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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 目目 录录 一 射频电路与一 射频电路与 ADSADS 概述概述 3 3 1 射频电路概述 3 2 ADS 概述 3 二 混频器的设计二 混频器的设计 7 7 1 混频器的基本原理 7 2 混频器的技术指标 9 三 混频器的设计三 混频器的设计 9 1 3 DB 定向耦合器的设计 9 1 1 建立工程 9 1 2 搭建电路原理图 10 1 3 设置微带线参数 11 1 4 耦合器的 S 参数仿真 12 2 完整混频器电路设计 17 3 低通滤波器的设计 21
2、四 混频器性能仿真四 混频器性能仿真 2323 1 混频器功能仿真 23 1 1 仿真原理图的建立 23 1 2 功能仿真 25 2 本振功率的选择 27 3 混频器的三阶交调点分析 28 3 1 三阶交调点的测量 28 3 2 三阶交调点与本振功率的关系 31 4 混频器的输入驻波比仿真 31 五 五 设计总结设计总结 3333 一 射频电路与 ADS 概述 1 射频电路概述 射频是指超高频率的无线电波 对于工作频率较高的电路 人们经常称为 高频电路 或 射频 RF 电路 或 微波电路 等等 工程上通常是指工作频段的波长在 10m 1mm 或频率在 30MHz 300GHz 之间 的电路 此
3、外 有时还含有亚毫米波 1mm 0 1mm 或 300GHz 3000GHz 等 一方面 随着频率升高到射频频段 通常在分析 DC 和低频电路时乐于采 用的基尔霍夫定律 欧姆定律以及电压电流的分析工具 已不精确或不再适用 分布参数的影响不容忽略 另一方面 纯正采用电磁场理论方法 尽管可以很 好的全波分析和计及分布参数等的影响 但很难触及高频放大器 VCO 混频器 等实用内容 所以 射频电路设计与应用已成为信息技术发展的关键技术之一 2 ADS 概述 ADS 电子设计自动化 EDA 软件全称为 Advanced Design System 是美国 安捷伦 Agilent 公司所生产拥有的电子设计
4、自动化软件 ADS 功能十分强大 包含时域电路仿真 SPICE like Simulation 频域电路仿真 Harmonic Balance Linear Analysis 三维电磁仿真 EM Simulation 通信系统仿真 Communication System Simulation 和数字信号处理仿真设计 DSP 支持 射频和系统设计工程师开发所有类型的 RF 设计 从简单到复杂 从离散的射 频 微波模块到用于通信和航天 国防的集成 MMIC 是当今国内各大学和研究所 使用最多的微波 射频电路和通信系统仿真软件软件 2 1 ADS 的仿真设计方法 ADS 软件可以提供电路设计者进行
5、模拟 射频与微波等电路和通信系统设 计 其提供的仿真分析方法大致可以分为 时域仿真 频域仿真 系统仿真和 电磁仿真 ADS 仿真分析方法具体介绍如下 2 1 1 高频 SPICE 分析和卷积分析 Convolution 高频 SPICE 分析方法提供如 SPICE 仿真器般的瞬态分析 可分析线性与非 103 8 Hzf sm f c 线性电路的瞬态效应 在 SPICE 仿真器中 无法直接使用的频域分析模型 如 微带线带状线等 可于高频 SPICE 仿真器中直接使用 因为在仿真时可于高频 SPICE 仿真器会将频域分析模型进行拉式变换后进行瞬态分析 而不需要使用 者将该模型转化为等效 RLC 电
6、路 因此高频 SPICE 除了可以做低频电路的瞬态 分析 也可以分析高频电路的瞬态响应 此外高频 SPICE 也提供瞬态噪声分析 的功能 可以用来仿真电路的瞬态噪声 如振荡器或锁相环的 jitter 卷积分析方法为架构在 SPICE 高频仿真器上的高级时域分析方法 藉由卷 积分析可以更加准确的用时域的方法分析于频率相关的元件 如以 S 参数定义 的元件 传输线 微带线等 2 1 2 线性分析 线性分析为频域的电路仿真分析方法 可以将线性或非线性的射频与微波 电路做线性分析 当进行线性分析时 软件会先针对电路中每个元件计算所需 的线性参数 如 S Z Y 和 H 参数 电路阻抗 噪声 反射系数
7、稳定系数 增益或损耗等 若为非线性元件则计算其工作点之线性参数 在进行整个电 路的分析 仿真 2 1 3 谐波平衡分析 Harmonic Balance 谐波平衡分析提供频域 稳态 大信号的电路分析仿真方法 可以用来分 析具有多频输入信号的非线性电路 得到非线性的电路响应 如噪声 功率压 缩点 谐波失真等 与时域的 SPICE 仿真分析相比较 谐波平衡对于非线性的 电路分析 可以提供一个比较快速有效的分析方法 谐波平衡分析方法的出现填补了 SPICE 的瞬态响应分析与线性 S 参数分析 对具有多频输入信号的非线性电路仿真上的不足 尤其在现今的高频通信系统 中 大多包含了混频电路结构 使得谐波平
8、衡分析方法的使用更加频繁 也越 趋重要 另外针对高度非线性电路 如锁相环中的分频器 ADS 也提供了瞬态辅助谐波 平衡 Transient Assistant HB 的仿真方法 在电路分析时先执行瞬态分析 并将此瞬态分析的结果作为谐波平衡分析时的初始条件进行电路仿真 藉由此 种方法可以有效地解决在高度非线性的电路分析时会发生的不收敛情况 2 1 4 电路包络分析 Circuit Envelope 电路包络分析包含了时域与频域的分析方法 可以使用于包含调频信号的 电路或通信系统中 电路包络分析借鉴了 SPICE 与谐波平衡两种仿真方法的优 点 将较低频的调频信号用时域 SPICE 仿真方法来分析
9、 而较高频的载波信号 则以频域的谐波平衡仿真方法进行分析 2 1 5 射频系统分析 射频系统分析方法提供使用者模拟评估系统特性 其中系统的电路模型除 可以使用行为级模型外 也可以使用元件电路模型进行习用响应验证 射频系 统仿真分析包含了上述的线性分析 谐波平衡分析和电路包络分析 分别用来 验证射频系统的无源元件与线性化系统模型特性 非线性系统模型特性 具有 数字调频信号的系统特性 2 1 6 拖勒密分析 Ptolemy 拖勒密分析方法具有可以仿真同时具有数字信号与模拟 高频信号的混合 模式系统能力 ADS 中分别提供了数字元件模型 如 FIR 滤波器 IIR 滤波器 AND 逻辑门 OR 逻辑
10、门等 通信系统元件模型 如 QAM 调频解调器 Raised Cosine 滤波器等 及模拟高频元件模型 如 IQ 编码器 切比雪夫滤波器 混 频器等 可供使用 2 1 7 电磁仿真分析 Momentum ADS 软件提供了一个 2 5D 的平面电磁仿真分析功能 Momentum ADS2005A 版本 Momentum 已经升级为 3D 电磁仿真器 可以用来仿 真微带线 带状线 共面波导等的电磁特性 天线的辐射特性 以及电路板上 的寄生 耦合效应 所分析的 S 参数结果可直接使用于些波平衡和电路包络等 电路分析中 进行电路设计与验证 在 Momentum 电磁分析中提供两种分析模式 Mome
11、ntum 微波模式即 Momentum 和 Momentum 射频模式即 Momentum RF 使用者 可以根据电路的工作频段和尺寸判断 选择使用 2 2 ADS 的设计辅助功能 ADS 软件除了上述的仿真分析功能外 还包含其他设计辅助功能以增加使 用者使用上的方便性与提高电路设计效率 ADS 所提供的辅助设计功能简介如 下 2 2 1 设计指南 Design Guide 设计指南是藉由范例与指令的说明示范电路设计的设计流程 使用者可以 经由这些范例与指令 学习如何利用 ADS 软件高效地进行电路设计 目前 ADS 所提供的设计指南包括 WLAN 设计指南 Bluetooth 设计指南 CD
12、MA2000 设计指南 RF System 设计指南 Mixer 设计指南 Oscillator 设计 指南 Passive Circuits 设计指南 Phased Locked Loop 设计指南 Amplifier 设计指南 Filter 设计指南等 除了使用 ADS 软件自带的设计指南 外 使用者也可以通过软件中的 DesignGuide Developer Studio 建立自己的设 计指南 2 2 2 仿真向导 Simulation Wizard 仿真向导提供 step by step 的设定界面供设计人员进行电路分析与设计 使用者可以藉由图形化界面设定所需验证的电路响应 ADS
13、提供的仿真向导包括 元件特性 Device Characterization 放大 器 Amplifier 混频器 Mixer 和线性电路 Linear Circuit 2 2 3 仿真与结果显示模板 Simulation Data Display Template 为了增加仿真分析的方便性 ADS 软件提供了仿真模板功能 让使用者可 以将经常重复使用的仿真设定 如仿真控制器 电压电流源 变量参数设定等 制定成一个模板 直接使用 避免了重复设定所需的时间和步骤 结果显示模 板也具有相同的功能 使用者可以将经常使用的绘图或列表格式制作成模板以 减少重复设定所需的时间 除了使用者自行建立外 ADS
14、 软件也提供了标准的 仿真与结果显示模板可供使用 2 2 3 电子笔记本 Electronic Notebook 电子笔记本可以让使用者将所设计电路与仿真结果 加入文字叙述 制成 一份网页式的报告 由电子笔记本所制成的报告 不需执行 ADS 软件即可以在 浏览器上浏览 2 3 ADS 与其他 EDA 软件和测试设备间的连接 由于现今复杂庞大的的电路设计 每个电子设计自动化软件在整个系统设 计中均扮演着螺丝钉的角色 因此软件与软件之间 软件与硬件之间 软件与 元件厂商之间的沟通与连接也成为设计中不容忽视的一环 ADS 软件与其他设 计验证软件 硬件的连接简介如下 2 3 1 SPICE 电路转换
15、器 SPICE Netlist Translator SPICE 电路转换器可以将由 Cadence Spectre PSPICE HSPICE 及 Berkeley SPICE 所产生的电路图转换成 ADS 使用的格式进行仿真分析 另外也 可以将由 ADS 产生的电路转出成 SPICE 格式的电路 做布局与电路结构检查 LVS Layout Versus Schematic Checking 与布局寄生抽取 Layout Parasitic Extraction 等验证 2 3 2 电路与布局文件格式转换器 IFF Schematic and Layout Translator 电路与布局格
16、式转换器提供使用者与其他 EDA 软件连接沟通的桥梁 藉由 此转换器可以将不同 EDA 软件所产生的文件 转换成 ADS 可以使用的文件格式 2 3 3 布局转换器 Artwork Translator 布局式转换器提供使用者将由其他 CAD 或 EDA 软件所产生的布局文件导入 ADS 软件编辑使用 可以转换的格式包括 IDES GDSII DXF 与 Gerber 等格式 2 3 4 SPICE 模型产生器 SPICE Model Generator SPICE 模型产生器可以将由频域分析得到的或是由测量仪器得到的 S 参数 转换为 SPICE 可以使用的格式 以弥补 SPICE 仿真软件无法使用测量或仿真所 得到的 S 参数资料的不足 2 3 5 设计工具箱 Design Kit 对于 IC 设计来说 EDA 软件除了需要提供准确快速的仿真方法外 与半导 体厂商的元件模型间的连接更是不可或缺的 设计工具箱便是扮演了 ADS 软件 与厂商元件模型间沟通的重要角色 ADS 软件可以藉由设计工具箱将半导体厂 商的元件模型读入 供使用者进行电路的设计 仿真与分析 2 3 6 仪器连接器
