课程设计论文混频器的设计与仿真.doc
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1、混频器的设计与仿真设计题目: 混频器的设计与仿真 学生姓名: 学 院: 专 业: 指导老师: 学 号: 日 期: 2011 年 12 月 20 日目录一、混频器的原理31.混频器的基本原理32、混频器的技术指标4二、混频器的设计51、3 dB定向耦合器的设计51.1、建立工程51.2、搭建电路原理图51.3、设置微带线参数71.4、耦合器的S参数仿真82、完整混频器电路设计103、低通滤波器的设计12三、混频器性能仿真141、混频器功能仿真141.1、仿真原理图的建立141.2功能仿真162、本振功率的选择183、混频器的三阶交调点分析193.1、三阶交调点的测量193.2、三阶交调点与本振功
2、率的关系224、混频器的输入驻波比仿真22四、 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
3、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)(3)(4)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)同样D2中的混频电流为:(6)当m=1,n=1时,利用式(7)的关系,可以
4、求出中频电流如式(8)所示。(7)(8)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
5、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
6、 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
7、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。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。图4 定向耦合器的另一条支路图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
8、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:l H=0.5mm,表示微带线所在的基板的厚度为0.5mm。l Er=4.2,表示微带线的相对介电常数为4.2。l Mur=1,表示微带线的相对磁导率为1。l Cond=4.1E+7,表示微带线的电导率为4
9、.1E+7。l Hu=15mm,表示微带线的封装高度为15mm。l T=0.005mm,表示微带线的金属层厚度近似为0.005mm。l TanD=0.0003,表示微带线的损耗角正切为0.0003。l 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Electric
10、al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:l W=0.98mm,表示微带线宽度为0.98mm。l L=2.5mm,表示微带线
11、的线长为2.5mm。、 TL2、TL5的尺寸参数为:l W=1.67mm,表示微带线宽度为1.67mm。l L=10.2mm,表示微带线的线长为10.2mm。、Teel、Tee4的尺寸参数为:l W1=0.98mm,表示T型微带线接口1的线宽为0.98mm。l W2=1.67mm,表示T型微带线接口2的线宽为1.67mm。l 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:l W1=1.67mm,表示T型微带线接口1的线宽为1.67mm。l W2=0.98mm,表示T型微带线接口2的线宽为0.98mm。l W3=0.98mm,表示T型微带线接口3
12、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。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
13、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:l Start=3.2GHz,表示频率扫描的起始频率为3.2GHz。l Stop=4.4GHz,表示频率扫描的终止频率为4.4GHz。l 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(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
14、,如图9所示。从图中可以看出,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。 图9 耦合器的参数和参数曲线(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。 图10 耦合器的参数和参数曲线(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。 图11 耦合器的参数相位和参数相位曲线这样就完成了3dB定向耦合器的设
15、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-Di
16、odes”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
17、二极管在击穿电压时的电流为101。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。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-Micro
18、strip”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)
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- 课程设计 论文 混频器 设计 仿真
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