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基于ADS的微波混频器设计分析微波混频器是一种常见的微波器件，其能够将两个不同频率的信号混合在一起，产生一个具有两个频率差值的新信号。
在实际应用中，混频器被广泛应用于微波通信、雷达和卫星通信系统中。
本文将介绍基于ADS的微波混频器设计分析。
1. 微波混频器的工作原理微波混频器的工作原理可以通过倍频器的工作原理来理解，其具有转换功能。
混频器通常包含两个端口：输入端口和输出端口，以及一个本振端口。
本振端口提供一个确定的参考信号，我们称之为本振信号，然后将其与输入信号进行混合。
混频器的输出信号是一个由输入信号和本振信号混合产生的新信号，具有他们两者中信号的和与差。
混频器的输出信号频率为本振频率加或减输入信号频率，即输出频率=本振频率±输入频率。
根据本振和输入信号的频率不同，可以分为以下四种类型的混频器：单边带上转换器（SSB）、单边带下转换器（LSB）、顶带混频器（SBM）和底带混频器（DBM）。
（1）分析混频器原理图，并确定所需的特性参数。
（2）基于所需的特性参数，进行混频器电路的设计。
（3）使用ADS仿真软件进行混频器参数优化。
（4）搭建不同频率的信号源，进行实验测试，检验混频器的性能，并对实际测量结果进行分析。
通过以上设计和测试，可以得到一个性能良好且满足设计要求的微波混频器。
以下是一个基于ADS的微波混频器设计样例：（1）设计要求设计一个工作频率为20GHz的底带混频器，其提供-40dBc的本振压控调节范围，增益为10dB，1dB压缩点为0dBm。
（2）电路设计底带混频器由一对反向二极管和变压器组成，其原理图如下图所示：其中，V1和V2分别为本振源和输入信号源。
Tx为变压器，其电容值为0.5pF。
（3）仿真参数优化通过ADS软件进行底带混频器的参数优化，可以得到下图所示的仿真结果：可以看出，通过仿真可以在满足设计要求的前提下，提高底带混频器的性能和稳定性。
（4）实验测试和分析通过实验测试，实际测量结果表明该底带混频器具有良好的性能和稳定性，能够满足设计要求，并且具有很高的精度和可靠性。
微波混频器技术指标与特性分析一、噪声系数和等效噪声温度比噪声系数的基本定义已在第四章低噪声放大器中有过介绍。
但是混频器中存在多个频率，是多频率多端口网络。
为适应多频多端口网络噪声分析，噪声系数定义改为式（9-1），其理论基础仍是式（6-1）的原始定义，但此处的表示方式不仅适用于单频线性网络，也可适用于多频响应的外差电路系统，即（9-1）式中 Pno ——-当系统输入端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 ——仅由有用信号输入所产生的那一部分输出的噪声资用功率。
根据混频器具体用途不同，噪声系数有两种。
一、噪声系数和等效噪声温度比1、单边带噪声系数在混频器输出端的中频噪声功率主要包括三部分：（1）信号频率f s 端口的信源热噪声是kT 0∆f ，它经过混频器变换成中频噪声由中频端口输出。
这部分输出噪声功率是 m fkT α∆0式中 ∆f ——中频放大器频带宽度；αm ——混频器变频损耗；T 0——环境温度，T 0 = 293K 。
（2）由于热噪声是均匀白色频谱，因此在镜频f i 附近∆f 内的热噪声与本振频率f p 之差为中频，也将变换成中频噪声输出，如图9-1所示。
这部分噪声功率也是kT 0∆f ／αm 。
（3）混频器内部损耗电阻热噪声以及混频器电流的散弹噪声，还有本机振荡器所携带相位噪声都将变换成输出噪声。
这部分噪声可用P nd 表示。
这三部分噪声功率在混频器输出端相互叠加构成混频器输出端总噪声功率P nond m m no P f kT f kT P +∆+∆=αα//00 把P no 等效为混频器输出电阻在温度为T m 时产生的热噪声功率，即P no = kT m ∆f ，T m 称混频器等效噪声温度。
kT m ∆f 和理想电阻热噪声功率之比定义为混频器噪声温度比，即 00T T f kT P t m no m =∆= 按照定义公式（9-1）规定，可得混频器单边带工作时的噪声系数为 ns m ns no SSB P f kT P P F ∆==在混频器技术手册中常用F SSB 表示单边带噪声系数，其中SSB 是Singal Side Band 的缩写。
基于ADS的微波混频器设计分析微波混频器是一种通过将不同频率的信号进行混合，产生新的信号频率的器件。
它在通信系统、雷达系统、无线电设备等领域中具有广泛的应用。
本文将基于ADS软件对微波混频器的设计和分析过程进行详细介绍。
一、微波混频器的工作原理微波混频器是利用非线性器件的特性，将两个输入信号混合在一起，产生新的频率信号的器件。
其基本工作原理是利用非线性器件产生新的频率分量，然后通过滤波器将所需的混频输出信号进行提取。
在微波混频器中，常见的非线性器件有二极管和场效应管。
当输入的两个信号分别为f1和f2时，混频器将产生f1、f2及其差频和和频的信号。
通过适当的滤波器可以将所需的混频输出信号进行提取，达到我们需要的混频效果。
二、ADS软件的介绍ADS（Advanced Design System）是由美国Keysight Technologies公司开发的一款专业的微波电路设计软件。
它可以用于射频、微波和信号完整性设计，提供了从原理级到电路级的仿真和优化功能，是微波电路设计中非常重要的工具之一。
ADS软件能够对混频器的设计、仿真和分析进行全面的支持，包括S参数仿真、非线性仿真、优化等功能，能够帮助工程师快速准确地完成微波混频器的设计与分析工作。
1. 设计混频器电路在ADS软件中绘制混频器的原理图，选择合适的二极管或场效应管等非线性器件，并设计混频器的输入和输出匹配电路。
通过ADS中的射频电路模块来设计匹配网络，实现对输入信号和输出信号的匹配。
还需要设计混频器的偏置电路，确保非线性器件处于正常工作状态。
2. 进行S参数仿真在完成混频器电路设计后，通过ADS软件进行S参数仿真，分析混频器的输入和输出匹配情况、增益特性、带宽等重要参数。
通过对S参数仿真结果的分析，可以对混频器的性能进行初步评估，并对后续的优化工作提供重要参考。
3. 进行非线性仿真由于微波混频器的工作原理是基于非线性器件的，因此混频器的非线性特性对其性能影响非常大。
基于ADS的微波混频器设计分析微波混频器是一种重要的微波器件，它在通信、雷达、无线电等领域有着广泛的应用。
基于ADS的微波混频器设计分析，是一项非常重要的研究工作。
本文将重点介绍基于ADS的微波混频器设计分析的相关知识和方法。
一、微波混频器的原理及分类1. 微波混频器的原理微波混频器是一种常用的微波被动器件，用于将两路或多路微波信号混合在一起，生成新的频率信号。
它的基本原理是利用非线性电路元件将输入的高频信号和本地振荡器的信号进行混合，从而产生两个新的频率信号：直流分量和带有原频率的交流信号。
这样，微波混频器可以实现频率的转换和信号的混频。
2. 微波混频器的分类微波混频器按照工作原理和结构可以分为多种类型，常见的包括对称式混频器、不对称式混频器、集总电阻混频器、集总电容混频器、集总电感混频器等。
不同类型的混频器在不同的应用场合有着各自的优势和特点，因此在设计分析时需要根据具体的要求选择合适的混频器类型。
1. ADS的介绍ADS（Advanced Design System）是美国Keysight（原Agilent）公司开发的一款高性能微波和射频电路设计软件，它支持从原理图设计到电路仿真、布局和布线的全流程设计。
ADS具有强大的模型库和仿真分析工具，可以帮助工程师快速高效地设计和分析微波电路，并优化电路性能。
2. 微波混频器的设计步骤基于ADS进行微波混频器设计分析，通常包括以下步骤：（1）确定设计要求：包括工作频率范围、功率要求、端口匹配等。
（2）选择混频器类型：根据实际需求选择合适的混频器类型，如对称式混频器、不对称式混频器等。
（3）设计电路原理图：在ADS中绘制混频器的电路原理图，包括输入端口、输出端口、混频器电路等。
可以从ADS的模型库中选择合适的元件进行搭建，也可以根据实际需要自定义元件。
（4）仿真分析：利用ADS的仿真工具对混频器进行电路仿真，包括S参数分析、功率分析、输出谐波分析等。
基于ADS的微波混频器设计分析
微波混频器是一种电路元件，主要用于将两个或多个不同频率的信号混合，产生出一个新的频率。
基于ADS进行微波混频器的设计分析，可以通过模拟和优化来实现性能的优化。
本文将以一个典型的微波混频器为例，阐述基于ADS的微波混频器设计分析的过程。
在ADS软件中创建工程，并选择混频器设计的频率范围。
然后，选择适当的混频器拓扑结构，如集总型或分布型结构。
在本例中，我们选择集总型结构。
接下来，选择适当的元器件，包括衰减器、耦合器、滤波器等。
根据混频器的要求，我们需要确定一些关键参数，如带宽、插入损耗、隔离度等。
通过对基本的混频器方程进行计算和仿真，我们可以得到一些初步的结果。
接着，进行电磁仿真，通过ADS软件中的电磁仿真工具来验证设计的可行性。
在仿真中，我们可以看到元器件的S参数、功率分布、相位分布等信息，以及设计的问题和改进的方向。
在得到初步的仿真结果后，我们可以进行参数扫描，找到最佳的参数组合。
我们可以改变元器件的尺寸、材料等参数，来优化性能。
通过ADS软件中的优化工具，我们可以快速找到最佳解，并得到相应的参数取值。
我们可以对设计进行验证。
通过将仿真的结果与实际测量结果进行比对，来验证设计的准确性和可靠性。
如果有差异，可以相应地对设计进行修正。
基于ADS的微波混频器设计分析是一个逐步迭代的过程，通过模拟和优化来实现性能的优化。
通过这种设计方法，我们可以更好地理解混频器的原理和工作方式，并实现设计的准确性和可靠性。
这对于微波混频器的设计和应用具有重要意义。
微波混频器技术指标与特性分析一、噪声系数和等效噪声温度比噪声系数的基本定义已在第四章低噪声放大器中有过介绍。
但是混频器中存在多个频率，是多频率多端口网络。
为适应多频多端口网络噪声分析，噪声系数定义改为式（9-1），其理论基础仍是式（6-1）的原始定义，但此处的表示方式不仅适用于单频线性网络，也可适用于多频响应的外差电路系统，即（9-1）式中 Pno ——-当系统输入端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 ——仅由有用信号输入所产生的那一部分输出的噪声资用功率。
根据混频器具体用途不同，噪声系数有两种。
一、噪声系数和等效噪声温度比1、单边带噪声系数在混频器输出端的中频噪声功率主要包括三部分：（1）信号频率f s 端口的信源热噪声是kT 0∆f ，它经过混频器变换成中频噪声由中频端口输出。
这部分输出噪声功率是 m fkT α∆0式中 ∆f ——中频放大器频带宽度；αm ——混频器变频损耗；T 0——环境温度，T 0 = 293K 。
（2）由于热噪声是均匀白色频谱，因此在镜频f i 附近∆f 内的热噪声与本振频率f p 之差为中频，也将变换成中频噪声输出，如图9-1所示。
这部分噪声功率也是kT 0∆f ／αm 。
（3）混频器内部损耗电阻热噪声以及混频器电流的散弹噪声，还有本机振荡器所携带相位噪声都将变换成输出噪声。
这部分噪声可用P nd 表示。
这三部分噪声功率在混频器输出端相互叠加构成混频器输出端总噪声功率P nond m m no P f kT f kT P +∆+∆=αα//00 把P no 等效为混频器输出电阻在温度为T m 时产生的热噪声功率，即P no = kT m ∆f ，T m 称混频器等效噪声温度。
kT m ∆f 和理想电阻热噪声功率之比定义为混频器噪声温度比，即 00T T f kT P t m no m =∆= 按照定义公式（9-1）规定，可得混频器单边带工作时的噪声系数为 ns m ns no SSB P f kT P P F ∆==在混频器技术手册中常用F SSB 表示单边带噪声系数，其中SSB 是Singal Side Band 的缩写。
P ns 是信号边带热噪声（随信号一起进入混频器）传到输出端的噪声功率，它等于kT 0∆f ／αm 。
因此可得单边带噪声系数是 m m mm SSB t L fkT f kT F α=∆∆=0 2、双边带噪声系数在遥感探测、射电天文等领域，接收信号是均匀谱辐射信号，存在于两个边带，这种应用时的噪声系数称为双边带噪声系数。
此时上下两个边带都有噪声输入，因此P ns = kT 0∆f ／αm 。
按定义可写出双边带噪声系数 m m m no DSB t a f T k P F 21/'20=∆=α （9-5）式中DSB 是Double Side Band 的缩写。
将公式（9-4）和（9-5）相比较可知，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 。
为了减小镜像噪声，有些混频器带有镜频回收滤波器或镜像抑制滤波器。
因此在使用商品混频器时应注意：（1）给出的噪声系数是单边带噪声还是双边带噪声，在不特别说明时，往往是指单边带噪声系数。
（2）镜频回收或镜频抑制混频器不宜用于双边带信号接收，否则将增大3dB 噪声。
（此类混频器将在第二节镜频抑制混频器中详述）（3）测量混频器噪声系数时，通常采用宽频带热噪声源，此时测得的噪声系数是双边带噪声系数。
在商品混频器技术指标中常给出整机噪声系数，这是指包括中频放大器噪声在内的总噪声系数。
由于各类用户的中频放大器噪声系数并不相同，因此通常还注明该指标是在中频放大器噪声系数多大时所测得的。
混频器和中频放大器的总噪声系数是()10-+=if m m F t F α 式中 F if ——中频放大器噪声系数；αm ——混频器变频损耗；t m ——混频器等效噪声温度比。
t m 值主要由混频器性能决定，也和电路端接负载有关。
t m 的范围大约是厘米波段 t m = 1.1~1.2毫米波段 t m = 1.2~1.5在厘米波段，由于t m ≈ 1，所以可粗估整机噪声是if m F F α=0 二、变频损耗混频器的变频损耗定义是：混频器输入端的微波信号功率与输出端中频功率之比，以分贝为单位时，表示式是()()()()dB dB dB dB g r m ααααβ++==中频输入信号功率微波输入信号功率lg 10（9-8）混频器的变频损耗由三部分组成：包括电路失配损耗αβ，混频二极管芯的结损耗αr 和非线性电导净变频损耗αg 。
1、失配损耗失配损耗αρ取决于混频器微波输入和中频输出两个端口的匹配程度。
如果微波输入端口的电压驻波比为ρs ，中频输出端口的电压驻波比为ρi ，则电路失配损耗是()()()i i s s dB ρρρραρ41lg 1041lg 1022+++= （9-9）混频器微波输入口驻波比ρs 一般为2以下。
αρ的典型值约为0.5~1dB 。
管芯的结损耗主要由电阻R s 和电容C j 引起，参见图9-2。
在混频过程中，只有加在非线性结电阻R j 上的信号功率才参与频率变换，而R s 和C j 对R j 的分压和旁路作用将使信号功率被消耗一部分。
结损耗可表示为()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=j s j s j s r R R C R R dB 221lg 10ωα （dB ） 混频器工作时，C j 和R j 值都随本振激励功率P p 大小而变化。
P p 很小时，R j 很大，C j 的分流损耗大；随着P p 加强，R j 减小，C j 的分流减小，但R s 的分压损耗要增长。
因此将存在一个最佳激励功率。
当调整本振功率，使R j = l ／ωs C j 时，可以获得最低结损耗，即()()s j s r R C dB ωα21lg 10min += （dB ） 可以看出，管芯结损耗随工作频率而增加，也随R s 和C j 而增加。
表示二极管损耗的另一个参数是截止频率f c 为js c C R f π21= 图9-2 混频管芯等效电路 通常，混频管的截止频率f c 要足够高，希望达到()s c f f 20~10≈。
比如f c = 20f s 时，将有αrmin = 0.4dB 。
根据实际经验，硅混频二极管的结损耗最低点相应的本振功率大约为1~2mW ，砷化镓混频二极管最小结损耗相应的本振功率约为3~5mW 。
3、混频器的非线性电导净变频损耗净变频损耗αg 取决于非线性器件中各谐波能量的分配关系，严格的计算要用计算机按多频多端口网络进行数值分析；但从宏观来看，净变频损耗将受混频二极管非线性特性、混频管电路对各谐波端接情况，以及本振功率强度等影响。
当混频管参数及电路结构固定时，净变频损耗将随本振功率增加而降低，如图9-3所示。
本振功率过大时，由于混频管电流散弹噪声加大，从而引起混频管噪声系数变坏。
对于一般的肖特基势垒二极管，正向电流为l~3mA 时，噪声性能较好，变频损耗也不大。
图9-3 变频损耗、噪声系数对本振功率的关系三、动态范围动态范围是混频器正常工作时的微波输入功率范围。
（1）动态范围的下限通常指信号与基噪声电平相比拟时的功率。
可用下式表示()if if m f F MkT P ∆=α0min 式中 αm ——混频器变频损耗；F if ——中频放大器噪声系数；∆f if ——中放带宽；M ——信号识别系数。
例如混频器有αm = 6dB ，中放噪声系数为F if = 1dB ，中频带宽∆f if = 5MHz ，要求信号功率比热噪声电平高10倍，即M = 10，此时混频器动态范围下限是()()()dBm WP 901003.1105258.143001038.11012623min -≈⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-- 在不同应用环境中，动态范围下限是不一样的。
比如在辐射计中由于采用了调制技术，能接收远低于热噪声电平的弱信号。
雷达脉冲信号则要高于热噪声约8dB ，而调频系统中接收信号载噪比约需要8~12dB 。
数字微波通信信号取决于要求的误码率，一般情况下比特信噪比也要在10~15dB 以上。
（2）动态范围的上限受输出中频功率饱和所限。
通常是指1dB 压缩点的微波输入信号功率Pmax ，也有的产品给出的是1dB 压缩点输出中频功率。
二者差值是变频损耗。
本振功率增加时，1dB 压缩点值也随之增加。
平衡混频器由2支混频管组成，原则上1dB 压缩点功率比单管混频器时大3dB 。
对于同样结构的混频器，1dB 压缩点取决于本振功率大小和二极管特性。
一般平衡混频器动态范围的上限为2~10dBm 。
混频器动态范围曲线如图9-4所示。
图9-4 混频器动态范围四、双频三阶交调与线性度如果有两个频率相近的微波信号ωs1、ωs2和本振ωp 一起输入列混频器，这时将有很多组合谐波频率，其中()21s s p m n ωωω±±称双频交调分量。
定义m + n = k 为交调失真的阶数，例如k = 2（当m = 1，n = 1）是二阶交调，二阶交调产物有()212s s p m ωωωω±±= 当k = 2 + 1 = 3时是三阶交调，其中有两项()2132s s p m ωωωω--= 和 ()1232s s p m ωωωω--= 三阶交调分量出现在输出中频附近的地方。
当ωs1和ωs2相距很近时，ωm3将落入中频放大器工作额带内，造成很大干扰。
这种情况在微波多路通信系统中是一个严重问题，如果各话路副载波之间有交叉调制，将造成串话和干扰。
上述频谱关系如图9-5所示。
图中∆ωif 是中频带宽。
图9-5 混频器频谱分布四、双频三阶交调与线性度1、混频器三阶交调系数三阶交调系数M i 的定义为()if i P P dB M m 3lg 10lg 10ω=⎪⎭⎫ ⎝⎛=有用信号功率三阶交调分量功率 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3m P ω随输入微波信号功率P s 的变化斜率较大，而中频功率P if 随P s 的变化呈正比关系，基本规律是P s 每减小1dB ，M i 就改善2dB ，如图7、6所示。
图9-6 混频器基波和三阶交调成分随信号功率的变化2、三阶交调截止点Mi 值与微波输入信号强度有关，是个不固定的值。
所以有时采用三阶交调截止点Ma 对应的输入功率PM 作为衡量交调特性的指标。
三阶交调截止点Ma 是Pi 直线和直线段延长的交点，此值和输入信号强度无关。
1dB 压缩点P1dB 和三阶交调截止值PM 都常作为混频器线性度的标志参数。
