摘要：目前實現(xiàn)小型化以及低功耗射頻電路的一種可行性方法是實現(xiàn)收發(fā)機射頻電路的集成。在射頻電路的前端，混頻器是實現(xiàn)頻譜搬移的重要器件，是十分重要的模塊。設(shè)計了一種微帶平衡混頻器，其主要由3 dB定向耦合器、匹配電路、晶體管和低通濾波器組成，濾波器用來濾除輸出信號中高次諧波頻率成分，從而得到需要的中頻成分。然后用ADS軟件進行各部分電路設(shè)計、仿真，從功能仿真圖中看到輸出信號的頻譜中有需要的中頻頻率成分，這就驗證了混頻器頻譜搬移的功能。
關(guān)鍵詞：濾波器；頻率變換；混頻器；ADS仿真
0 引言
隨著通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，無線應(yīng)用技術(shù)包括PCS電話、射頻識別(RFID)系統(tǒng)、直播電視服務(wù)(DBS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、無線局域網(wǎng)(WLAN)和本地多點分布系統(tǒng)(LMDS)等在內(nèi)，都獲得了極大的發(fā)展。現(xiàn)代的通信接收機都需要根據(jù)實際應(yīng)用進行1，2次頻率變換。實現(xiàn)頻率變換的電路就是混頻器，也叫變頻器?；祛l器廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域使得它有許多種不同的形式，把輸入信號的頻率變低叫下變頻，提高輸入信號的頻率叫上變頻。
混頻器的典型應(yīng)用是在接收系統(tǒng)中將射頻輸入信號變換為頻率較低的中頻信號，以便更容易對信號進行后續(xù)的調(diào)整和處理?；祛l器對電子系統(tǒng)的性能、尺寸、重量和成本有著決定性的影響。發(fā)展小型化、高性能的混頻器有相當(dāng)重要的實際意義。在無線電技術(shù)中，混頻的應(yīng)用非常普遍。在超外差式接收機中，所有輸入信號的頻率都要變成中頻，廣播收音機的中頻等于465 kHz，電視接收機的中頻等于38 MHz?；祛l器還廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)、鎖相環(huán)的相位檢波器、天線與射電天文、雷達和雷達天文、再生分頻器、頻譜分析、車距檢測等各領(lǐng)域。
混頻器的電路結(jié)構(gòu)形式有單管式混頻、兩管平衡式混頻、多管式混頻。單管式混頻只用一支二極管，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但噪聲高，抑制干擾能力差，在要求不高時可以采用；兩管平衡式混頻器借助于平衡電橋可使本機振蕩器的噪聲抵消，因而噪聲性能得到改善，電橋又使信號與本振之間達到良好隔離，因此平衡混頻器是最普遍采用的形式；多管式混頻：比如管對式雙平衡混頻器、鏡頻抑制混頻器等，它們是專為特殊要求設(shè)計的，可用于多倍頻程設(shè)備、鏡頻能量回收或自動抑制鏡頻干擾等?；祛l器還可分為：單端混頻器、平衡混頻器、雙平衡混頻器。另外，根據(jù)傳輸線的類型還可劃分為波導(dǎo)混頻器、微帶混頻器、鰭線混頻器。
混頻器位于低噪聲放大器(LNA)之后，直接處理LNA放大后的射頻信號。為實現(xiàn)混頻功能，混頻器還需要接收來自壓控振蕩器的本振(LO)信號，其電路完全工作在射頻頻段。因此，混頻器的設(shè)計通常要考慮轉(zhuǎn)換增益、線性度、噪聲系數(shù)、端口之間的隔離度以及功耗等性能指標(biāo)。本文設(shè)計一個微帶單平衡混頻器，首先介紹了微帶平衡混頻器的原理結(jié)構(gòu)，之后給出了設(shè)計目標(biāo)，射頻4 GHz，本振3．5 GHz，中頻500MHz。然后用ADS軟件進行設(shè)計，先對3 dB定向耦合器進行仿真，得到端口間的反射系數(shù)在-40 dB以下，這樣信號的反射能被很好地抑制，接著是低通濾波器的設(shè)計仿真，用于輸出中頻濾波。最后對完整的混頻器電路進行功能仿真。
1 混頻器原理
本文將設(shè)計一個微帶平衡混頻器，該混頻器電路主要由3 dB定向耦合器、匹配電路、晶體管和低通濾波器組成，如圖1所示。
設(shè)射頻信號和本振信號分別從隔離臂1，2端口加入時，初相位都是0°，考慮到傳輸相同的路徑不影響相對相位關(guān)系。通過定向耦合器，加到二極管D1，D2上的信號和本振電壓分別為：
可見，信號和本振都分別以π／2相位差分配到兩只二極管上，故這類混頻器稱為π／2型平衡混頻器。由一般混頻電流的計算公式，并考慮到射頻電壓和本振電壓的相位差，可以得到D1中混頻電流為：
2 混頻器設(shè)計
設(shè)計目標(biāo)：射頻為4 GHz；本振為3．5 GHz；中頻為500 MHz。
定向耦合器是一個四端口網(wǎng)絡(luò)，主要性能指標(biāo)有耦合度、端口隔離度、傳輸系數(shù)和帶寬。本文主要考慮它的端口隔離度和傳輸系數(shù)。下面主要通過軟件ADS進行各部分電路的設(shè)計，在ADS里設(shè)計的3 dB定向耦合器的原理圖如圖2所示。
通過仿真得到的端口隔離度如圖3所示。
由于混頻器輸出的頻率成分中包含其他的高次諧波成分，需用中頻濾波器進行濾波才能得到需要的中頻信號，濾波器的設(shè)計如圖4所示。
在3 dB定向耦合器后加入混頻管和匹配電路就構(gòu)成了完整的混頻器電路。通過ADS軟件進行仿真，看輸出信號中是否有所需要的中頻信號的頻率成分，從而來判斷混頻器的設(shè)計是否正確。通過仿真得到的結(jié)果如圖5所示。
從圖5中看出，Vout信號中含有多種頻率成分。由于射頻信號幅度為4 GHz，本振信號幅度為3．5 GHz，所以中頻信號幅度應(yīng)為500 MHz，輸出信號的頻譜中有這個頻率成分，這就驗證了混頻器的功能。
3 結(jié)論
本文在ADS設(shè)計仿真中，只設(shè)計了微帶線平衡混頻器，設(shè)計原理圖后，通過對功能的仿真，驗證了該設(shè)計基本符合要求。但混頻器的電路形式有多種，不可能一一列出進行仿真，主要是通過設(shè)計具體的一種混頻器電路結(jié)構(gòu)形式，熟悉ADS的使用，為以后進行這方面的研究打下基礎(chǔ)。另外，本文的設(shè)計研究是在仿真環(huán)境下完成的，實際研究中需要考慮存在的一些問題，如硬件的選擇、安裝等實際操作問題都需進一步研究。
下載文檔
