用ADS进行混频器仿真的实现过程

混频器是射频电路中实现频谱搬移的电路，具有十分重要的地位。它主要用来实现频率的变换，它的一些性能参数直接决定了收发机的性能，起着至关重要的作用。

本次总结主要侧重用ADS进行混频器仿真的实现过程。今天的总结顺序是：混频器设计原理和指标、混频器指标参数、混频器原理图设计与仿真目标（这里的指标我没有由于没有些没设置好，指标差的很远，请注重仿真过程）、实现步骤。

其中实现步骤包括：建立Gilbert双平衡混频器、生成一个符号，生产了符号之后方便进行调用、对刚刚设计的混频器进行仿真、仿真结果（频谱）、混频器三阶交调点仿真。

混频器设计原理和指标

混频器，作为射频前端最重要的电路之一，位于低噪声放大器之后，模拟中频电路之前，在射频链路中肩负着承上启下的重任。它的作用在于把两个不同频率的信号分解为两者的和频信号和差频信号。

混频器必须是非线性或时变的，以提供所需的频率变换。 混频器有三个端口：一个是射频输入口；二是本振输入口；三是中频输出口。混频器可以分为有源混频器和无源混频器两种。它们的区别在于是否有功率增益，无源混频器的增益小于1，称为混频损耗。

无源混频器常用二极管和工作在可变电阻区的场效应管构成。有源混频器的增益大于1，它由场效应管和双极型晶体管构成。无源混频器的线性范围大，速度快，而有源混频器由于增益大于1，可以降低混频以后各级噪声对接收机总噪声的影响，因此得到更广泛的应用。目前，有源混频器中最为普遍电路形式为Gilbert双平衡混频电路。电路形式如下：

双平衡混频器与其他混频器结构相比有两个主要优点：

一是各端口间的隔离性能好，特别是本振端向中频端的隔离性能比单平衡混频器有所改进。因为在双平衡混频器中，输出电流是上面两个差分对电流以相反的相位叠加，抵消了本振信号向中频端的泄露。

二是线性范围大。其原因是：RF输入级是差分放大器，它的伏安特性以零点为中心有较大的线性范围，在相同非线性失真条件下，差分放大器的线性输入动态范围几乎是单管共射放大器的10倍；双平衡，由于采用了双平衡结构，输出电流与射频输入差分放大器的两管电流之差成正比，这样就抵消了RF级的I/V变换中的偶次失真项。

混频器指标参数

混频器的主要指标参数有：增益、噪声系数（NF）、三阶互调截点（IP3）、端口间隔离等。

1、增益：混频器的增益为频率变换增益，简称变频增益，定义为输出中频信号的大小与输入射频信号大小之比。

2、噪声：混频噪声系数是混频器输入端的信噪比和混频器输出端的信噪比之比，单位为dB。

3、线性范围

混频器对输入RF小信号而言是线性网络，其输出中频信号与输入射频信号的幅度成正比。但是当输入信号幅度逐渐增大时，与线性放大器一样，也存在着非线性失真问题。因此，与放大器一样，也可以用下列质量指标来衡量它的线性性能。

1）、1dB压缩点：定义为变频增益下降1dB时相应的输入（或输出）功率值。

2）、三阶互调截点

设混频器输入两个射频信号f1和f2，它们的三阶互调分量2f1-f2（或2f2-f1）与本振混频后也位于中频带宽内，就会对有用中频产生干扰。与放大器的三阶互调截点定义相同，使三阶互调产生的中频分量与有用中频相等的输入信号功率记为IIP3（或对应的输出记为OIP3）。

3）、线性动态范围

定义1dB压缩点与混频器的噪声基数之比为混频器的线性动态范围，用dB表示。由于混频器的输入RF信号经过了低噪声放大器的放大，因此送入混频器的射频信号总要比输入低噪声放大器的信号大，因此对混频器的线性度指标要比低噪声放大器要求高。

4）、端口间隔离

混频器的各端口间的隔离不太理想会产生以下几个方面的影响。本振（LO）口向射频（RF）口的泄露会使本振大信号影响低噪声放大器的工作，甚至通过天线向空间辐射噪声信号。RF口向LO口的串扰会使RF中包含的强干扰信号影响本地振荡器的工作，产生频率牵引等现象，从而影响本振输出频率。LO口向IF口的串扰，本振大信号会使以后的中频放大器放大各级过载。RF信号如果隔离不好也会直通到中频输出口，但是一般来说，由于RF频率很高，都会被中频滤波器滤出，不会影响输出中频。

5）、阻抗匹配

对混频器的三个端口的阻抗要求有两点。一是要求匹配，混频器RF口及IF口的匹配可以保证与各口相接的滤波器正常工作。LO口的匹配可以有效地向本地振荡器汲取功率。二是要求每个端口对另外两个端口的信号，力求短路。

6）、失真

混频功能是靠器件的非线性完成信号的相乘来实现的。由于非线性的高次方项，使本振与输入信号除产生有用中频分量外还会产生很多组合频率，当某些组合频率落在中频带宽内，就形成了对有用中频信号的干扰。因此，混频器的失真主要表现在组合频率干扰上，这些失真一般可分为以下几种：

（1）干扰哨声。

（2）寄生通道干扰。

（3）互调失真。

混频器原理图设计与仿真目标（这里的指标我没有设置好，指标差的很远，请注重仿真过程）

在学习了混频器的基本原理和设计指标后，本节将使用ADS设计一个CMOS的Gilbert双平衡混频器，并对混频器的主要指标参数进行仿真验证，以验证电路的功能和性能。

在原理图设计前，首先确定Gilbert双平衡混频器的设计指标为：

在射频输入信号为1000MHz，本振输入信号为900MHz时，完成变频功能。

变频增益大于15dB

输入三阶交调点大于-20dBm

输出三阶交调点小于-35dBm

制定混频器的设计指标后，就可以进行原理图设计了。

实现步骤（这里的指标我没有设置好，指标差的很远，请注重仿真过程）

一、建立Gilbert双平衡混频器

1、新建工程和原理图

2、新建一个NMOS管的BSIM3模型库，在原理图设计窗口选择”Devices-MOS”面板，从元件中选择“BSIM3”插入到原理图中，将其命名为”MODnmos32”，由于混频器采用的NMOS管需要工艺模型库支持才能进行仿真，因此首先要建立一个NMOS管的BSIM3模型库，在原理图设计窗口中选择“Device-MOS”面板，从元件面板中选择“BSIM3”插入到原理图中，将其命名为“MODnmos35”，对参数进行设置。

3、设置好模型后，继续在原理图设计窗口中选择“Device-MOS”面板，从元件面板中选择两个”MOS-NMOS”作为尾电流源插入到原理图中，分别命名，并按照下图设置

注意：这里的NMOS管为四端元件，衬底都需要接电位。

4、在原理图设计窗口中选择“Lumpd-Components”面板，从元件面板中选择两个电感位源退化电感插入到原理图中，选择电感和电阻的选择好选择，电压电流源也好选择，这里就不介绍了（以前有介绍过从哪里找）。后面完成电路图，如下。

5、为了在射频输入管同时加入输入信号和偏置电压，需要调用压控电压源进行连接，选择“Source-Controlled”面板，从元件面板中选择压控电压源“VCVS”，命名为“SRC8”。输入端分别接Port“RF”和地，输出端一端接到射频输入管MOSFET1前匹配电路的电感L2，另一端接到射频偏置直流电压源“SRC9”。双击“VCVS”，设置复数电压增益“G”为1，输入、输出电阻都为50Ω。

6、同样设置本振输入端口，由于本振端口为差分输入，因此还需要一个压控电压源“VCVS”对输入信号进行反向，设置压控电压源“SRC3”输入电阻为1e100Ω，代表无穷大的输入阻抗，输出电阻为50Ω，增益为-1。输出端一端接本振输入管MOSFET5和MOSFET6，另一端接本振偏置电压“SCR4”。另一个压控电压源“SRC6”输入、输出电阻与“SRC3”相同。

这样就完成了整个混频器的搭建。

二、生成一个符号，生产了符号之后方便进行调用

1、对参数进行设置

2、创建符号

这样就可以对参数进行设置了。

三、对刚刚设计的混频器进行仿真

1、新建一个原理图，调出之前的库

2、添加HB仿真的模板，完成电路图的连接，进行设置。

一定要注意单位：如果仿真不出来，可以用ADS自带的模板进行对比，单位有没有，比对一下。如果还是仿真不出来，可以单步调试，在原来的模块中，一级一级的调试，看有没有信号，我就是这样一级一级的调试检查的，下面这幅图可以生成与用模块生成的一样的效果。

再检查完毕之后去掉一些多余的，生成模块：

四、仿真结果（频谱）

1、显示混频后输出的频谱，如下图：

2、设置x轴的显示范围，显示0-400MHz我们关注的这段频谱，100MHz是-48.742dbm。

3、显示“vout”的输出表：

4、在混频器设计中，本振的功率输出在很大程度上决定了最终中频输出信号的质量，所以在功能仿真时也需要分析最佳的本振功率输入值。

5、完成设置后，仿真。

6、添加“congain=dbm(mix(vout，{-1，1}））+20”这个公式。并仿真显示，得到变频增益与本振输入信号频率之间的关系。

五、混频器三阶交调点仿真

1、将原先的信号源改为“P_nTone”，分别作为仿真器混频器三阶交调点的射频输入端。

进行设置

2、继续添加两个变量

3、选择“Source-Freq Domain”元件面板，从面板中选择测量公式控制器Meas Eqn，插入到原理图中，通过设置公式来对三阶交调点进行仿真。

4、对谐波平衡法仿真控制器进行设置

原理图如下：

5、进行仿真

仿真之后进行显示：设置范围为99MHz~101MHz。

仿真的结果，落在中频输出信号附件的交调频率信号，如下：

6、显示输入三阶交调点与本振输入信号频率之间的关系

7、用[List]显示“ip3output”和“IF3input”之间的关系。

可以看的随着本振功率增大，输出三阶交调点和输入三阶交调点都逐渐增大。

以上就说混频器设计的过程，关于指标没用达到，则需要对参数进行调整和修改。对混频器参数的不同，在方法和设置上也有不同，我的这个参数与书上的参数差的很远，因为在设置MOS管模型时有几个参数没有找到而没有设置，但是我注重的是这个过程，再要真正使用的适合我再进行细致研究。