用ADS進(jìn)行混頻器仿真的實現(xiàn)過程

混頻器是射頻電路中實現(xiàn)頻譜搬移的電路，具有十分重要的地位。它主要用來實現(xiàn)頻率的變換，它的一些性能參數(shù)直接決定了收發(fā)機(jī)的性能，起著至關(guān)重要的作用。

本次總結(jié)主要側(cè)重用ADS進(jìn)行混頻器仿真的實現(xiàn)過程。今天的總結(jié)順序是：混頻器設(shè)計原理和指標(biāo)、混頻器指標(biāo)參數(shù)、混頻器原理圖設(shè)計與仿真目標(biāo)（這里的指標(biāo)我沒有由于沒有些沒設(shè)置好，指標(biāo)差的很遠(yuǎn)，請注重仿真過程）、實現(xiàn)步驟。

其中實現(xiàn)步驟包括：建立Gilbert雙平衡混頻器、生成一個符號，生產(chǎn)了符號之后方便進(jìn)行調(diào)用、對剛剛設(shè)計的混頻器進(jìn)行仿真、仿真結(jié)果（頻譜）、混頻器三階交調(diào)點仿真。

混頻器設(shè)計原理和指標(biāo)

混頻器，作為射頻前端最重要的電路之一，位于低噪聲放大器之后，模擬中頻電路之前，在射頻鏈路中肩負(fù)著承上啟下的重任。它的作用在于把兩個不同頻率的信號分解為兩者的和頻信號和差頻信號。

混頻器必須是非線性或時變的，以提供所需的頻率變換。 混頻器有三個端口：一個是射頻輸入口；二是本振輸入口；三是中頻輸出口?；祛l器可以分為有源混頻器和無源混頻器兩種。它們的區(qū)別在于是否有功率增益，無源混頻器的增益小于1，稱為混頻損耗。

無源混頻器常用二極管和工作在可變電阻區(qū)的場效應(yīng)管構(gòu)成。有源混頻器的增益大于1，它由場效應(yīng)管和雙極型晶體管構(gòu)成。無源混頻器的線性范圍大，速度快，而有源混頻器由于增益大于1，可以降低混頻以后各級噪聲對接收機(jī)總噪聲的影響，因此得到更廣泛的應(yīng)用。目前，有源混頻器中最為普遍電路形式為Gilbert雙平衡混頻電路。電路形式如下：

雙平衡混頻器與其他混頻器結(jié)構(gòu)相比有兩個主要優(yōu)點：

一是各端口間的隔離性能好，特別是本振端向中頻端的隔離性能比單平衡混頻器有所改進(jìn)。因為在雙平衡混頻器中，輸出電流是上面兩個差分對電流以相反的相位疊加，抵消了本振信號向中頻端的泄露。

二是線性范圍大。其原因是：RF輸入級是差分放大器，它的伏安特性以零點為中心有較大的線性范圍，在相同非線性失真條件下，差分放大器的線性輸入動態(tài)范圍幾乎是單管共射放大器的10倍；雙平衡，由于采用了雙平衡結(jié)構(gòu)，輸出電流與射頻輸入差分放大器的兩管電流之差成正比，這樣就抵消了RF級的I/V變換中的偶次失真項。

混頻器指標(biāo)參數(shù)

混頻器的主要指標(biāo)參數(shù)有：增益、噪聲系數(shù)（NF）、三階互調(diào)截點（IP3）、端口間隔離等。

1、增益：混頻器的增益為頻率變換增益，簡稱變頻增益，定義為輸出中頻信號的大小與輸入射頻信號大小之比。

2、噪聲：混頻噪聲系數(shù)是混頻器輸入端的信噪比和混頻器輸出端的信噪比之比，單位為dB。

3、線性范圍

混頻器對輸入RF小信號而言是線性網(wǎng)絡(luò)，其輸出中頻信號與輸入射頻信號的幅度成正比。但是當(dāng)輸入信號幅度逐漸增大時，與線性放大器一樣，也存在著非線性失真問題。因此，與放大器一樣，也可以用下列質(zhì)量指標(biāo)來衡量它的線性性能。

1）、1dB壓縮點：定義為變頻增益下降1dB時相應(yīng)的輸入（或輸出）功率值。

2）、三階互調(diào)截點

設(shè)混頻器輸入兩個射頻信號f1和f2，它們的三階互調(diào)分量2f1-f2（或2f2-f1）與本振混頻后也位于中頻帶寬內(nèi)，就會對有用中頻產(chǎn)生干擾。與放大器的三階互調(diào)截點定義相同，使三階互調(diào)產(chǎn)生的中頻分量與有用中頻相等的輸入信號功率記為IIP3（或?qū)?yīng)的輸出記為OIP3）。

3）、線性動態(tài)范圍

定義1dB壓縮點與混頻器的噪聲基數(shù)之比為混頻器的線性動態(tài)范圍，用dB表示。由于混頻器的輸入RF信號經(jīng)過了低噪聲放大器的放大，因此送入混頻器的射頻信號總要比輸入低噪聲放大器的信號大，因此對混頻器的線性度指標(biāo)要比低噪聲放大器要求高。

4）、端口間隔離

混頻器的各端口間的隔離不太理想會產(chǎn)生以下幾個方面的影響。本振（LO）口向射頻（RF）口的泄露會使本振大信號影響低噪聲放大器的工作，甚至通過天線向空間輻射噪聲信號。RF口向LO口的串?dāng)_會使RF中包含的強(qiáng)干擾信號影響本地振蕩器的工作，產(chǎn)生頻率牽引等現(xiàn)象，從而影響本振輸出頻率。LO口向IF口的串?dāng)_，本振大信號會使以后的中頻放大器放大各級過載。RF信號如果隔離不好也會直通到中頻輸出口，但是一般來說，由于RF頻率很高，都會被中頻濾波器濾出，不會影響輸出中頻。

5）、阻抗匹配

對混頻器的三個端口的阻抗要求有兩點。一是要求匹配，混頻器RF口及IF口的匹配可以保證與各口相接的濾波器正常工作。LO口的匹配可以有效地向本地振蕩器汲取功率。二是要求每個端口對另外兩個端口的信號，力求短路。

6）、失真

混頻功能是靠器件的非線性完成信號的相乘來實現(xiàn)的。由于非線性的高次方項，使本振與輸入信號除產(chǎn)生有用中頻分量外還會產(chǎn)生很多組合頻率，當(dāng)某些組合頻率落在中頻帶寬內(nèi)，就形成了對有用中頻信號的干擾。因此，混頻器的失真主要表現(xiàn)在組合頻率干擾上，這些失真一般可分為以下幾種：

（1）干擾哨聲。

（2）寄生通道干擾。

（3）互調(diào)失真。

混頻器原理圖設(shè)計與仿真目標(biāo)（這里的指標(biāo)我沒有設(shè)置好，指標(biāo)差的很遠(yuǎn)，請注重仿真過程）

在學(xué)習(xí)了混頻器的基本原理和設(shè)計指標(biāo)后，本節(jié)將使用ADS設(shè)計一個CMOS的Gilbert雙平衡混頻器，并對混頻器的主要指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行仿真驗證，以驗證電路的功能和性能。

在原理圖設(shè)計前，首先確定Gilbert雙平衡混頻器的設(shè)計指標(biāo)為：

在射頻輸入信號為1000MHz，本振輸入信號為900MHz時，完成變頻功能。

變頻增益大于15dB

輸入三階交調(diào)點大于-20dBm

輸出三階交調(diào)點小于-35dBm

制定混頻器的設(shè)計指標(biāo)后，就可以進(jìn)行原理圖設(shè)計了。

實現(xiàn)步驟（這里的指標(biāo)我沒有設(shè)置好，指標(biāo)差的很遠(yuǎn)，請注重仿真過程）

一、建立Gilbert雙平衡混頻器

1、新建工程和原理圖

2、新建一個NMOS管的BSIM3模型庫，在原理圖設(shè)計窗口選擇”Devices-MOS”面板，從元件中選擇“BSIM3”插入到原理圖中，將其命名為”MODnmos32”，由于混頻器采用的NMOS管需要工藝模型庫支持才能進(jìn)行仿真，因此首先要建立一個NMOS管的BSIM3模型庫，在原理圖設(shè)計窗口中選擇“Device-MOS”面板，從元件面板中選擇“BSIM3”插入到原理圖中，將其命名為“MODnmos35”，對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3、設(shè)置好模型后，繼續(xù)在原理圖設(shè)計窗口中選擇“Device-MOS”面板，從元件面板中選擇兩個”MOS-NMOS”作為尾電流源插入到原理圖中，分別命名，并按照下圖設(shè)置

注意：這里的NMOS管為四端元件，襯底都需要接電位。

4、在原理圖設(shè)計窗口中選擇“Lumpd-Components”面板，從元件面板中選擇兩個電感位源退化電感插入到原理圖中，選擇電感和電阻的選擇好選擇，電壓電流源也好選擇，這里就不介紹了（以前有介紹過從哪里找）。后面完成電路圖，如下。

5、為了在射頻輸入管同時加入輸入信號和偏置電壓，需要調(diào)用壓控電壓源進(jìn)行連接，選擇“Source-Controlled”面板，從元件面板中選擇壓控電壓源“VCVS”，命名為“SRC8”。輸入端分別接Port“RF”和地，輸出端一端接到射頻輸入管MOSFET1前匹配電路的電感L2，另一端接到射頻偏置直流電壓源“SRC9”。雙擊“VCVS”，設(shè)置復(fù)數(shù)電壓增益“G”為1，輸入、輸出電阻都為50Ω。

6、同樣設(shè)置本振輸入端口，由于本振端口為差分輸入，因此還需要一個壓控電壓源“VCVS”對輸入信號進(jìn)行反向，設(shè)置壓控電壓源“SRC3”輸入電阻為1e100Ω，代表無窮大的輸入阻抗，輸出電阻為50Ω，增益為-1。輸出端一端接本振輸入管MOSFET5和MOSFET6，另一端接本振偏置電壓“SCR4”。另一個壓控電壓源“SRC6”輸入、輸出電阻與“SRC3”相同。

這樣就完成了整個混頻器的搭建。

二、生成一個符號，生產(chǎn)了符號之后方便進(jìn)行調(diào)用

1、對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置

2、創(chuàng)建符號

這樣就可以對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置了。

三、對剛剛設(shè)計的混頻器進(jìn)行仿真

1、新建一個原理圖，調(diào)出之前的庫

2、添加HB仿真的模板，完成電路圖的連接，進(jìn)行設(shè)置。

一定要注意單位：如果仿真不出來，可以用ADS自帶的模板進(jìn)行對比，單位有沒有，比對一下。如果還是仿真不出來，可以單步調(diào)試，在原來的模塊中，一級一級的調(diào)試，看有沒有信號，我就是這樣一級一級的調(diào)試檢查的，下面這幅圖可以生成與用模塊生成的一樣的效果。

再檢查完畢之后去掉一些多余的，生成模塊：

四、仿真結(jié)果（頻譜）

1、顯示混頻后輸出的頻譜，如下圖：

2、設(shè)置x軸的顯示范圍，顯示0-400MHz我們關(guān)注的這段頻譜，100MHz是-48.742dbm。

3、顯示“vout”的輸出表：

4、在混頻器設(shè)計中，本振的功率輸出在很大程度上決定了最終中頻輸出信號的質(zhì)量，所以在功能仿真時也需要分析最佳的本振功率輸入值。

5、完成設(shè)置后，仿真。

6、添加“congain=dbm(mix(vout，{-1，1}））+20”這個公式。并仿真顯示，得到變頻增益與本振輸入信號頻率之間的關(guān)系。

五、混頻器三階交調(diào)點仿真

1、將原先的信號源改為“P_nTone”，分別作為仿真器混頻器三階交調(diào)點的射頻輸入端。

進(jìn)行設(shè)置

2、繼續(xù)添加兩個變量

3、選擇“Source-Freq Domain”元件面板，從面板中選擇測量公式控制器Meas Eqn，插入到原理圖中，通過設(shè)置公式來對三階交調(diào)點進(jìn)行仿真。

4、對諧波平衡法仿真控制器進(jìn)行設(shè)置

原理圖如下：

5、進(jìn)行仿真

仿真之后進(jìn)行顯示：設(shè)置范圍為99MHz~101MHz。

仿真的結(jié)果，落在中頻輸出信號附件的交調(diào)頻率信號，如下：

6、顯示輸入三階交調(diào)點與本振輸入信號頻率之間的關(guān)系

7、用[List]顯示“ip3output”和“IF3input”之間的關(guān)系。

可以看的隨著本振功率增大，輸出三階交調(diào)點和輸入三階交調(diào)點都逐漸增大。

以上就說混頻器設(shè)計的過程，關(guān)于指標(biāo)沒用達(dá)到，則需要對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修改。對混頻器參數(shù)的不同，在方法和設(shè)置上也有不同，我的這個參數(shù)與書上的參數(shù)差的很遠(yuǎn)，因為在設(shè)置MOS管模型時有幾個參數(shù)沒有找到而沒有設(shè)置，但是我注重的是這個過程，再要真正使用的適合我再進(jìn)行細(xì)致研究。