用ADS進(jìn)行混頻器仿真的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

混頻器是射頻電路中實(shí)現(xiàn)頻譜搬移的電路，具有十分重要的地位。它主要用來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)過(guò)程。今天的總結(jié)順序是：混頻器設(shè)計(jì)原理和指標(biāo)、混頻器指標(biāo)參數(shù)、混頻器原理圖設(shè)計(jì)與仿真目標(biāo)（這里的指標(biāo)我沒(méi)有由于沒(méi)有些沒(méi)設(shè)置好，指標(biāo)差的很遠(yuǎn)，請(qǐng)注重仿真過(guò)程）、實(shí)現(xiàn)步驟。

其中實(shí)現(xiàn)步驟包括：建立Gilbert雙平衡混頻器、生成一個(gè)符號(hào)，生產(chǎn)了符號(hào)之后方便進(jìn)行調(diào)用、對(duì)剛剛設(shè)計(jì)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(diǎn)仿真。

混頻器設(shè)計(jì)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(gè)不同頻率的信號(hào)分解為兩者的和頻信號(hào)和差頻信號(hào)。

混頻器必須是非線性或時(shí)變的，以提供所需的頻率變換。 混頻器有三個(gè)端口：一個(gè)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(wú)源混頻器兩種。它們的區(qū)別在于是否有功率增益，無(wú)源混頻器的增益小于1，稱為混頻損耗。

無(wú)源混頻器常用二極管和工作在可變電阻區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成。有源混頻器的增益大于1，它由場(chǎng)效應(yīng)管和雙極型晶體管構(gòu)成。無(wú)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(jí)噪聲對(duì)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(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

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?yàn)樵陔p平衡混頻器中，輸出電流是上面兩個(gè)差分對(duì)電流以相反的相位疊加，抵消了本振信號(hào)向中頻端的泄露。

二是線性范圍大。其原因是：RF輸入級(jí)是差分放大器，它的伏安特性以零點(diǎn)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(dòng)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(jí)的I/V變換中的偶次失真項(xiàng)。

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(diǎn)（IP3）、端口間隔離等。

1、增益：混頻器的增益為頻率變換增益，簡(jiǎn)稱變頻增益，定義為輸出中頻信號(hào)的大小與輸入射頻信號(hào)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(duì)輸入RF小信號(hào)而言是線性網(wǎng)絡(luò)，其輸出中頻信號(hào)與輸入射頻信號(hào)的幅度成正比。但是當(dāng)輸入信號(hào)幅度逐漸增大時(shí)，與線性放大器一樣，也存在著非線性失真問(wèn)題。因此，與放大器一樣，也可以用下列質(zhì)量指標(biāo)來(lái)衡量它的線性性能。

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

2）、三階互調(diào)截點(diǎn)

設(shè)混頻器輸入兩個(gè)射頻信號(hào)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(huì)對(duì)有用中頻產(chǎn)生干擾。與放大器的三階互調(diào)截點(diǎn)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(hào)功率記為IIP3（或?qū)?yīng)的輸出記為OIP3）。

3）、線性動(dòng)態(tài)范圍

定義1dB壓縮點(diǎn)與混頻器的噪聲基數(shù)之比為混頻器的線性動(dòng)態(tài)范圍，用dB表示。由于混頻器的輸入RF信號(hào)經(jīng)過(guò)了低噪聲放大器的放大，因此送入混頻器的射頻信號(hào)總要比輸入低噪聲放大器的信號(hào)大，因此對(duì)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(huì)產(chǎn)生以下幾個(gè)方面的影響。本振（LO）口向射頻（RF）口的泄露會(huì)使本振大信號(hào)影響低噪聲放大器的工作，甚至通過(guò)天線向空間輻射噪聲信號(hào)。RF口向LO口的串?dāng)_會(huì)使RF中包含的強(qiáng)干擾信號(hào)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(hào)會(huì)使以后的中頻放大器放大各級(jí)過(guò)載。RF信號(hào)如果隔離不好也會(huì)直通到中頻輸出口，但是一般來(lái)說(shuō)，由于RF頻率很高，都會(huì)被中頻濾波器濾出，不會(huì)影響輸出中頻。

5）、阻抗匹配

對(duì)混頻器的三個(gè)端口的阻抗要求有兩點(diǎn)。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(gè)端口對(duì)另外兩個(gè)端口的信號(hào)，力求短路。

6）、失真

混頻功能是靠器件的非線性完成信號(hào)的相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于非線性的高次方項(xiàng)，使本振與輸入信號(hào)除產(chǎn)生有用中頻分量外還會(huì)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(duì)有用中頻信號(hào)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(jì)與仿真目標(biāo)（這里的指標(biāo)我沒(méi)有設(shè)置好，指標(biāo)差的很遠(yuǎn)，請(qǐng)注重仿真過(guò)程）

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

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

在射頻輸入信號(hào)為1000MHz，本振輸入信號(hào)為900MHz時(shí)，完成變頻功能。

變頻增益大于15dB

輸入三階交調(diào)點(diǎn)大于-20dBm

輸出三階交調(diào)點(diǎn)小于-35dBm

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

實(shí)現(xiàn)步驟（這里的指標(biāo)我沒(méi)有設(shè)置好，指標(biāo)差的很遠(yuǎn)，請(qǐng)注重仿真過(guò)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(gè)NMOS管的BSIM3模型庫(kù)，在原理圖設(shè)計(jì)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(kù)支持才能進(jìn)行仿真，因此首先要建立一個(gè)NMOS管的BSIM3模型庫(kù)，在原理圖設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)窗口中選擇“Device-MOS”面板，從元件面板中選擇兩個(gè)”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(jì)窗口中選擇“Lumpd-Components”面板，從元件面板中選擇兩個(gè)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(guò)從哪里找）。后面完成電路圖，如下。

5、為了在射頻輸入管同時(shí)加入輸入信號(hào)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(gè)壓控電壓源“VCVS”對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行反向，設(shè)置壓控電壓源“SRC3”輸入電阻為1e100Ω，代表無(wú)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(gè)壓控電壓源“SRC6”輸入、輸出電阻與“SRC3”相同。

這樣就完成了整個(gè)混頻器的搭建。

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

1、對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置

2、創(chuàng)建符號(hào)

這樣就可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置了。

三、對(duì)剛剛設(shè)計(jì)的混頻器進(jìn)行仿真

1、新建一個(gè)原理圖，調(diào)出之前的庫(kù)

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(lái)，可以用ADS自帶的模板進(jìn)行對(duì)比，單位有沒(méi)有，比對(duì)一下。如果還是仿真不出來(lái)，可以單步調(diào)試，在原來(lái)的模塊中，一級(jí)一級(jí)的調(diào)試，看有沒(méi)有信號(hào)，我就是這樣一級(jí)一級(jí)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(jì)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(hào)的質(zhì)量，所以在功能仿真時(shí)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(gè)公式。并仿真顯示，得到變頻增益與本振輸入信號(hào)頻率之間的關(guān)系。

五、混頻器三階交調(diào)點(diǎn)仿真

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

進(jìn)行設(shè)置

2、繼續(xù)添加兩個(gè)變量

3、選擇“Source-Freq Domain”元件面板，從面板中選擇測(cè)量公式控制器Meas Eqn，插入到原理圖中，通過(guò)設(shè)置公式來(lái)對(duì)三階交調(diào)點(diǎn)進(jìn)行仿真。

4、對(duì)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(hào)附件的交調(diào)頻率信號(hào)，如下：

6、顯示輸入三階交調(diào)點(diǎn)與本振輸入信號(hào)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(diǎn)和輸入三階交調(diào)點(diǎn)都逐漸增大。

以上就說(shuō)混頻器設(shè)計(jì)的過(guò)程，關(guān)于指標(biāo)沒(méi)用達(dá)到，則需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修改。對(duì)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(gè)參數(shù)與書(shū)上的參數(shù)差的很遠(yuǎn)，因?yàn)樵谠O(shè)置MOS管模型時(shí)有幾個(gè)參數(shù)沒(méi)有找到而沒(méi)有設(shè)置，但是我注重的是這個(gè)過(guò)程，再要真正使用的適合我再進(jìn)行細(xì)致研究。