標(biāo)題: 功分器,混頻器實(shí)驗(yàn)參考方案 射頻電路與系統(tǒng)課程報(bào)告下載 [打印本頁]
作者: 再來一把鹽    時(shí)間: 2018-7-12 22:21
標(biāo)題: 功分器,混頻器實(shí)驗(yàn)參考方案 射頻電路與系統(tǒng)課程報(bào)告下載
功分器以及混頻器兩個實(shí)驗(yàn)的綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告，適用于射頻電路仿真實(shí)驗(yàn)。

《射頻電路與系統(tǒng)》課程報(bào)告

題目    功分器設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化
目錄

一、功分器設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化  1
1設(shè)計(jì)目的 1
2設(shè)計(jì)內(nèi)容 1
3技術(shù)基礎(chǔ) 1
31 基本工作原理 1
32 基本設(shè)計(jì)指標(biāo) 2
4設(shè)計(jì)實(shí)例 3
41 設(shè)計(jì)指標(biāo) 3
42 設(shè)計(jì)原理圖 3
43 基板參數(shù)設(shè)置 4
44 原理圖仿真 6
45 電路參數(shù)的優(yōu)化 7
46 版圖的生成與仿真 9

二、混頻器設(shè)計(jì)與仿真  11
1 設(shè)計(jì)目的 11
2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 11
3 設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 11
31 基本工作原理 12
32 基本性能參數(shù) 12
4 設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例——Gilbert 混頻器15
41 Gilbert 混頻器簡介 15
42 設(shè)計(jì)指標(biāo) 15
43 混頻器模型的設(shè)計(jì) 16
44 混頻器電路仿真 18
三、心得體會  22

一、功分器設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化


1.設(shè)計(jì)目的


         了解功率分配器電路的原理及設(shè)計(jì)方法。
         學(xué)習(xí)使用 ADS 軟件進(jìn)行微波電路的設(shè)計(jì)，優(yōu)化，仿真。
         掌握功率分配器的制作及調(diào)試方法。

2.設(shè)計(jì)內(nèi)容


              了解功分器基本的工作原理和相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。
              使用 ADS 軟件設(shè)計(jì)威爾金森功分器，并對其參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化。
              根據(jù) ADS 設(shè)計(jì)完成的電路原理圖生成相應(yīng)的設(shè)計(jì)版圖并進(jìn)行優(yōu)化
              對加工好的電路進(jìn)行調(diào)試，使其滿足設(shè)計(jì)要求。

3.技術(shù)基礎(chǔ)


功率分配電路屬于無緣微波器件，主要應(yīng)用于功率分配。常用的功率分配器件有 T 型功 分器、威爾金森功分器等。功率分配器通常采用三端口網(wǎng)絡(luò)，常用3dB 等分形式。本此實(shí) 驗(yàn)主要是通過對威爾金森功分器的設(shè)計(jì)仿真和優(yōu)化來了解功分器的原理。

3.1基本工作原理


威爾金森功率分配器的功能是將輸入信號等分或者不等分地分配到各個輸出端口，并保 持相同的輸出相位。微帶型功分器的電路結(jié)構(gòu)如圖所示。其中，輸入端的特征阻抗為 Z0 ;


兩端分支微帶線長度為  / 4 ，特征阻抗分別為 Z02 和 Z03 ，終端分別接負(fù)載 R2 和 R3 。

各個端口的特性如下：
              端口 1 無反射
              端口 2 和端口 3 輸出電壓相等且同相

              端口 2 和端口 3 輸出功率比值為任意指定值1 / k2
所以，


4.設(shè)計(jì)實(shí)例


4.1設(shè)計(jì)指標(biāo)


              通帶范圍：0.9~1.1GHz
              通帶內(nèi)各端口反射系數(shù)：<-20dB
              通帶內(nèi)的傳輸損耗：<3.1dB
              兩輸出端隔離度：<-25dB
              功分比：1:1

4.2設(shè)計(jì)原理圖


輸入端口電路：由一個一般微帶線和一個微帶 T 型結(jié)構(gòu)成。

              阻抗變換電路：此設(shè)計(jì)圖為四分之一波長阻抗變換電路，由于技術(shù)指標(biāo)中規(guī)定了隔離度 的最大值，所以需要加入薄膜電阻 TRF 作為兩路分支之間的隔離電阻，用來增加隔離度。

           輸出端口電路：輸出端口電路可分為上下兩個支路，成對稱分布。


              完整的微帶型威爾金森功分器


4.3基板參數(shù)設(shè)置

（1）在電路中加入 MSUB 控件進(jìn)行微帶線的參數(shù)設(shè)置，如下圖所示：


（2）用【LineCalc】計(jì)算出功分器各段微帶線的理論值，并修改原理圖
當(dāng)特征阻抗為 50Ohm 時(shí)，計(jì)算得到的傳輸線寬度為 1.521330mm；當(dāng)特征阻抗為
70.70Ohm，長度為四分之一波長時(shí)，時(shí)計(jì)算出的特征阻抗為 0.788886mm。由最開始的設(shè)計(jì) 可知，輸入阻抗為 50Ohm，阻抗變換部分為四分之一波長，所以輸入端的 W 應(yīng)為 1.52，阻 抗變換部分應(yīng)為 0.79。為了方便之后的參數(shù)優(yōu)化，插入 VAR 控件，設(shè)置變量 w1=1.52，w2=0.79， lh=16。然后依照設(shè)計(jì)指標(biāo)，用變量 w1, w2,lh 替換原理圖中原有的數(shù)據(jù)，修改結(jié)果如下：



4.4原理圖仿真

對完成的原理圖進(jìn)行 S 參數(shù)仿真，首先分別在三個端口加入 Term 用來定義 端口并且與地相連。隨后加入 SP 空間設(shè)置通帶頻率和步長。完成之后點(diǎn)擊 simulation 進(jìn)行仿真。在數(shù)據(jù)觀察窗中加入觀察對象。

由于 S11 表示輸入端口的反射系數(shù)，所以增加一個觀測變量 S(1, 1);   S21 和 S31 均表示傳輸損耗，所以增加一個觀測變量 S(2, 1); S22 和S33 均表示輸出端口 的反射系數(shù)，又由于上下分支呈對稱分布，所以增加一個觀測變量 S(2, 1); S23 表示兩個輸出端口之間的隔離度，所以增加一個觀測變量 S(2, 3)。得到下圖的仿 真結(jié)果。


分析仿真結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)在通帶內(nèi)，輸入端口的反射系數(shù) S11 均小于 20dB，且最小 值為-63.121 符合設(shè)計(jì)要求，但是曲線不夠平滑產(chǎn)生尖峰；輸出端口的反射系數(shù)也均小于
20dB，最小值為-47.059dB，平坦度還有待提高；但是觀察傳輸損耗 S21 我們發(fā)現(xiàn)，仿真獲 得的結(jié)果均大于 3.1dB，且最大值達(dá)到 3.05，符合設(shè)計(jì)要求；就兩個輸出端口之間的隔離度 來看，并不是整個通帶內(nèi)的值都符合技術(shù)指標(biāo)，小于-25dB，有部分值大于 25dB，所以也需 優(yōu)化改進(jìn)。

4.5電路參數(shù)的優(yōu)化

通過對 4.4 中的仿真結(jié)果進(jìn)行分析以及為了更好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，我們需要對 w2 和 lh 進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。通過對于 VAR 控件的設(shè)置，將 w2 和 lh 的定值改為一個范圍，先初步將 w2 的范圍定在 0.7-0.9，將 lh 的范圍設(shè)置在 5-20。由于我們需要對 S11，S21，S22，S23 進(jìn)行仿 真，所以要插入 OPTIM 和四個 GOAL 控件。然后分別輸入技術(shù)指標(biāo)要求的參數(shù)范圍，如下圖 所示：


完成控件設(shè)置后點(diǎn)擊仿真按鈕，當(dāng)優(yōu)化結(jié)束后，數(shù)據(jù)顯示的窗口會自動彈出來，此時(shí)的

優(yōu)化結(jié)果變化還不是很明顯，然后我們需要點(diǎn)擊按鍵，更新優(yōu)化后的 w2 和 lh 的 值，優(yōu)化后 w2 和 lh 的值如圖所示。


最后我們將 OPTIM 控件禁用，進(jìn)行最后一次的仿真，得到最終的結(jié)果，如下圖所示：

通過比較觀察我們發(fā)現(xiàn)，此圖中個技術(shù)指標(biāo)基本符合要求，且相較于優(yōu)化之前的 S 參數(shù)， 波形要更加的平坦順滑，說明優(yōu)化起到了作用。

4.6版圖的生成與仿真


在完成了功分器電路原理圖的仿真之后，為了制作成合格可用的實(shí)際成品，我們還需要 生成相應(yīng)的功分器板圖并對其進(jìn)行仿真，查看各部分功能是否完全實(shí)現(xiàn)并符合指標(biāo)。
首先我們需要將原理圖中的部分仿真用的控件失效，因?yàn)檫@一部分的內(nèi)容不需要加入到 實(shí)際的板圖制作中去，然后就可以使用【Layout】自動生成微帶線板圖。生成的板圖如下圖 所示。


但是在這里我出現(xiàn)了一些問題，就是在我生成板圖的過程中發(fā)現(xiàn)在圖中的紅框處出現(xiàn)了
一個不符合預(yù)期的斷點(diǎn)，一開始我沒有對其進(jìn)行處理進(jìn)行了之后的仿真操作，得到的 S 參數(shù) 仿真圖與技術(shù)指標(biāo)以及電路圖的 S 參數(shù)仿真圖均有較大的出入。所以我嘗試增加一段微帶線 去填補(bǔ)這一段空缺，在進(jìn)行仿真操作，發(fā)現(xiàn)這一舉措起到了實(shí)際的作用，得到了預(yù)期的仿真 圖，具體的仿真操作見下文。
在生成板圖之后，我們需要將原理圖中的微帶線參數(shù)設(shè)置導(dǎo)入到板圖中。因?yàn)槲Ь�介
質(zhì)基片和金屬片對功分器參數(shù)影響很大。完成 Substrate 參數(shù)的導(dǎo)入之后，我們需要對板圖 再次進(jìn)行 S 參數(shù)仿真。Substrate 得到的結(jié)果如圖所示：


仿真之前，我們先要在板圖中加入三個接地端口，這個過程和原理圖仿真相似，然后設(shè) 置通帶頻率以及取樣點(diǎn)頻率。完成設(shè)置后點(diǎn)擊 Simulation 進(jìn)行仿真。得到 S11，S21，S22， S23 的結(jié)果如下圖所示。通過與技術(shù)指標(biāo)和電路圖的 S 參數(shù)仿真圖進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)基本 符合設(shè)計(jì)要求，板圖沒有產(chǎn)生較大的偏差。理論來說，如果板圖的 S 參數(shù)結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì) 要求，則需要返回原理圖重新進(jìn)行變量參數(shù)的優(yōu)化，在進(jìn)行板圖的生成和仿真，直到滿足設(shè) 計(jì)要求。




二、混頻器設(shè)計(jì)與仿真

1. 設(shè)計(jì)目的


              掌握混頻器基本的工作原理，
              了解混頻器電路的原理和設(shè)計(jì)方法
              學(xué)習(xí)使用 ADS 軟件進(jìn)行 Gilbert 混頻器的設(shè)計(jì)以及仿真

2. 設(shè)計(jì)內(nèi)容


              了解混頻器基本的工作原理和相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。
              使用 ADS 軟件設(shè)計(jì) Gilbert 混頻器模型
              設(shè)計(jì)仿真電路圖參照要求的指標(biāo)，進(jìn)行仿真優(yōu)化。

3. 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)


混頻器是射頻電路前端最關(guān)鍵的模塊，實(shí)現(xiàn)了頻率變換的過程。無論是微波通信、雷達(dá)、 遙控、遙感，還是偵察與電子對抗，以及微波測量系統(tǒng)，都必須把微波信號用混頻器降到中


低頻來進(jìn)行處理。混頻器的設(shè)計(jì)要綜合考慮噪聲、線性度、轉(zhuǎn)換增益、隔離度等技術(shù)指標(biāo)。 在實(shí)際的設(shè)計(jì)中還是有一定的難度的。
3.1基本工作原理


混頻器是一個三端口非線性器件，其中兩個為輸入端稱為射頻端（RF）和本振端（LO）， 另外一個為輸出端稱為中頻端（IF）。通過這三個端口將兩個頻率不同的輸入信號變?yōu)橐幌?列的輸出頻譜。
混頻器一般是通過在時(shí)變電路中采用非線性元件來完成頻率轉(zhuǎn)換，一般分為無源混頻器 和有源混頻器兩種。無源混頻器具有很好的線性度，并且可以在很高的頻率范圍內(nèi)工作，但 是缺少轉(zhuǎn)換增益；有源混頻器則具有轉(zhuǎn)換增益，可以減小來自中頻的噪聲影響。
混頻器一般是通過兩個信號相乘進(jìn)行頻率變換：



如：輸入 A,B 信號的頻率分別為 1 和 2 ，則輸出的混頻信號頻率可能為 1 - 2 或 ，從而實(shí)現(xiàn)變頻功能。

混頻器的示意圖如下圖所示，其中 RF 端接收將要進(jìn)行變頻的信號；LO 端接收由本地振 蕩器產(chǎn)生的周期性波形信號；IF 端是中頻信號的輸出端口。



3.2基本性能參數(shù)


(1) 噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度比

噪聲系數(shù)的定義為： F Pno/ Pns，其中 Pno為當(dāng)系統(tǒng)輸入噪聲溫度在所有頻率上都是 標(biāo)準(zhǔn)溫度 T0  290K時(shí)，系統(tǒng)傳輸?shù)捷敵龆说目傇肼曎Y用功率； Pns為僅由有用信號輸入所

產(chǎn)生的那一部分輸出的噪聲的資用功率。

噪聲系數(shù)可以分為單邊帶噪聲系數(shù)（ FSSB mtm，  m為混頻器變頻損耗）以及雙邊 帶噪聲系數(shù)（ FDSB 0.5 mtm）。相比之下可知，由于鏡像噪聲的影響，混頻器單邊帶噪聲

系數(shù)比雙邊帶噪聲系數(shù)大一倍，即高出 3dB。
所以在混頻器使用過程中應(yīng)注意以下 3 點(diǎn)內(nèi)容：
              注意給出的噪聲系數(shù)是單邊帶的還是雙邊帶的，不作說明默認(rèn)為單邊帶噪聲系數(shù)
              鏡頻回收或鏡頻抑制混頻器不宜用于雙邊帶信號接收
              測量噪聲系數(shù)時(shí)，通常采用寬頻帶熱噪聲源，這樣測得的是雙邊帶噪聲系數(shù)

上文中提到的 tm指的是混頻器等效噪聲溫度比。主要由混頻器性能決定，與電路端的

負(fù)載有關(guān)。在厘米波段 tm 1.1 ~ 1.2 ；在毫米波段 tm 1.2 ~ 1.5 。

由于混頻器和中頻放大器之和為總噪聲系數(shù)，一般只給出總噪聲系數(shù)，在厘米波段范圍 內(nèi) tm 1，因此可粗略估計(jì)整機(jī)噪聲為 F0  m(tm FIF1)  mFIF。

(2) 變頻損耗
混頻器的變頻損耗是混頻器輸入端的射頻信號功率與輸出端中頻功率之比，表達(dá)式為：
微波輸入信號功率


m(dB)  10 lg
中頻輸出信號功率


   (電路失配損耗dB)   r(混頻二極管芯的結(jié)損耗dB)   g(非線性電導(dǎo)凈變頻損耗dB)
(3) 動態(tài)范圍
動態(tài)范圍是混頻器正常工作時(shí)的射頻輸入功率范圍。動態(tài)范圍的下限通常指信號與噪聲
電平相比擬時(shí)的功率，可以表示為 Pmin  MkT0 ( mFIF)fIF。其中  m為混頻器變頻損耗；

FIF為中頻放大器噪聲系數(shù)； fIF為中頻放大器帶寬；M 為信號識別系數(shù)。動態(tài)范圍的上限

受輸出中頻功率飽和所限。通常是指 1dB 壓縮點(diǎn)的射頻輸入信號功率 Pmax 。
(4) 雙頻三階交調(diào)與線性度
如果有兩個頻率相近的射頻信號 s1 、s2 和本振 p 一起輸入混頻器，這時(shí)將有很多組

合諧波頻率。三階交調(diào)分量一般出現(xiàn)在輸出中頻附近。當(dāng)兩個射頻信號相距很近的時(shí)候，m3

將會落在中頻放大器工作頻帶內(nèi)，造成很大的干擾。這是射頻多路通信系統(tǒng)中一個嚴(yán)重的問
題，可能會造成串話和干擾。
 三階交調(diào)分量功率               P


混頻器三階交調(diào)系數(shù) Mi 的定義為 Mi(dB)  10 lg
  10lg               m3
P


              有用信息功率                             IF

其值為負(fù)分貝數(shù)，單位常用 dBc，其物理含義是三階交調(diào)功率比有用中頻信號功率小的分貝 數(shù)。三階交調(diào)功率 P    隨輸入微波信號功率 Ps 的變化斜率變大，而中頻功率 PIF隨 Ps 的變


化呈正比關(guān)系，基本規(guī)律是 Ps 每減小 1dB, Mi 就改善 2dB。如下圖所示。



但是 Mi 的值與輸入信號強(qiáng)度有關(guān)，通常不穩(wěn)定，所以引入三階交調(diào)截止點(diǎn) Ma 作為相

應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。 Ma 是 PIF直線和 P    直線延長的交點(diǎn)。1dB 壓縮點(diǎn) P1dB 和三階交調(diào)截止值

PM常作為混頻器線性度的標(biāo)志參數(shù)。
(5) 工作頻率
混頻器是多頻率器件，除了應(yīng)指明信號工作頻帶外，還應(yīng)該注明本振頻率可用范圍以及
(6) 隔離度
混頻器的隔離度指的是各頻率端口之間的隔離度，該指標(biāo)包括：信號與本振之間的隔離 度、信號與中頻之間的隔離度和本振與中頻之間的隔離度。如信號與本振之間的隔離度為
信號輸入到混頻器的功率


Lsp 10lg
在本振端口測得的信號功率
，這是一個重要的指標(biāo)，尤其是在共用本振的多



通道接受系統(tǒng)中。當(dāng)一個通道的信號泄漏到另一通道時(shí)，就會產(chǎn)生交叉干擾。在單通道系統(tǒng)
中，信號泄露就要損失信號能量，對接收靈敏度也是不利的。
(7) 本振功率與工作點(diǎn)
混頻器的本振功率是指最佳工作狀態(tài)時(shí)所需要的本振功率。本振功率不同時(shí)，混頻二極 管工作電流不同，阻抗也不同，這會使本振，信號，中頻這三個端口的匹配狀態(tài)變差。此外， 還會改變動態(tài)范圍和交調(diào)系數(shù)。
不同的混頻器工作狀態(tài)所需要的本振功率不同。原則上本振功率越大，則混頻器動態(tài)范 圍越大，線性度改善，1dB 壓縮點(diǎn)上升，三階交調(diào)系數(shù)也會改善。


4. 設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例——Gilbert 混頻器


4.1Gilbert混頻器簡介




如圖所示為一個典型的 Gilbert 混頻器，通過 M1 和 M2 把射頻信號轉(zhuǎn)化為電流；M1~M4
在差分的本振信號控制下輪流導(dǎo)通，使電流交替通過這兩組 MOS 開關(guān)管，并在 IF 端形成電 壓。如果將電阻換成電感，可以有效的降低負(fù)載引入的噪聲，而且電感上只有很小的直流壓 降，有利于實(shí)現(xiàn)低壓設(shè)計(jì)。此外，Gilbert 電路為雙平衡結(jié)構(gòu)，具有相當(dāng)高的隔離度。射頻
輸入信號是平衡信號，本振信號也是平衡信號，且本振和輸入的電流都為零，輸出差分實(shí)現(xiàn) 減法運(yùn)算。本振幅度也得到了極大的降低。輸入跨導(dǎo)將射頻（RF）輸入電壓信號轉(zhuǎn)化為電流 信號，然后本振 LO 信號控制差分對管切換電流方向。在 Gilbert 電路中，本振信號的擺幅和 上升斜率影響 M5 和 M6 的噪聲貢獻(xiàn)，輸入跨導(dǎo)的線性度決定了整個混頻器的線性度。

4.2設(shè)計(jì)指標(biāo)


   本振輸入頻率：2250MHz
   RF 輸入頻率：2500MHz
   本振輸入功率：5dBm
   RF 輸入功率：-30dBm
   中頻輸出頻率：250MHz
   轉(zhuǎn)換增益：>10
   噪聲系數(shù)：<25
   工作電壓：2.5V
   1dB 功率壓縮點(diǎn)>1dBm
   三階交調(diào)截取點(diǎn)>11dBm


4.3混頻器模型的設(shè)計(jì)


1.  模型的提�。河� ADS 發(fā)布的 TSMC 0.25um 工藝 MOS 管的 Bsim3_Model 模型調(diào)參完成本 例仿真。先找到“MOSFET BSIM3 Model(0.25um)”模型，由于只需要用到NMOS 所以將 PMOS 刪去，此模型共有 479 個參數(shù)，由于實(shí)驗(yàn)報(bào)告篇幅限制，這里就不一一列出了，部分見下圖。 并將此模型保存在 mixer_gil 工程中，并將此模型命名為 cmosn，方便之后的調(diào)用。


2. 混頻器內(nèi)部電路圖的繪制：創(chuàng)建一個新的工程，命名為“MIXER_FENGZHANG”,將設(shè)置 好的非線性 NMOS 管模型調(diào)入原理圖中。按照 Gilbert 混頻器的設(shè)計(jì)要求，插入 9 個 NMOS 管，將它們的 Model 都改為 cmosn，表示調(diào)用了設(shè)置好的 NMOS 管模型。之后就可以按照 原理圖的設(shè)計(jì)要求，添加相應(yīng)的原件設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)。整個電路分為 3 個部分：

主電路:NMOS1~4 受 LO 功率源驅(qū)動，NMOS5,6 受 RF 功率源驅(qū)動。

電流偏置電路：NMOS8 分別與 NMOS7 和 9 構(gòu)成兩對電流源，已提供電流偏置。將 NMOS8 的溝道寬度設(shè)為 NMOS7 和 9 的 1/10，這樣 NMOS8 就可以以 ibias/10的電流控制偏置電流 ibias，以達(dá)到省電的目的。



電壓偏置電路：“V_DC 1”供電電壓為 2.5V，經(jīng)過電阻 R2 和 R3，為 LO 功率源控制的
4 個 NMOS 管提供偏置電壓，“V_DC 2”供電電壓為-2.5V，為 NMOS789 提供偏執(zhí)電壓。

最終電路：加入 VAR 控件設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)值

VAR 的具體數(shù)值如下圖所示：


3.              生成混頻器的系統(tǒng)符號：完成混頻器內(nèi)部電路設(shè)計(jì)之后，對其進(jìn)行系統(tǒng)符號的設(shè)計(jì)，要 注意輸入輸出端口的標(biāo)識，以防使用不當(dāng)。自行繪制混頻器符號如下圖所示：
4.              配置各端口功率源：完成了混頻器模型的設(shè)置，我們需要調(diào)用混頻器模型，構(gòu)建電路， 對其輸入輸出端口進(jìn)行初步的配置，為接下來的仿真步驟做初步的準(zhǔn)備，故得到如下圖所示

的電路圖。當(dāng)我們選中混頻器符號并且點(diǎn)擊就可以在混頻器原理圖和實(shí)際仿真電 路圖之間進(jìn)行切換。




4.4混頻器電路仿真


(1) 頻譜和噪聲系數(shù)的仿真
創(chuàng)建一個新的工程“mixer4exam_gil_specfz”用來進(jìn)行頻譜和噪聲系數(shù)的仿真操作。


首先加入諧波仿真控制器 HB，配置好本振頻率（LOfreq）和信號頻率（RFfreq）的階數(shù)， 設(shè)置好噪聲參數(shù)。然后調(diào)用 VAR 控件和 Meas 控件，根據(jù)給出的技術(shù)指標(biāo)，定義好需要用到 的參數(shù)的值以及相應(yīng)的公式。具體數(shù)值如下圖所示：


完成此步驟后，調(diào)用 4.3 中配置好各端口輸入輸出功率源的原理圖，進(jìn)行仿真。完成仿 真之后，插入觀察對象 Vout，得到中頻輸出頻譜如下圖所示。

在加入觀測值 ConvGain 以顯示混頻器的轉(zhuǎn)換增益，根據(jù)定義公式 ConvGain=abs(dBm(mix(Vout,{-1,1}))-RFpwr)，在仿真結(jié)果中加入 ConvGain 的觀測值即可，得到如下圖所示，ConvGain=11.931，；在技術(shù)指標(biāo)中指出轉(zhuǎn)換增益應(yīng)該大于 10，所以基本符 合技術(shù)指標(biāo)。


接著我們加入噪聲系數(shù)的觀測值 nf（2），得到端口 2 的噪聲值，從結(jié)果來看，中頻輸


出頻率為 250MHz 時(shí)，噪聲系數(shù)為 24.584，小于 25 所以符合技術(shù)指標(biāo)。
(2) 探究本振功率對噪聲系數(shù)和轉(zhuǎn)換增益的影響
探究本振功率對噪聲系數(shù)和轉(zhuǎn)換增益的影響，用 1dB 的步長掃描本振功率（-20~10dBm）， 觀 察 本 振 功 率 對 噪 聲 系 數(shù) 和 轉(zhuǎn) 化 增 益 的 影 響 。 其 中 RF 頻率 為 輸 入 頻 率 ， 即 為 LO_freq+IF_freq=2500MHz.RF 功率為-30dBm。創(chuàng)建原理圖“mixer4exam_gil_swplofz”用來實(shí) 現(xiàn)本次的仿真操作。
在操作過程中，首先插入 HB 控件進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，然后寫出轉(zhuǎn)換增益求解的公式，
以及設(shè)置好技術(shù)指標(biāo)的參數(shù)值，導(dǎo)入仿真原理圖。參數(shù)設(shè)置如下圖所示：


點(diǎn)擊仿真按鍵，發(fā)現(xiàn)有幾個 warning 產(chǎn)生，首先是提示 Warning detected by HPEESOFSIM during spectral noise analysis `HB_NOISE'. 溫度符合 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，通過查找資料，我加入了一個 OPTIONS 控件，將溫度設(shè)置為 16.85，成功解決了這個問題。其次是關(guān)于 NMOS 的 PD=0 和 PS=0 出現(xiàn)問題,出現(xiàn)如下提示

回到混頻器模塊修改相應(yīng)參數(shù)。最終得到如下圖所示的仿真結(jié)果。左邊的圖為本振功率對噪 聲系數(shù)的影響，可以看出在本振功率為 6dBm 的時(shí)候，中頻段的噪聲系數(shù)最低，為 28.673 左右，略大于技術(shù)指標(biāo)，右邊的是本振功率對轉(zhuǎn)換增益的影響，與期望值有比較大的偏差。



(3) 三階交調(diào)的仿真
創(chuàng)建原理圖“mixer4exam_gil_ip3fz”用來進(jìn)行本項(xiàng)仿真操作。 首先我們需要進(jìn)行控件參數(shù)設(shè)置以及原理圖導(dǎo)入修改等工作。在本次的仿真中需要在諧
波仿真器中設(shè)置兩個在 RFfreq 附近的載波頻率，一個比 RFfreq 高 50kHZ 一個低 50kHz。此 外，因?yàn)樯婕皟蓚�載波頻率，所以將 RF 端的功率源換為“P_nTone”功率源進(jìn)行仿真，并設(shè) 置好對應(yīng)的參數(shù)。具體參數(shù)和電路圖如下圖所示。



設(shè)置完參數(shù)之后就可以進(jìn)行相應(yīng)的仿真操作了，首先輸出 Vout，觀察中頻輸出頻譜， 然后通過頻譜計(jì)算三階交調(diào)截取點(diǎn)。具體的仿真結(jié)果如下圖所示�？梢园l(fā)現(xiàn)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果


與理想值還是存在很大的差距的。

三、心得體會


本次課程論文我主要針對功分器電路以及混頻器電路進(jìn)行了學(xué)習(xí)以及設(shè)計(jì)，仿真使用的 軟件是 ADS2016 版本。在選題的時(shí)候我本著選一個微帶線電路設(shè)計(jì)以及一個器件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 的原則，想全方位的鍛煉一下自己的能力。下面我主要想從功分器的設(shè)計(jì)心得，混頻器的設(shè) 計(jì)心得以及 ADS2016 的使用心得簡單地談一下我的體會。

首先是關(guān)于功分器的設(shè)計(jì)。 關(guān)于功分器這個無源微帶線的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，還是相對來說比較簡單的。參照網(wǎng)絡(luò)上的參考
文件以及實(shí)驗(yàn)材料，可以比較快的完成初步設(shè)計(jì)。但是完成原理圖仿真優(yōu)化之后，生成板圖 的步驟中發(fā)現(xiàn)功分器微帶線板圖中存在部分?jǐn)嚅_的地方，起初沒有對其進(jìn)行修改，導(dǎo)致最后 S 參數(shù)仿真的結(jié)果與原理圖仿真的值存在很大偏差也不符合技術(shù)指標(biāo)。在這個斷電處添加一 段微帶線之后，繼續(xù)仿真，得到了正確的結(jié)果。但是在這一段我還是存有疑惑，為什么原理 圖都連接完整，但是在導(dǎo)入板圖的過程中會存在斷點(diǎn)的問題。
然后是關(guān)于混頻器的電路設(shè)計(jì)。 在這個實(shí)驗(yàn)中我還是遇到了很多的麻煩。由于缺少基礎(chǔ)知識，對一些技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算以
及認(rèn)知都不是很夠。雖然看了一些參考文獻(xiàn)，但是由于混頻器涉及的參數(shù)過多，到最后有點(diǎn)
暈頭轉(zhuǎn)向。究其根本原因還是自身能力不足，需要進(jìn)一步的提高。然后關(guān)于混頻器的仿真內(nèi) 容，遇到的第一個麻煩就是 NMOS 管 PD 和 PS 的值的設(shè)置，因?yàn)闆]有一個大概的方向，所 以花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力，最后也沒有一個明確的結(jié)果，確實(shí)讓人有些對自己失去信心。 然后就是關(guān)于混頻器仿真模塊得出的結(jié)果很多也不盡如人意，所以還煩請老師指正。
最后是關(guān)于 ADS 操作使用方面。
在上學(xué)期的微波實(shí)驗(yàn)課上，我有接觸過 ADS2013 版本比較基本的操作，如微帶線介質(zhì) 板參數(shù)設(shè)置，LineCalc 計(jì)算操作等等。本次實(shí)驗(yàn)首次接觸 ADS2016 版本雖然遇到了一些問題， 但是感覺 2016 版本還是為我們提供了一些便利。首先是菜單欄的變化，特別是在板圖設(shè)計(jì) 的窗口。如加端口這個操作，ADS2008 版本中Insert 中的 Port 變成了 Pin，ADS2016 只需要 我們直接加入 Pin 就能自動生成 Port 和 Gnd，相較于之前的操作方便很多。還有就是將
Simulation 以及 Momentum 都放在 EM 板塊中，打開 Simulation Setup 就可以進(jìn)行一站式操 作，如果你忘記加端口或者同步 Substrate 系統(tǒng)還會有提示，大大的方便了初學(xué)者的操作。 不過由于版本缺少操作教程，在摸索的過程中還是走了彎路，還需要更多的鍛煉。
總而言之，無論是關(guān)于設(shè)計(jì)的理論知識還是關(guān)于軟件的使用，我的知識還存在很大的不 足，需要之后進(jìn)一步的學(xué)習(xí)以及鍛煉。一個設(shè)計(jì)的完成不僅僅需要豐富的理論知識的支撐， 還需要有足夠的耐心。以上便是我本次實(shí)驗(yàn)過程中的些許心得。不當(dāng)之處還望老師指正。


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功分器以及混頻器綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告.pdf (1.26 MB, 下載次數(shù): 18)






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