合器的一条支路。 （5） 、从“TLines-Microstrip”元件面板中再选择 3 个 MLIN 和 2 个 MTEE 插入到原理图中。 MLIN TL1 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL2 L=10.2 mm W=1.67 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL3 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MTEE_ADS Tee2 W3=0.98 mm W2=0.98 mm W1=1.67 mm Subst=“MSub1“ MTEE_ADS Tee5 W3=0.98 mm W2=1.67 mm W1=0.98 mm Subst=“MSub1“ 图 3 定向耦合器的一条支路 （6） 、按照图 4 所示的方式连接刚刚插入的微带线，形成定向耦合器的另 外一条支路，可以看出这两条支路是对称的。 （7） 、从“TLines-Microstrip”元件面板中再选择 2 个 MLIN 插入到原理 图中，作为连接两个支路的微带线，并将两条支路连接起来，如图 5 所示。 MLIN TL4 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL5 L=10.2 mm W=1.67 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL6 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MTEE_ADS Tee3 W3=0.98 mm W2=0.98 mm W1=1.67 mm Subst=“MSub1“ MTEE_ADS Tee4 W3=0.98 mm W2=1.67 mm W1=0.98 mm Subst=“MSub1“ 图 4 定向耦合器的另一条支路 MLIN TL8 L=10.46 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL7 L=10.46 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MTEE_ADS Tee5 W3=0.98 mm W2=1.67 mm W1=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL4 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL5 L=10.2 mm W=1.67 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL6 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MTEE_ADS Tee3 W3=0.98 mm W2=0.98 mm W1=1.67 mm Subst=“MSub1“ MTEE_ADS Tee4 W3=0.98 mm W2=1.67 mm W1=0.98 mm Subst=“MSub1“ MTEE_ADS Tee2 W3=0.98 mm W2=0.98 mm W1=1.67 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL3 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL2 L=10.2 mm W=1.67 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL1 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ 图 5 两条支路的连接 （8） 、这样，耦合器的电路结构就完成了，比较图 5 和图 1，可以发现混 频器中耦合器部分与刚刚搭建的耦合器电路结构是相同的。 1.3、设置微带线参数 通过前面微带电路设计的知识可以知道，对于微带线电路，有两种参数： 尺寸参数和电气参数，下面就分别对这两种参数进行设置，具体过程如下。 （1） 、从“TLines-Microstrip”元件面板列表中选择一个微带线参数设置 控件 MSUB，插入到原理图中。 （2） 、双击 MSUB 控件，按照下面内容进行参数设置： H=0.5mm，表示微带线所在的基板的厚度为 0.5mm。 Er=4.2，表示微带线的相对介电常数为 4.2。 Mur=1，表示微带线的相对磁导率为 1。 Cond=4.1E+7，表示微带线的电导率为 4.1E+7。 Hu=15mm，表示微带线的封装高度为 15mm。 T=0.005mm，表示微带线的金属层厚度近似为 0.005mm。 TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为 0.0003。 MSUB MSub1 Rough=0.0001 mm TanD=0.0003 T=0.005 mm Hu=15 mm Cond=4.1E+7 Mur=1 Er=4.2 H=0.5 mm MSub Rough=0.0001mm，表示微带线的表面粗糙度为 0.0001mm。 完成设置的 MSUB 控件如图 6 所示。 图 6 完成设置的 MSub 控 件 （3）、耦合器两边的引出线应是特性阻抗为 50 欧姆的微带线，它的宽度 W 可由微带线计算工具得到，具体方法是在菜单栏中选择【Tools】 【LineCalc】 【Start Linecalc】命令，在窗口中输入与 MSUB 控件中相同的 内容。 （4） 、在 Electrical 中输入 Z0=50、E_Eff=90。，单击【Synthesize】按钮， 进行 W、L 与 Z0、E_Eff 间的相互换算，最后得到微带线的线宽为 0.98mm，长 度为 10.46mm（四分之一波长） 。 （5） 、在 Electrical 中输入 Z0=35、E_Eff=90。，单击【Synthesize】按钮， 进行 W、L 与 Z0、E_Eff 间的相互换算，最后得到微带线的线宽为 1.67mm，长 度为 10.2mm（四分之一波长）。 （6）、 按照下面的内容设置耦合器重各段微带线的尺寸参数。 、TL1、TL3、TL4、TL6 的尺寸参数为： W=0.98mm，表示微带线宽度为 0.98mm。 L=2.5mm，表示微带线的线长为 2.5mm。 、TL2、TL5 的尺寸参数为： W=1.67mm，表示微带线宽度为 1.67mm。 L=10.2mm，表示微带线的线长为 10.2mm。 、Teel、Tee4 的尺寸参数为： W1=0.98mm，表示 T 型微带线接口 1 的线宽为 0.98mm。 W2=1.67mm，表示 T 型微带线接口 2 的线宽为 1.67mm。 W3=0.98mm，表示 T 型微带线接口 3 的线宽为 0.98mm。 、Tee2、Tee3 的尺寸参数为： W1=1.67mm，表示 T 型微带线接口 1 的线宽为 1.67mm。 W2=0.98mm，表示 T 型微带线接口 2 的线宽为 0.98mm。 W3=0.98mm，表示 T 型微带线接口 3 的线宽为 0.98mm。 完成了电气参数和尺寸参数设置的电路原理图如图 7 所示。 （7） 、完成了微带线电路参数的设置后，下面就对这个电路进行 S 参数仿真。 。 1.4、耦合器的 S 参数仿真 对耦合器的 S 参数仿真主要是为了观察端口 1，2 和端口 3，4 间的 S 参数， 包括 S 参数的幅度和相位。 （1） 、在原理图设计窗口中选择 S 参数仿真元件面板“Simulation- S_Param” ，并选择终端负载 Term 放置在耦合器的 4 个端口上，分别用来定义 4 个端口。 （2） 、单击工具栏中的【GROUND】按钮，在电路原理图中插入四个“地” ， 并按照图 8 连接好电路原理图。 MLIN TL8 L=10.46 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL7 L=10.46 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MTEE_ADS Tee5 W3=0.98 mm W2=1.67 mm W1=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL4 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL5 L=10.2 mm W=1.67 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL6 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MTEE_ADS Tee3 W3=0.98 mm W2=0.98 mm W1=1.67 mm Subst=“MSub1“ MTEE_ADS Tee4 W3=0.98 mm W2=1.67 mm W1=0.98 mm Subst=“MSub1“ MTEE_ADS Tee2 W3=0.98 mm W2=0.98 mm W1=1.67 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL3 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL2 L=10.2 mm W=1.67 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL1 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ 图 7 完成参数设置的微带线 图 8 用于 S 参数仿真的原理图 （3） 、在 S 参数仿真元件面板“Simulation-S_Param”中选择一个 S 参数 仿真控制器，并插入到原理图中。 （4） 、双击 S 参数仿真控制器，按照下面内容设置参数： Start=3.2GHz，表示频率扫描的起始频率为 3.2GHz。 Stop=4.4GHz，表示频率扫描的终止频率为 4.4GHz。 Step=50MHz，表示频率扫描的频率间隔为 50MHz。 完成参数设置的 S 参数仿真控制器如图 9 所示。 图 9 完成参数设置的 S 参数仿真控制器 Term Term4 Z=50 Ohm Num=4 Term Term1 Z=50 Ohm Num=1 Term Term3 Z=50 Ohm Num=3 Term Term2 Z=50 Ohm Num=2 MTEE_ADS Tee2 W3=0.98 mm W2=0.98 mm W1=1.67 mm Subst=“MSub1“ MTEE_ADS Tee1 W3=0.98 mm W2=1.67 mm W1=0.9? mm Subst=“MSub1“ MTEE_ADS Tee4 W3=0.98 mm W2=1.67 mm W1=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL1 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MTEE_ADS Tee3 W3=0.98 mm W2=0.98 mm W1=1.67 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL9 L=10.46 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL8 L=10.46 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL5 L=10.2 mm W=1.67 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL4 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL7 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL3 L=2.5 mm W=0.98 mm Subst=“MSub1“ MLIN TL2 L=10.2 mm W=1.67 mm Subst=“MSub1“ （5） 、单击工具栏中的【Simulate】按钮执行仿真结束。 （6）、仿真结束后，系统弹出数据显示窗口，首先在数据显示窗口中插入 一个关于参数的矩形图和一个关于参数的矩形图，如图 9 所示。从图中11S12S 可以看出，参数曲线和参数曲线在 3.8GHz 处的值都在-40dB 以下，这也11S12S 就是说耦合器的端口反射系数和端口间隔离度都可以达到要求。 3.43.63.84.04.23.24.4 -40 -30 -20 -50 -10 freq, GHz dB(S(1,1) 3.43.63.84.04.23.24.4 -50 -40 -30 -20 -60 -10 freq, GHz dB(S(1,2) 图 9 耦合器的参数和参数曲线11S12S （7） 、在数据显示窗口中，插入一个关于参数和一个关于参数的矩31S41S 形图，如图 10 所示。从图中可以看出，1 端口到 3 端口以及从 1 端口到 4 端口 的都有 3dB 左右的衰减，这同样是满足设计要求的。 3.43.63.84.04.23.24.4 -4.5 -4.0 -3.5 -5.0 -3.0 freq, GHz dB(S(3,1) 3.43.63.84.04.23.24.4 -3.3 -3.2 -3.1 -3.4 -3.0 freq, GHz dB(S(4,1) 图 10 耦合器的参数和参数曲线31S41S （8）、在数据显示窗口中分别插入一个关于参数相位和参数相位的矩形31S41S 图，如图 11 所示。从图 11 中可以看出，相位曲线是线性的，同样满足设计要 求。 3.43.63.84.04.23.24.4 -160 -140 -120 -100 -180 -80 freq, GHz phase(S(3,1) 3.43.63.84.04.23.24.4 100 120 140 160 80 180 freq, GHz phase(S(4,1) 图 11 耦合器的参数相位和参数相位曲线31S41S 这样就完成了 3dB 定向耦合器的设计，并且仿真表明，它的参数完全满足 设计要求，可以进行混频器电路其他部分的设计。 2、完整混频器电路设计 完成了 3dB 定向耦合器的设计后，就可以加入混频器的其他部分了，主要 包括混频管和匹配电路。 （1） 、在电路原理图中删除用于 S 参数仿真的 4 个终端负载。 （2） 、在原理图设计窗口中选择“Lumped-Components”元件面板列表，并 在元件面板中选择两个电感 L 和两个电容 C 插入原理图中。 （3） 、单击工具栏中的【GROUND】按钮，在原理图中插入两个“地” 。 （4） 、按照图 12 所示的方式，将“地” 、电容、电感和定向耦合器连接起 来，其中电容和电感是作为匹配电路用的。 （5） 、从“Devices-Diodes”元件面板中选择一个二极管模型 Diode M， 并插入到原理图中，按照下面参数进行设置。 图 12 加入匹配电路的定向耦合器 a、 Is=5.0e-9A，表示二极管的饱和电流为 5.0e-9A。 b、 Rs=6.0Ohm，表示二极管导通电阻为 6.0Ohm。 c、 N=1.02，表示二极管的发射系数为 1.02。 d、 Tt=0sec，表示二极管的传输时间为 0sec。 e、 Cjo=0.2pF，表示二极管零偏置节电容为 0.2pF。 f、 Vj=0.8V，表示二极管的结电压为 0.8V。 g、 M=0.5，表示二极管的等级系数为 0.5。 h、 Bv=10V，表示二极管的击穿电压为 10V。 i、 Ibv=101，表示二极管在击穿电压时的电流为 101。AA j、 其他参数不填，按照默认设置。 完成设置的二极管模型如图 13 所示。 Diode_Model DIODEM1 AllParams= Eg= Xti= Trise= Tnom= AllowScaling=no Fcsw= Vjsw= Msw= Cjsw= Ikp= Ns= Gleaksw = Rsw= Jsw= Ffe= Af= Kf= Nbvl= Ibvl= Nbv= Ibv=101 uA Bv=10 V Ikf= Nr= Isr= Imelt= Imax= Fc= M=0.5 Vj=0.8 V Cjo=0.2 pF Cd= Tt=0 sec N=1.02 Gleak= Rs=6.0 Ohm Is=5.0e-9 A 图 13 二极管模型参数的设置 图 14 加入二极管后的电路图 （6） 、在原理图设计窗口中选择“Devices-Diodes”元件面板列表，并在面板中选择两个 Diode 插入到原理图中，将二极管按照图 14 所示的方式连接到电路原理图中。二极管中的 Model=DIODEM1 说明，二极管的参数由二极管模型 DIODEM1 决定。 （7） 、双击原理图中的电容和电感，分别设置电容值为 0.35pF，电感值为 1.66nH，设置完 成的匹配网络如图 15 所示。 图 15 （8） 、在原理图设计窗口中选择“TLines-Microstrip”元件面板列表，并选择一个 MLIN 微带线插入到原理图中。 （9） 、双击微带线，设置微带线的长度和宽度分别为 W=0.98mm 和 L=18.6mm。 （10） 、把微带线按照图 16 的方式连接到电路中，这样完整的混频器电路就搭建完成了。 图 16 完整的混频器电路 3、低通滤波器的设计 由于混频器输出的频率成分中含有其他的高次谐波成分，因此混频输出后，需要对信 号进行滤波才能得到需要的中频信号，下面设计中频滤波器。 （1）在工程中新建一个原理图，命名为“filter_lp” 。 （2）选择“Lumped-Components”元件面板列表，在元件面板中选择 3 个电感和 2 个 电容，并插入到电路原理图中。 （3）单击工具栏中的【GROUND】按钮，在原理图中插入两个“地” 。 （4）按照图 18 所示的方式将电容、电感和“地”连接起来。 （5）双击电路中的电容、电感元件，按照图 17 所示的值对它们的参数进行设置： 图 17 滤波器电路的结构及参数设置 （6）从“Simulation-S_Param”元件面板中选择两个终端负载元件，并分别插入到滤 波器的输入输出端口。 （7）单击工具栏中的【GROUND】按钮，在原理图中插入两个“地” ，并与终端负载 连接。这样仿真电路就搭建完毕了，如图 18 所示。 图 18 滤波器仿真电路 （8）从“Simulation-S_Param”元件面板中选择一个 S 参数仿真控制器， 并按下面内容进行参数设置： a、 Start=0.1GHz，表示频率扫描的起始频率为 0.1GHz。 b、 Stop=4GHz，表示频率扫描的终止频率为 4GHz。 c、 Step=10MHz，表示频率扫描的频率间隔为 10MHz。 完成设置的 S 参数仿真控制器如图 19 所示。 （9）单击工具栏中的【Simulate】按钮进行仿真，并等待仿真结束。 （10）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一个 关于参数的矩形图，如图 20 所示。从图 22 中可以看出，这显然是一个低通21S 滤波器的幅度响应。 这样低通滤波器的设计就完成了，下面开始对混频器电路进行仿真。 S_Param SP1 Step=10 MHz Stop=4 GHz Start=0.1 GHz S-PARAMETERS 图 19 完成设置的 S 参数仿真控制器 0.51.01.52.02.53.03.50.04.0 -40 -30 -20 -10 -50 0 freq, GHz dB(S(2,1) 图 20 滤波器的参数曲线21S 三、混频器性能仿真 1、混频器功能仿真 现对混频器的功能进行验证，通过观察本振信号、输入射频信号和输出中频信号验证 混频器的混频功能。 1.1、仿真原理图的建立 首先建立对混频器进行谐波平衡法仿真的电路原理图，具体步骤如下。 （1）新建一个电路原理图，并以名称“mixer_hb”保存。 （2）将完整的混频器电路和滤波器电路复制到新的电路原理图中，并按照图 21 的方式连接起来。 （3）选择“Sources-Freq Domain”元件面板，并在面板中选择两个功率源 P_1Tone，插入到原理图中，分别连接在混频器电路的射频输入端和本振输入 端。 图 21 滤波器与混频器的连接 （4）双击两个功率源，按照下面的内容设置它们的参数。 1PORT1 的参数为 a、P=dbmtow(RF_pwr)，表示功率源 PORT1 的输出信号功率为 RF_pwr dBm。 b、Freq= RF_freq GHz，表示功率源 PORT1 的输出信号频率为 RF_freq GHz。 2PORT2 的参数为 a、P=dbmtow(LO_pwr)，表示功率源 PORT2 的输出信号功率为 LO_pwr dBm。 b、Freq= LO_freq GHz，表示功率源 PORT2 的输出信号频率为 LO_freq GHz。 完成设置的功率源如图 22 所示 VAR VAR1 LO_freq=3.6 LO_pwr=10 RF_freq=3.8 RF_pwr=-20 Eqn Var 图 22 滤波器与混频器的连接 图 23 VAR 控件中的变量 （5）单击工具栏中的【VAR】按钮，在原理图中插入一个变量控件，双击 变量控件，按照下面的内容设置变量及其默认值： a、RF_pwr=-20，表示变量 RF_pwr 的默认值为-20 dBm。 b、RF_freq=3.8，表示变量 RF_freq 的默认值为 3.8 GHz。 c、LO_pwr=10，表示变量 LO_pwr 的默认值为 10 dBm。 d、LO_freq=3.6，表示变量 LO_freq 的默认值为 3.6GHz。 完成设置的 VAR 控件如图 23 所示。 （6）选择“Simulation-HB”元件面板，兵在面板中选择一个终端负载插入 到原理图的输出端。 （7）单击工具栏中的【GROUND】按钮，在原理图中插入 3 个“地” ，分别连 接在 3 个端口元件的接地端。 （8）在工具栏中单击【Insert Wire/Pin Lables】按钮，在电路原理图的输 出端插入一个节点名称 Vout。 这样就完成了仿真原理图的建立，如图 24 所示。 图 24 执行仿真的电路原理图 1.2、功能仿真 建立仿真原理图完毕，下面进行混频器的功能仿真，具体过程如下。 （1）选择“Simulations-HB”元件面板，并在面板中选择一个谐波平衡法 仿真空着器。插入到原理图中。 （2）双击平衡法仿真控制器，按下面内容对它的参数进行设置： A、Freq1=RF_freq GHz，表示基波频率1的频率值与射频信号频率相同。 B、Freq2=LO_freq GHz，表示基波频率2的频率值与本振频率相同。 C、Order1=3，表示基波频率1的次数为 3。 D、Order2=3，表示基波频率2的次数为 3。 完成设置的谐波平衡法仿真控制器如图 25 所示。 HarmonicBalance HB1 Order2=3 Order1=3 Freq2=LO_freq GHz Freq1=RF_freq GHz HARMONIC BALANCE 2468101214016 -150 -100 -50 -200 0 freq, GHz dBm(Vout) 图 25 完成设置的谐波平衡仿真控制器 图 26 Vout 信号的频谱 （2）单击工具栏中的【Simulate】按钮执行仿真，并等待仿真结束。 （3）仿真结束后，系统弹出数据显示窗口，在数据显示窗口中加入一个关于 Vout 频谱的矩形图，如图 26 所示。从图中可以看出，Vout 信号中含有多种频 率成分。 （4）在数据显示窗口中插入一个关于索引值 Mix 的数据列表，显示输出信号 的频率成分以及对应的谐波索引值。如图 27 所示。 （5）双击图 26 所示的矩形图，在弹出的窗口中选择【Plot Options】选项卡， 在【Select Axes】项中选择 x 轴，取消【Auto Scale】选项，并设置矩形图中 x 轴的显示范围为 0500MHz，单击【OK】按钮确认。此时图中只显示 Vout 信 号中频率为 0500MHz 的部分，在图中插入一个标记，观察 200MHz 频率分量的 功率值，如图 28 所示。 freq 0.0000 Hz 200.0 MHz 400.0 MHz 3.400 GHz 3.600 GHz 3.800 GHz 4.000 GHz 7.000 GHz 7.200 GHz 7.400 GHz 7.600 GHz 7.800 GHz 10.80 GHz 11.00 GHz 11.20 GHz 11.40 GHz 14.60 GHz 14.80 GHz 15.00 GHz Mix Mix(1)Mix(2) 0 1 2 -1 0 1 2 -1 0 1 2 3 0 1 2 3 1 2 3 0 -1 -2 2 1 0 -1 3 2 1 0 -1 3 2 1 0 3 2 1 0500 -150 -100 -50 -200 0 freq, MHz dBm(Vout) Readout m1 m1 freq= dBm(Vout)=-31.826 200.0MHz 图 27 频率索引值列表 图 28 中频信号的功率值 由于射频信号幅度为 3.6GHz，本振信号幅度为 3.8GHz,，因此中频信号幅 度应为 200MHz，输出信号的频率中有这个频率成分，且功率值为-32dBm 左右， 这就验证了混频器的功能。 2、本振功率的选择 混频器本振功率的值对混频器的性能有很大的影响，下面就通过仿真分析 混频器输入本振信号功率的最佳值。 （1）双击谐波平衡仿真控制器，在参数设置窗口中选择【sweep】选项卡， 按照下面的内容设置参数扫描： a、 Start=1，表示本振信号功率的起始点为 1。 b、Stop=20，表示本振信号功率的终止点为 20。 c、Step=1，表示本振信号功率的扫描间隔为 1。 d、SweepVar=“LO_pwr“，表示扫描参数为本振信号功率。 完成参数设置的谐波平衡法仿真控件如图 29 所示。 HarmonicBalance HB1 Step=1 Stop=20 Start=1 SweepVar=“LO_pwr“ Order2=3 Order1=3 Freq2=RF_freq GHz Freq1=LO_freq GHz HARMONIC BALANCE 0500 -200 -150 -100 -50 -250 0 freq, MHz dBm(Vout) 200.0M -31.83 m1 m1 freq= dBm(Vout)=-21.575 LO_pwr=14.000000 200.0MHz 图 29 HB 控件中设置参数扫描 图 30 中频信号的最大输出功率 （2）单击工具栏中的【Simulate】按钮进行仿真，并等待仿真结束。 （3）仿真结束后，查看输出信号的频谱，并在频率值为 200MHz 处插入一个标 记，如图 30 所示。从图 30 中可以看出，当本振频率为 14dBm 时，输出信号中 中频信号的功率值最大，为-21.575dBm。 （4）在数据显示窗口中插入一个转换增益的测量方程，转换增益为输出信号中 频的功率与输入射频信号功率的差值，因此方程的内容为 ，如图 31 所示。201,-1)ut,dBm(mix(Vocon_gain （5）在数据显示窗口中添加一个转换增益与输入本振信号功率的关系曲线，如 图 32 所示。 Eqn con_gain=dBm(mix(Vout,1,-1)+20 24681012141618020 -40 -30 -20 -10 -50 0 LO_pwr con_gain Readout m2 m2 indep(m2)= plot_vs(con_gain, LO_pwr)=-1.575 14.000 图 31 转换增益方程 图 32 转换增益与本振信号功率的关系曲线 3、混频器的三阶交调点分析 3.1、三阶交调点的测量 （1）删除变量控件中的 RF_freq 和 LO_freq 变量，如图 33 所示。 （2）单击原理图设计窗口工具栏中的【VAR】按钮，在原理图中插入一个新的 变量控件，并在控件中添加如下变量： 1、 IF_freq=RF_freq-LO_freq，表示中频频率为射频频率与本振频率之差。 2、 RF_freq=3.8，表示射频频率为 3.8GHz。 3、 LO_freq=3.6，表示本振频率为 3.6GHz。 4、 fspacing=0.2e-3,表示频率间隔为 200KHz。 完成设置的变量控件如图 34 所示。 VAR VAR1 LO_pwr=10 RF_pwr=-20 Eqn Var VAR VAR2 fspacing=0.2e-3 LO_freq=3.6 RF_freq=3.8 IF_freq=RF_freq-LO_freq Eqn Var 图 33 VAR1 中的变量 图 34 VAR2 中的变量 （3）在原理图设计窗口中选择“Simulation-HB”元件面板，并从面板中选择 一个测量方程控件 Meas Eqn，插入到电路原理图中。 （4）双击测量方程控件，在控件中添加如下几个测量方程： a、，是测量电路输入 3 阶交调点50)-1,2,-1,-1,1,0,ut,ip3_out(VoIP3output 的测量方程，输出值为电路三阶交调点对应的输入功率值。 b、，是测量输出信号中中频信号频率成分-1,1,0)ut,dBm(mix(Vo=PIFTone 的功率值的测量方程。 c、，是测量混频器转换增益的测量方程。RF_pwr-PIFTone=ConvGain d、IP3input=IP3output-ConvGain，是测量混频器输出三阶交调点的测量方程。 完成设置的测量方程控件如图 35 所示。 MeasEqn Meas1 IF3input=IP3output-ConvGain ConvGain=PIFTone-RF_pwr PIFTone=dBm(mix(Vout,-1,1,0) IP3output=ip3_out(Vout,-1,1,0,-1,2,-1,50) Eqn Meas 图 35 完成设置的测量方程控件 （5）删除电路原理图中第 1 端口的功率源，并选择“Sources-Freq Domain” 元件面板，从面板中选择一个 Pn_Tone，并按下面内容对它的参数进行设置： a、 Freq1=RF_freq-fspacing/2，表示 n 次谐波功率源的输出频率1的频率 值为 RF_freq-fspacing/2。 b、 Freq2=RF_freq+fspacing/2，表示 n 次谐波功率源的输出频率2的频率 值为 RF_freq+fspacing/2。 c、 P1=dbmtow(RF_pwr)，表示 n 次谐波功率源的输出频率1的信号功率值 为 dbmtow(RF_pwr)。 d、 P2=dbmtow(RF_pwr)，表示 n 次谐波功率源的输出频率2的信号功率值 为 dbmtow(RF_pwr)。 完成设置的 n 次功率源如图 36 所示。 （7）双击谐波平衡仿真控制器，在参数设置窗口选择【Freq】选项卡，删除 RF_freq 频率，然后分别添加 RF_freq-fspacing/2 和 RF_freq+fspacing/2 频 率成分，并设置它们的最高次数为 3。然后选择【sweep】选项卡，将 【SweepVar】项清空。完成设置的仿真控制器如图 37 所示。 HarmonicBalance HB1 Step=1 Stop=20 Start=1 SweepVar= Order3=3 Order2=3 Order1=3 Freq3=(RF_freq+fspacing/2) GHz Freq2=LO_freq GHz Freq1=(RF_freq-fspacing/2) GHz HARMONIC BALANCE 图 36 完成设置的 Pn_Tone 图 37 重新设置的谐波平衡仿真控制器 （8）单击工具栏中的【Simulate】按钮进行仿真，并等待仿真结束。 （9）仿真结束后，在数据显示窗口中插入一个关于输出信号 Vout 功率谱密度 的矩形图，如图 38 所示。 （10）改变图 38 中 X 轴的显示范围，并在得到的矩形图中插入两个标记，如图 39 所示，图中就是中频附近的各种频率成分。 （11）在数据显示窗口中加入一个关于输出三阶交调点 IP3output 和输入三阶 交调点 IFinput 的数据列表，如图 40 所示，从列表中可以看出混频器的输入三 阶交调点和输出三阶交调点分别为 7.790dBm 和-7.296dBm。 2468101214016 -200 -150 -100 -50 -250 0 freq, GHz dBm(Vout) 图 38 输出信号 Vout 的功率谱密度 199201 -200 -150 -100 -50 -250 0 freq, MHz dBm(Vout) Readout m2 Readout m5 m2 freq= dBm(Vout)=-35.086 200.1MHz m5 freq= dBm(Vout)=-90.667 200.3MHz IP3output -7.296 IP3input 7.790 图 39 输入三阶交调点和输出三阶交调点 图 40 输出信号在中频附近的频率成分 3.2、三阶交调点与本振功率的关系 下面分析三阶交调点与本振功率的关系，具体过程如下。 （1）双击谐波平衡仿真控制器，在参数设置窗口中选择【sweep】选项卡，重 新设定【SweepVar】项为 LO_pwr。 （2）单击工具栏中的【Simulate】按钮进行仿真，并等待仿真结束。 （3）在数据显示窗口中插入一个 IF3input 的矩形图，如图 41 所示，图中说明 了混频器的输入三阶交调点与本振频率的关系。 24681012141618020 -5 0 5 10 -10 15 LO_pwr IP3input S_Param SP1 Step=0.05 GHz Stop=4.4 GHz Start=3.2 GHz S-PARAMETERS 图 41 输入三阶交调点与本振功率的关系 图 42 完成设置的 S 参数仿真控制器 4、混频器的输入驻波比仿真 下面分析混频器的输入驻波比，具体过程如下。 （1）删除电路原理图中的所有控件和变量，以及电路图中本振输入和射频信号 输入端口的功率源。 （2）选择“Simulation-S_Param”元件面板，并选择两个终端负载插入到电路 原理图的本振输入端口和射频信号输入端口。 （3）在 S 参数仿真元件面板“Simulation-S_Param”中选择一个 S 参数仿真控 制器，并插入到原理图中。 （4）双击 S 参数仿真控制器，按照下面内容设置参数： a、 Start=3.2GHz，表示频率扫描的起始频率为 3.2GHz。 b、 Stop=4.4GHz，表示频率扫描的终止频率为 4.4GHz。 c、 Step=50MHz，表示频率扫描的频率间隔为 50MHz。 完成参数设置的 S 参数仿真控制器如图 42 所示。 （5）从“Simulation-S_Param”元件面板中选择一个输入驻波比测量控件 VSWR，并插入到原理图中。 （6）单击工具栏中的【Simulate】按钮进行仿真，并等待仿真结束。 （7）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一个关于 VSWR1 的矩形图，并在矩形图中加入一个标记，如图 43 所示。从图中可以看出， 当频率为 3.8GHz 时，输入驻波比为 1.046。 3.43.63.84.04.23.24.4 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 1.0 2.2 freq, GHz VSWR1 Readout m6 m6 freq= VSWR1=1.046 3.800GHz 图 43 混频器的输入驻波比曲线 四、设计总结 通过这次射频电路课程设计实践和体验下来，我认识到实践的重要性。这 次的课程设计不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情， 如何去做一件事情，又如何完成一件事情的能力。在这次混频器设计与仿真过 程中的，我已明白课程设计对我来说的意义，它不仅仅是让我们把所学的理论 知识与实践相结合起来，而且提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 作为一名电子信息工程专业的大四学生，我觉得做射频课程设计是十分 有意义的，而且是十分必要的。在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是 专业课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，对于提高我们的动手 能力、实践能力、把所学的专业知识运用到实践中的能力是很有必要的，而课 程设计就能提高我们这方面的能力提供了实现的平台。 通过这次课程设计我也发现了自身存在的许多不足之处，虽然感觉理论 上已经掌握，但在运用到实践的过程中存在不少的问题，为了解决这些问题， 我有系统的温习了理论知识，对理论知识的掌握更深一步了。这次课程设计也 激发了我今后这门课程的兴趣。 通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合 的重要意义，更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中，学会了坚 持、耐心和努力，这将为我在今后的学习和工作打好实践的基础， 。虽然我对这 门课的了解并不透彻，很多基础的东西都还没有很好的掌握，许多问题没有解 决，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是自己开始主动学习并逐步从基 础慢慢开始弄懂它，我认为这也应该可以说是一个相当大的收获。 课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联 系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。课程设计是我们专业课程 知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的 过程 ”千里之行始于足下” ，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言 的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为 明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础
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