功分器,混频器实验参考方案射频电路与系统课程报告下载

ID:370562 · 发表于 2018-7-12 22:21

功分器以及混频器两个实验的综合实验报告，适用于射频电路仿真实验。

《射频电路与系统》课程报告

题目功分器设计、仿真与优化
目录

一、功分器设计、仿真与优化  1
1设计目的 1
2设计内容 1
3技术基础 1
31 基本工作原理 1
32 基本设计指标 2
4设计实例 3
41 设计指标 3
42 设计原理图 3
43 基板参数设置 4
44 原理图仿真 6
45 电路参数的优化 7
46 版图的生成与仿真 9

二、混频器设计与仿真  11
1 设计目的 11
2 设计内容 11
3 设计基础 11
31 基本工作原理 12
32 基本性能参数 12
4 设计与仿真实例——Gilbert 混频器15
41 Gilbert 混频器简介 15
42 设计指标 15
43 混频器模型的设计 16
44 混频器电路仿真 18
三、心得体会  22

一、功分器设计、仿真与优化

1.设计目的

了解功率分配器电路的原理及设计方法。

学习使用 ADS 软件进行微波电路的设计，优化，仿真。

掌握功率分配器的制作及调试方法。

2.设计内容

了解功分器基本的工作原理和相应的技术指标。

使用 ADS 软件设计威尔金森功分器，并对其参数进行仿真优化。

根据 ADS 设计完成的电路原理图生成相应的设计版图并进行优化

对加工好的电路进行调试，使其满足设计要求。

3.技术基础

功率分配电路属于无缘微波器件，主要应用于功率分配。常用的功率分配器件有 T 型功分器、威尔金森功分器等。功率分配器通常采用三端口网络，常用3dB 等分形式。本此实验主要是通过对威尔金森功分器的设计仿真和优化来了解功分器的原理。

3.1基本工作原理

威尔金森功率分配器的功能是将输入信号等分或者不等分地分配到各个输出端口，并保持相同的输出相位。微带型功分器的电路结构如图所示。其中，输入端的特征阻抗为 Z0 ;

两端分支微带线长度为  / 4 ，特征阻抗分别为 Z02 和 Z03 ，终端分别接负载 R2 和 R3 。

各个端口的特性如下：

端口 1 无反射

端口 2 和端口 3 输出电压相等且同相

端口 2 和端口 3 输出功率比值为任意指定值1 / k2

所以，

4.设计实例

4.1设计指标

通带范围：0.9~1.1GHz

通带内各端口反射系数：<-20dB

通带内的传输损耗：<3.1dB

两输出端隔离度：<-25dB

功分比：1:1

4.2设计原理图

输入端口电路：由一个一般微带线和一个微带 T 型结构成。

阻抗变换电路：此设计图为四分之一波长阻抗变换电路，由于技术指标中规定了隔离度的最大值，所以需要加入薄膜电阻 TRF 作为两路分支之间的隔离电阻，用来增加隔离度。

输出端口电路：输出端口电路可分为上下两个支路，成对称分布。

 完整的微带型威尔金森功分器

4.3基板参数设置

（1）在电路中加入 MSUB 控件进行微带线的参数设置，如下图所示：

（2）用【LineCalc】计算出功分器各段微带线的理论值，并修改原理图

当特征阻抗为 50Ohm 时，计算得到的传输线宽度为 1.521330mm；当特征阻抗为

70.70Ohm，长度为四分之一波长时，时计算出的特征阻抗为 0.788886mm。由最开始的设计可知，输入阻抗为 50Ohm，阻抗变换部分为四分之一波长，所以输入端的 W 应为 1.52，阻抗变换部分应为 0.79。为了方便之后的参数优化，插入 VAR 控件，设置变量 w1=1.52，w2=0.79， lh=16。然后依照设计指标，用变量 w1, w2,lh 替换原理图中原有的数据，修改结果如下：

4.4原理图仿真

对完成的原理图进行 S 参数仿真，首先分别在三个端口加入 Term 用来定义端口并且与地相连。随后加入 SP 空间设置通带频率和步长。完成之后点击 simulation 进行仿真。在数据观察窗中加入观察对象。

由于 S11 表示输入端口的反射系数，所以增加一个观测变量 S(1, 1); S21 和 S31 均表示传输损耗，所以增加一个观测变量 S(2, 1); S22 和S33 均表示输出端口的反射系数，又由于上下分支呈对称分布，所以增加一个观测变量 S(2, 1); S23 表示两个输出端口之间的隔离度，所以增加一个观测变量 S(2, 3)。得到下图的仿真结果。

分析仿真结果我们可以发现在通带内，输入端口的反射系数 S11 均小于 20dB，且最小值为-63.121 符合设计要求，但是曲线不够平滑产生尖峰；输出端口的反射系数也均小于

20dB，最小值为-47.059dB，平坦度还有待提高；但是观察传输损耗 S21 我们发现，仿真获得的结果均大于 3.1dB，且最大值达到 3.05，符合设计要求；就两个输出端口之间的隔离度来看，并不是整个通带内的值都符合技术指标，小于-25dB，有部分值大于 25dB，所以也需优化改进。

4.5电路参数的优化

通过对 4.4 中的仿真结果进行分析以及为了更好地实现阻抗匹配，我们需要对 w2 和 lh 进行参数优化。通过对于 VAR 控件的设置，将 w2 和 lh 的定值改为一个范围，先初步将 w2 的范围定在 0.7-0.9，将 lh 的范围设置在 5-20。由于我们需要对 S11，S21，S22，S23 进行仿真，所以要插入 OPTIM 和四个 GOAL 控件。然后分别输入技术指标要求的参数范围，如下图所示：

完成控件设置后点击仿真按钮，当优化结束后，数据显示的窗口会自动弹出来，此时的

优化结果变化还不是很明显，然后我们需要点击按键，更新优化后的 w2 和 lh 的值，优化后 w2 和 lh 的值如图所示。

最后我们将 OPTIM 控件禁用，进行最后一次的仿真，得到最终的结果，如下图所示：

通过比较观察我们发现，此图中个技术指标基本符合要求，且相较于优化之前的 S 参数，波形要更加的平坦顺滑，说明优化起到了作用。

4.6版图的生成与仿真

在完成了功分器电路原理图的仿真之后，为了制作成合格可用的实际成品，我们还需要生成相应的功分器板图并对其进行仿真，查看各部分功能是否完全实现并符合指标。

首先我们需要将原理图中的部分仿真用的控件失效，因为这一部分的内容不需要加入到实际的板图制作中去，然后就可以使用【Layout】自动生成微带线板图。生成的板图如下图所示。

但是在这里我出现了一些问题，就是在我生成板图的过程中发现在图中的红框处出现了

一个不符合预期的断点，一开始我没有对其进行处理进行了之后的仿真操作，得到的 S 参数仿真图与技术指标以及电路图的 S 参数仿真图均有较大的出入。所以我尝试增加一段微带线去填补这一段空缺，在进行仿真操作，发现这一举措起到了实际的作用，得到了预期的仿真图，具体的仿真操作见下文。

在生成板图之后，我们需要将原理图中的微带线参数设置导入到板图中。因为微带线介

质基片和金属片对功分器参数影响很大。完成 Substrate 参数的导入之后，我们需要对板图再次进行 S 参数仿真。Substrate 得到的结果如图所示：

仿真之前，我们先要在板图中加入三个接地端口，这个过程和原理图仿真相似，然后设置通带频率以及取样点频率。完成设置后点击 Simulation 进行仿真。得到 S11，S21，S22， S23 的结果如下图所示。通过与技术指标和电路图的 S 参数仿真图进行对比，可以发现基本符合设计要求，板图没有产生较大的偏差。理论来说，如果板图的 S 参数结果不能满足设计要求，则需要返回原理图重新进行变量参数的优化，在进行板图的生成和仿真，直到满足设计要求。

二、混频器设计与仿真

1. 设计目的

掌握混频器基本的工作原理，

了解混频器电路的原理和设计方法

学习使用 ADS 软件进行 Gilbert 混频器的设计以及仿真

2. 设计内容

了解混频器基本的工作原理和相应的技术指标。

使用 ADS 软件设计 Gilbert 混频器模型

设计仿真电路图参照要求的指标，进行仿真优化。

3. 设计基础

混频器是射频电路前端最关键的模块，实现了频率变换的过程。无论是微波通信、雷达、遥控、遥感，还是侦察与电子对抗，以及微波测量系统，都必须把微波信号用混频器降到中

低频来进行处理。混频器的设计要综合考虑噪声、线性度、转换增益、隔离度等技术指标。在实际的设计中还是有一定的难度的。

3.1基本工作原理

混频器是一个三端口非线性器件，其中两个为输入端称为射频端（RF）和本振端（LO），另外一个为输出端称为中频端（IF）。通过这三个端口将两个频率不同的输入信号变为一系列的输出频谱。

混频器一般是通过在时变电路中采用非线性元件来完成频率转换，一般分为无源混频器和有源混频器两种。无源混频器具有很好的线性度，并且可以在很高的频率范围内工作，但是缺少转换增益；有源混频器则具有转换增益，可以减小来自中频的噪声影响。

混频器一般是通过两个信号相乘进行频率变换：

如：输入 A,B 信号的频率分别为 1 和 2 ，则输出的混频信号频率可能为 1 - 2 或，从而实现变频功能。

混频器的示意图如下图所示，其中 RF 端接收将要进行变频的信号；LO 端接收由本地振荡器产生的周期性波形信号；IF 端是中频信号的输出端口。

3.2基本性能参数

(1) 噪声系数和等效噪声温度比

噪声系数的定义为： F Pno/ Pns，其中 Pno为当系统输入噪声温度在所有频率上都是标准温度 T0 290K时，系统传输到输出端的总噪声资用功率； Pns为仅由有用信号输入所

产生的那一部分输出的噪声的资用功率。

噪声系数可以分为单边带噪声系数（ FSSB mtm， m为混频器变频损耗）以及双边带噪声系数（ FDSB 0.5 mtm）。相比之下可知，由于镜像噪声的影响，混频器单边带噪声

系数比双边带噪声系数大一倍，即高出 3dB。

所以在混频器使用过程中应注意以下 3 点内容：

注意给出的噪声系数是单边带的还是双边带的，不作说明默认为单边带噪声系数

镜频回收或镜频抑制混频器不宜用于双边带信号接收

测量噪声系数时，通常采用宽频带热噪声源，这样测得的是双边带噪声系数

上文中提到的 tm指的是混频器等效噪声温度比。主要由混频器性能决定，与电路端的

负载有关。在厘米波段 tm 1.1 ~ 1.2 ；在毫米波段 tm 1.2 ~ 1.5 。

由于混频器和中频放大器之和为总噪声系数，一般只给出总噪声系数，在厘米波段范围内 tm 1，因此可粗略估计整机噪声为 F0 m(tm FIF1) mFIF。

(2) 变频损耗

混频器的变频损耗是混频器输入端的射频信号功率与输出端中频功率之比，表达式为：

微波输入信号功率

 m(dB)  10 lg

中频输出信号功率

   (电路失配损耗dB)   r(混频二极管芯的结损耗dB)   g(非线性电导净变频损耗dB)

(3) 动态范围

动态范围是混频器正常工作时的射频输入功率范围。动态范围的下限通常指信号与噪声

电平相比拟时的功率，可以表示为 Pmin  MkT0 ( mFIF)fIF。其中  m为混频器变频损耗；

FIF为中频放大器噪声系数； fIF为中频放大器带宽；M 为信号识别系数。动态范围的上限

受输出中频功率饱和所限。通常是指 1dB 压缩点的射频输入信号功率 Pmax 。

(4) 双频三阶交调与线性度

如果有两个频率相近的射频信号 s1 、s2 和本振 p 一起输入混频器，这时将有很多组

合谐波频率。三阶交调分量一般出现在输出中频附近。当两个射频信号相距很近的时候，m3

将会落在中频放大器工作频带内，造成很大的干扰。这是射频多路通信系统中一个严重的问

题，可能会造成串话和干扰。

 三阶交调分量功率  P

混频器三阶交调系数 Mi 的定义为 Mi(dB)  10 lg

  10lg m3

P

 有用信息功率  IF

其值为负分贝数，单位常用 dBc，其物理含义是三阶交调功率比有用中频信号功率小的分贝数。三阶交调功率 P 随输入微波信号功率 Ps 的变化斜率变大，而中频功率 PIF随 Ps 的变

化呈正比关系，基本规律是 Ps 每减小 1dB, Mi 就改善 2dB。如下图所示。

但是 Mi 的值与输入信号强度有关，通常不稳定，所以引入三阶交调截止点 Ma 作为相

应的技术指标。 Ma 是 PIF直线和 P 直线延长的交点。1dB 压缩点 P1dB 和三阶交调截止值

PM常作为混频器线性度的标志参数。

(5) 工作频率

混频器是多频率器件，除了应指明信号工作频带外，还应该注明本振频率可用范围以及

(6) 隔离度

混频器的隔离度指的是各频率端口之间的隔离度，该指标包括：信号与本振之间的隔离度、信号与中频之间的隔离度和本振与中频之间的隔离度。如信号与本振之间的隔离度为

信号输入到混频器的功率

Lsp 10lg

在本振端口测得的信号功率

，这是一个重要的指标，尤其是在共用本振的多

通道接受系统中。当一个通道的信号泄漏到另一通道时，就会产生交叉干扰。在单通道系统

中，信号泄露就要损失信号能量，对接收灵敏度也是不利的。

(7) 本振功率与工作点

混频器的本振功率是指最佳工作状态时所需要的本振功率。本振功率不同时，混频二极管工作电流不同，阻抗也不同，这会使本振，信号，中频这三个端口的匹配状态变差。此外，还会改变动态范围和交调系数。

不同的混频器工作状态所需要的本振功率不同。原则上本振功率越大，则混频器动态范围越大，线性度改善，1dB 压缩点上升，三阶交调系数也会改善。

4. 设计与仿真实例——Gilbert 混频器

4.1Gilbert混频器简介

如图所示为一个典型的 Gilbert 混频器，通过 M1 和 M2 把射频信号转化为电流；M1~M4

在差分的本振信号控制下轮流导通，使电流交替通过这两组 MOS 开关管，并在 IF 端形成电压。如果将电阻换成电感，可以有效的降低负载引入的噪声，而且电感上只有很小的直流压降，有利于实现低压设计。此外，Gilbert 电路为双平衡结构，具有相当高的隔离度。射频

输入信号是平衡信号，本振信号也是平衡信号，且本振和输入的电流都为零，输出差分实现减法运算。本振幅度也得到了极大的降低。输入跨导将射频（RF）输入电压信号转化为电流信号，然后本振 LO 信号控制差分对管切换电流方向。在 Gilbert 电路中，本振信号的摆幅和上升斜率影响 M5 和 M6 的噪声贡献，输入跨导的线性度决定了整个混频器的线性度。

4.2设计指标

 本振输入频率：2250MHz

 RF 输入频率：2500MHz

 本振输入功率：5dBm

 RF 输入功率：-30dBm

 中频输出频率：250MHz

 转换增益：>10

 噪声系数：<25

 工作电压：2.5V

 1dB 功率压缩点>1dBm

 三阶交调截取点>11dBm

4.3混频器模型的设计

1. 模型的提取：用 ADS 发布的 TSMC 0.25um 工艺 MOS 管的 Bsim3_Model 模型调参完成本例仿真。先找到“MOSFET BSIM3 Model(0.25um)”模型，由于只需要用到NMOS 所以将 PMOS 删去，此模型共有 479 个参数，由于实验报告篇幅限制，这里就不一一列出了，部分见下图。并将此模型保存在 mixer_gil 工程中，并将此模型命名为 cmosn，方便之后的调用。

2. 混频器内部电路图的绘制：创建一个新的工程，命名为“MIXER_FENGZHANG”,将设置好的非线性 NMOS 管模型调入原理图中。按照 Gilbert 混频器的设计要求，插入 9 个 NMOS 管，将它们的 Model 都改为 cmosn，表示调用了设置好的 NMOS 管模型。之后就可以按照原理图的设计要求，添加相应的原件设置好相应的参数。整个电路分为 3 个部分：

主电路:NMOS1~4 受 LO 功率源驱动，NMOS5,6 受 RF 功率源驱动。

电流偏置电路：NMOS8 分别与 NMOS7 和 9 构成两对电流源，已提供电流偏置。将 NMOS8 的沟道宽度设为 NMOS7 和 9 的 1/10，这样 NMOS8 就可以以 ibias/10的电流控制偏置电流 ibias，以达到省电的目的。

电压偏置电路：“V_DC 1”供电电压为 2.5V，经过电阻 R2 和 R3，为 LO 功率源控制的

4 个 NMOS 管提供偏置电压，“V_DC 2”供电电压为-2.5V，为 NMOS789 提供偏执电压。

最终电路：加入 VAR 控件设置好相应的参数值

VAR 的具体数值如下图所示：

3. 生成混频器的系统符号：完成混频器内部电路设计之后，对其进行系统符号的设计，要注意输入输出端口的标识，以防使用不当。自行绘制混频器符号如下图所示：

4. 配置各端口功率源：完成了混频器模型的设置，我们需要调用混频器模型，构建电路，对其输入输出端口进行初步的配置，为接下来的仿真步骤做初步的准备，故得到如下图所示

的电路图。当我们选中混频器符号并且点击就可以在混频器原理图和实际仿真电路图之间进行切换。

4.4混频器电路仿真

(1) 频谱和噪声系数的仿真

创建一个新的工程“mixer4exam_gil_specfz”用来进行频谱和噪声系数的仿真操作。

首先加入谐波仿真控制器 HB，配置好本振频率（LOfreq）和信号频率（RFfreq）的阶数，设置好噪声参数。然后调用 VAR 控件和 Meas 控件，根据给出的技术指标，定义好需要用到的参数的值以及相应的公式。具体数值如下图所示：

完成此步骤后，调用 4.3 中配置好各端口输入输出功率源的原理图，进行仿真。完成仿真之后，插入观察对象 Vout，得到中频输出频谱如下图所示。

在加入观测值 ConvGain 以显示混频器的转换增益，根据定义公式 ConvGain=abs(dBm(mix(Vout,{-1,1}))-RFpwr)，在仿真结果中加入 ConvGain 的观测值即可，得到如下图所示，ConvGain=11.931，；在技术指标中指出转换增益应该大于 10，所以基本符合技术指标。

接着我们加入噪声系数的观测值 nf（2），得到端口 2 的噪声值，从结果来看，中频输

出频率为 250MHz 时，噪声系数为 24.584，小于 25 所以符合技术指标。

(2) 探究本振功率对噪声系数和转换增益的影响

探究本振功率对噪声系数和转换增益的影响，用 1dB 的步长扫描本振功率（-20~10dBm），观察本振功率对噪声系数和转化增益的影响。其中 RF 频率为输入频率，即为 LO_freq+IF_freq=2500MHz.RF 功率为-30dBm。创建原理图“mixer4exam_gil_swplofz”用来实现本次的仿真操作。

在操作过程中，首先插入 HB 控件进行相应的参数设置，然后写出转换增益求解的公式，

以及设置好技术指标的参数值，导入仿真原理图。参数设置如下图所示：

点击仿真按键，发现有几个 warning 产生，首先是提示 Warning detected by HPEESOFSIM during spectral noise analysis `HB_NOISE'. 温度符合 IEEE 标准，通过查找资料，我加入了一个 OPTIONS 控件，将温度设置为 16.85，成功解决了这个问题。其次是关于 NMOS 的 PD=0 和 PS=0 出现问题,出现如下提示

回到混频器模块修改相应参数。最终得到如下图所示的仿真结果。左边的图为本振功率对噪声系数的影响，可以看出在本振功率为 6dBm 的时候，中频段的噪声系数最低，为 28.673 左右，略大于技术指标，右边的是本振功率对转换增益的影响，与期望值有比较大的偏差。

(3) 三阶交调的仿真

创建原理图“mixer4exam_gil_ip3fz”用来进行本项仿真操作。首先我们需要进行控件参数设置以及原理图导入修改等工作。在本次的仿真中需要在谐

波仿真器中设置两个在 RFfreq 附近的载波频率，一个比 RFfreq 高 50kHZ 一个低 50kHz。此外，因为涉及两个载波频率，所以将 RF 端的功率源换为“P_nTone”功率源进行仿真，并设置好对应的参数。具体参数和电路图如下图所示。

设置完参数之后就可以进行相应的仿真操作了，首先输出 Vout，观察中频输出频谱，然后通过频谱计算三阶交调截取点。具体的仿真结果如下图所示。可以发现得到的实验结果

与理想值还是存在很大的差距的。

三、心得体会

本次课程论文我主要针对功分器电路以及混频器电路进行了学习以及设计，仿真使用的软件是 ADS2016 版本。在选题的时候我本着选一个微带线电路设计以及一个器件设计实验的原则，想全方位的锻炼一下自己的能力。下面我主要想从功分器的设计心得，混频器的设计心得以及 ADS2016 的使用心得简单地谈一下我的体会。

首先是关于功分器的设计。关于功分器这个无源微带线的设计实验，还是相对来说比较简单的。参照网络上的参考

文件以及实验材料，可以比较快的完成初步设计。但是完成原理图仿真优化之后，生成板图的步骤中发现功分器微带线板图中存在部分断开的地方，起初没有对其进行修改，导致最后 S 参数仿真的结果与原理图仿真的值存在很大偏差也不符合技术指标。在这个断电处添加一段微带线之后，继续仿真，得到了正确的结果。但是在这一段我还是存有疑惑，为什么原理图都连接完整，但是在导入板图的过程中会存在断点的问题。

然后是关于混频器的电路设计。在这个实验中我还是遇到了很多的麻烦。由于缺少基础知识，对一些技术指标的计算以

及认知都不是很够。虽然看了一些参考文献，但是由于混频器涉及的参数过多，到最后有点

晕头转向。究其根本原因还是自身能力不足，需要进一步的提高。然后关于混频器的仿真内容，遇到的第一个麻烦就是 NMOS 管 PD 和 PS 的值的设置，因为没有一个大概的方向，所以花费了大量的时间和精力，最后也没有一个明确的结果，确实让人有些对自己失去信心。然后就是关于混频器仿真模块得出的结果很多也不尽如人意，所以还烦请老师指正。

最后是关于 ADS 操作使用方面。

在上学期的微波实验课上，我有接触过 ADS2013 版本比较基本的操作，如微带线介质板参数设置，LineCalc 计算操作等等。本次实验首次接触 ADS2016 版本虽然遇到了一些问题，但是感觉 2016 版本还是为我们提供了一些便利。首先是菜单栏的变化，特别是在板图设计的窗口。如加端口这个操作，ADS2008 版本中Insert 中的 Port 变成了 Pin，ADS2016 只需要我们直接加入 Pin 就能自动生成 Port 和 Gnd，相较于之前的操作方便很多。还有就是将

Simulation 以及 Momentum 都放在 EM 板块中，打开 Simulation Setup 就可以进行一站式操作，如果你忘记加端口或者同步 Substrate 系统还会有提示，大大的方便了初学者的操作。不过由于版本缺少操作教程，在摸索的过程中还是走了弯路，还需要更多的锻炼。

总而言之，无论是关于设计的理论知识还是关于软件的使用，我的知识还存在很大的不足，需要之后进一步的学习以及锻炼。一个设计的完成不仅仅需要丰富的理论知识的支撑，还需要有足够的耐心。以上便是我本次实验过程中的些许心得。不当之处还望老师指正。

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