3.8GHz单平衡微波混频器的设计与仿真

时间：2024-05-04

摘要混频器是微波集成电路收发系统的重要组成模块，其广泛应用于无线通信、雷达以及电子对抗系统中。混频器主要利用二极管的非线性特征，实现射频频率与本征频率的加减。本文设计了用于3.8GHz的单平衡混频器，完成混频器电路中的3dB定向耦合器、低通滤波器、二极管和匹配电路的设计。本文描述了基于Agilent公司的ADS软件进行混频器电路的设计、仿真和优化方法，仿真结果满足设计要求，对单平衡微波混频器的研究具有重要的参考价值。

【关键词】单平衡微波混频器 3dB耦合器低通滤波器

1 引言

本文主要分析了微波单平衡混频器的原理，设计出单平衡微波混频器的电路。然后用ADS软件先对混频器电路中的耦合器和滤波器分别进行仿真优化，最终对整个电路给出仿真优化并给出噪声分析和线性分析。

本文设计指标：射频信号频率为3.8GHz；本征信号频率为3.6GHz；变频损耗<12dB；噪声系数<15dB。

2 单平衡混频器原理与设计

2.1 工作原理

微波混频器的电路形式主要有单端混频器、单平衡混频器和双平衡混频器三种。单端混频器结构简单，但噪声较大，性能较差，主要应用在接收信号强，性能要求不高的电路中。单平衡混频器是用两只参数相同的二极管构成的混频器，具有性能好、结构简单的特点，故有广泛应用。其电路结构如图1所示。双平衡混频器在单平衡混频器基础上再增加一对参数相同的二极管组成，结构较单平衡混频器复杂，本文不具体阐述。

射频信号和本征信号分别从3dB耦合器的1端口和2端口输入，则D1和D2上的本征信号电压vLO1、vLO2和射频信号电压vRF1、vRF2分别为：

根据混频电路的计算公式，可得出D1和D2中的电流分别为：

当m=±1，n=±1时，利用I-1，+1=I+1，-1的关系，可以求出中频电流为：

由式（7），可以得到中频信号频率是射频信号频率与本振信号频率之差，实现了频率的变换。

2.2 技术指标

单平衡微波混频器由于其应用场合的不同，性能要求也是不同的。从工程应用实践来看主要包含以下参数指标：变频损耗、噪声系数、隔离度、带宽、动态范围、三阶交调点、1dB功率压缩点和端口驻波系数等。

3 单平衡微波混频器设计

在2.1节中已经介绍了单平衡微波混频器的电路组成。其电路拓扑主要由3dB定向耦合器、匹配网络电路、二极管和低通滤波器组成，最终输出中频信号。本节分别对3dB定向耦合器、匹配网络电路和低通滤波器进行设计和仿真，最终对整个电路进行仿真。

3.1 定向耦合器的设计

定向耦合器是一个四端口器件，其主要技术指标有耦合度和隔离度。如图2所示，在本设计中要求S31（信号从1端口到3端口的正向传输系数）S41（信号从1端口到4端口的正向传输系数）为3dB，故称为3dB定向耦合器；S21（1端口到2端口的隔离度）应该在40dB以上。在ADS中建立3dB定向耦合器的仿真图。

建立完成定向耦合器的仿真电路图后，对其关键参数耦合度和隔离度进行仿真。仿真结果如图3所示。从结果来看，S31和S41在3.8GHz频点约为3dB左右，S11和S12在3.8GHz频点为40dB以上。满足设计指标要求。

3.2 低通滤波器设计

滤波器是通讯系统中常用的重要电路之一，其主要作用是用于分离各种不同频率的信号。根据信号选择类型分类，滤波器可以分为低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器等。滤波器的主要技术指标有：截止频率（通带频率）、通带最大衰减值、阻带最小衰减值等。本设计中低通滤波器的电路仿真如图4所示。

3.3 混频器总体电路设计

通过对整体电路中的匹配电路和晶体管中的电路进行选择和设计，得到单平衡微波混频器的最终电路图图5所示。

4 总体电路仿真

对最终的总体电路进行仿真，得到通过滤波器前中频输出的频谱如图6所示和通过滤波器后的中频输出频谱如图7所示。

通过结果对比我们可以得到，通过本文设計的电路可以得到最终的200M中频信号而滤除其它频率分量。达到我们设计的要求和目的。变频损耗仿真图如图8所示，端口的输入驻波比仿真图如图9所示，从结果来看，变频损耗和驻波比均满足设计要求。

对整体电路相关参数进行仿真后，最终得到3.8GHz单平衡微波混频器的PCB图如图10所示。下一步的工作就是投版进行实物测试。

5 总结

本文完成了一种用于3.8GHz单平衡微波混频器电路的设计和仿真。主要包括对混频器电路中的3dB定向耦合器、匹配网络电路和低通滤波器电路的设计和仿真，最终对总体电路进行仿真，从仿真结果来看满足设计要求并最终得到这种用于3.8GHz单平衡微波混频器电路的PCB图。

参考文献