电子与信息工程毕业论文：双平衡二极管混频器的分析与设计.doc

1、 本 科 毕 业 设 计 双平衡二极管混频器的分析与设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 混频器应用于移动通信和微波通信以及各种高精度的微波测量系统中的前端电路，是射频系统中的一个关键部分，其性能 的好坏直接影响到整个系统的性能。本文用 ADS软件设计了一个双平衡二极管混频器。最后通过仿真得到了二极管双平衡混频器的三阶交调等参数。 本文介绍了混频器的发展状况、混频二极管以及利用它们来实现混频的优缺点。给出了混频器相关的概念和指标，还有各种不同结构的混频器电路及其指标的差异。探讨了二极管环形混频电路的工作原理，通过分析和计算，得出最

2、终输出电流的组合频率分量。按采用的非线性器件不同，常用的混频器有三极管混频器、二极管混频器和集成模拟乘法器构成的混频器，此外，还有采用变容二极管等非线性元器件构成的混频 器。其中，二极管混频器主要应用于工作频率较高的无线电超外差式接收机 (如米波段及微波接收机 )或仪器中。其优点是电路结构简单，噪声低，工作频段宽，组合频率少。它的电路形式有单管式、平衡式及环形式 (也称为双平衡式 )等。在此主要讨论双平衡二极管混频器，对其电路进行仿真分析。采用在输出端加切比雪夫滤波器的方式滤除高次组合谐波；根据输出增益来确定最佳的本振输入功率。最后给出双平衡二极管混频器的三阶交调系数。 关键词 ： 混频电路；

3、二极管环形混频器；三阶交调； II Abstract Mixers used in mobile communications and microwave communications, and various high-precision microwave measurement system in the front-end circuits, RF systems is a key part of its performance directly affects the performance of the whole system.This software is designed

4、with the ADS, a double-balanced diode mixer.Finally, the simulation has been double-balanced diode mixer third-order intermodulation and other parameters. This article describes the development of the mixer, mixer diodes and their use to achieve the mixing of the advantages and disadvantages.Mixer o

5、btained related concepts and indicators, as well as a variety of different structures mixer circuit and index difference.Ring of a diode mixer circuit works, through analysis and calculations.Arrive at a final combination of the output current frequency components.Analysis: the diode characteristics

6、 are not matching.Transformer center tap asymmetry.The isolation between ports is not ideal, there is always a very small amount of power in the collusion between the various ports.Nonlinear devices by using different mixers are commonly used in transistor mixers, mixer diodes and integrated analog

7、multiplier consisting of mixer, in addition, there are used non-linear components such as varactor diodes constitutemixer.Among them, the diode mixers are mainly used in high frequency radio superheterodyne receiver (such as the level meter band microwave receiver) or the instrument.The advantage of

8、 simple structure, low noise and wide frequency band, the combination of low frequency.It forms a single-tube circuit, balanced and ring forms (also known as double-balanced) and so on.Mainly discussed in this double-balanced diode mixer, its circuit simulation analysis.Used at the output Gatchen wa

9、y Chebyshev filter combination filter high harmonics; according to the output gain to determine the best local oscillator input power.Finally, double-balanced diode mixer third-order intermodulation coefficients. Key words: mixer circuit; diode ring mixer; third order intermodulation; . III 目 录 第 1

10、章 绪论 . 1 1.1 混频器的产生和发展 . 1 1.2 论文的主要工作 . 1 第 2 章 混频器的工作原理及分类 . 2 2.1 混频的概述 . 2 2.2 混频器的分类 . 2 2.4 混频器类型 . 3 第 3 章 混频器的设计与仿真 . 7 3.1 混频器参数 . 7 3.2 双平衡二极管混频器的分析与设计 . 8 3.2.1 混频器电路设计 . 8 3.2.2 变量设置 . 10 3.2.3 仿真器配置 . 10 3.3 肖特基二极管 . 12 3.4 中频输出端低通滤波器设计 . 13 3.5 混频器本振功率的选择 . 18 3.6 混频器三阶交调分析 . 19 结论 . 2

11、5 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 26 1 第 1 章 绪论 1.1 混频器的产生和发展 混频器已被广泛应用于移动通信，微波通信，以及各种高精密微波前端电路测试系统，射频系统是其性能的关键部分，直接影响到整个系统的性能。通信工程和无线电技术，被广泛用于调制系统中，输入基带信号，通过转换进入高频率的调制信号。在解调过程中，收到的信号调制高频频率也将受到相应的中频信号转换。特别是在超外差接收器，混频器被广泛使用，如 AM 广播接收器将有一个 535KHz 调幅信号，可用 1000Hz 的本振将其变频为 465KHz的中频信号 。 在为 了提高发射机的发射频率，多级发射器的稳定性。以

12、较低的频率作为主振荡器晶体振荡器，产生一个非常稳定的高频主振信号，然后通过加，减，乘，除法运算转化成无线电频率，所以必须使用混频器电路，如转让发送和接收频道的电视转换，卫星通信上行，下行频率转换等，必须使用 混频器 。 因此，混频器电路是电子技术和无线电专业应用必须掌握的关键电路。 双平衡混频器在相位检测技术也有应用。因此，该混频器已经发展成为一个专门的技术进行开发。 混频器是在第二次世界大战中，伴随着雷达接收机而产生的。在战争中为了增加雷达的作用距离，人们试图从三个途 径进行分析研究。 首先，增加传输功率。增加传输功率可以增加雷达范围，但随着发射功率的逐渐增加，不仅成本高昂，而且超大功率会造

13、成空间的电磁污染，影响人体健康。 第 二，增加天线的面积。由于天线尺寸的增加，增强了弱信号接收能力，从而提高了系统的接收灵敏度，使雷达的距离增加。但是，天线的面积，加工和伺服系统增加将使系统设备复杂，制造困难，且要付出高昂的成本。 第三，降低混频器的接收器噪声系数，以提高雷达的范围。采用低噪声接收机可提高灵敏度，因此，尽量减少内部的接收器的噪声。因此，这种方法既经济又有 效的方式。 按采用的非线性器件不同，常用的混频器有三极管混频器、二极管混频器和集成模拟乘法器构成的混频器，此外，还有采用变容二极管等非线性元器件构成的混频器。其中，二极管混频器主要应用于工作频率较高的无线电超外差式接收机 (如

14、米波段级微波接收机 )或仪器中。其优点是电路结构简单，噪声低，工作频段宽，组合频率少。 1.2 论文的主要工作 本论文主要工作先了解 混频器的产生、发展和应用。 学习基础知识： 混频器相关知识学习。 S 参数。微波技术（微波电路）和高频电子线路混频器异同。半导体原理相关方面的内容。深入了 解混频器的原理，作用及设计方法以及了解半导体二极管特性及混频器的分类。 对于仿真软件学习： ADS 学习。最后 使用 ADS 软件设计混频器，使用 ADS 软件对混频器的参数进行优化，仿真。 2 第 2 章 混频器的工作原理及分类 2.1混频的概述 混频，又称变频，也是一种频谱的线性搬移过程，它是使信号自某一

15、个频率变换成另一个频率。完成这种功能的电路称为混频器（或变频器）。 混频原理及特点 :混 频是频谱的线性搬移过程。在前面的分析已知，完成频谱的线性搬移功能的关键是要获得两个输入信号的乘积，能找到这个乘积项，就可完成所需的线性搬移功能。设输入到混频中的输入已调信号 us 和本振电压 LU 分别为：这两个信号的乘积为 )c o s c o s c o s1 c o s c o s c o s c o s2s L s L t c Ls L t L c L cu u U U ttUU ( ( t( ) t2-1 若中频 I L Cf f f，上式经带通滤波器取出所需边带，可得中频电压为 co s co

16、 sI I t IuU t 2-2 由此可得完成混频功能的原理框图，如图 2.1 (a)所示。也可用非线性器件来完成，如图 2.1 (b) 所示。 图 (a) 混频功能的原理框图 图 (b) 非线性器件 混频功能的原理框图 2.2 混频器的分类 混频器分两大类，即混频和变频。是由单独的振荡器提供本振的混频电路称为混频器。suUs 带通滤波器 UT Ui 3 为了简化电路，振荡和混频功能由一个非线性器件（用同一晶体管）完成的混频电路称为变频器。有时也将振荡器和混频器两部分结合起来称为变频器。变频器是四端网络，混频器是六端网络。在实际实用中，通常将“混频”与“变频”两词混用，不再加以区分。 混频技

17、术的应用十分广泛，混频器是超外差接收机的关键部分。直接式接收机是高频小信号检波（平方律检波），工作频率变化 范围大时，工作频率对高频通道的影响比较大（频率越高，放大量越低，反之超外差技术后，将接收信号混频到一固定中频，放大量基本不受接收频率的影响，这样，频段内信号的放大一致性较好，灵敏度可以用良好的滤波电路。采用超外差接收后，调整方便，放大量、选择性主要由中频部分决定，且中频较高频信号的频率低，性能指标容易得到满足。混频器在一些发射设备（如单边带通信机）中也是必不可少的。在频分多址（ FDMA)信号的合成、微波接力通信等系统中也是有其重要地位。此外，混频器也是许多电子设备、测量仪器（如频率合成

18、器、频谱分析仪等）的重 要组成部分。 2.4 混频器类型 图 3.7.1 晶体管混频电路原理图。 图中 11LC 调谐于输入信号 su 的载频 Cf , 22LC 调谐于中频 If , 本振 LU 与 VBB0 迭加后作为偏置电压。 图 2.2 晶体管混频电路原理图 由于 sU 振幅很小 , lU 振幅较大 , 所以可视为线性时变工作状态。采用上节的分析方法 , 参照式可以看到 , Ci 中含有的组合频率分量为 : 0 1 2LC| n f f |, n , , . | 2-3 其中中频电流分量为 : 1 c o s 2 I s t I L C i g U f I , f f - f 2-4

19、4 上式中 SU 是 Su 的振幅 , 1g 是晶体管跨导中的基频 L(f) 分量振幅。可令式中 1n , 1 l , 对 g(t) 进行积分而求出 1g , 而跨导 LBBBBBBBEBEic uVtVVuutg 0)(,|2-5 若定义混频跨导SLc UIg 即中频电流振幅 II 与输入信号振幅 Us 之比 , 则有 : 112Cgg 若 22LC 回路总谐振电导为 g , 则可以求得混频电压增益 11 Cuc S Z S gUIA U g U g 给混频电路提供的本振信号可以由单独的振荡电路产生 , 也可以由混频晶体管本身产生。由一个晶体管同时产生本振信号、实现混频的电路通常称为变频器。

20、图 3.7.2 给出了一个典型收 音机变频器电路。在图 2.3 中 , 输入信号 SU 和本振信号 lU 分别加在晶体管的基极和发射极上 , 输出中频信号 IU 由连接集电极的谐振回路取出。本振电路是由晶体管、振荡回路 (L4C6、 C7、 C8)和反馈电感 L3 组成的变压器耦合反馈振荡器。 双联可变电容作为输入回路和本振回路的统一 调谐电容 , 使得在整个中波波段内 , 本振频率 If 均与输入载频 Cf同步变化 , 二者之差恒等于中频 If 。 图 2.3 变频器电路 变频器的优点是电路简单 , 节省元器件 , 缺点是本振频率容易受信号载频的牵引 , 无法兼顾使振荡与混频都处于最佳工作状

21、态 , 且一般工作频率不高。 （ 1） . 图 2.2(a)是二极管平衡混频电路原理图 , (b)是其等效电路。由图可见 , 若忽略输出电压 IU的反馈作用 , 则加在两个二极管上的电压分别是： 5 12LSLSu u u u u -u 2-6 Su 很小 , LU 很大 , 故二极管工作在受 LU 控制的开关工作状态。若不考虑输出回路电压的反馈作用 , 采用分析方法 , 流过两个二极管的电流可分别写成 : 1121D t L Sd t L Si g K ( L ) ( u u ) i G k ( L ) ( u - u ) 2-7 输出回路电流 1 2 12 D t Si i - i g K

22、 (L ) u 2-8 将式代入 , 可求得 i 中的组合频率分量为 c 和 | ( 2 n - 1 ) |, n 1 , 2 , .LC 其中中频电流分量为： 式中 Us和 Dg 分别是信号 sU 的振幅和二极管电导。考虑到输出电压的反馈作用 , 实际中频电流要比上式小一些。 双平衡 (环形 )混频电路可看成是由两个二极管平衡混频电路组成。在 lU 正半周 , 二极管V1、 V2 导通 , 对应的开关函数为 1 tK(L) ； 在 lU 负半周 , 二极管 V3、 V4 导通 , 对应的开关函数为 1 tK(L-) 。 1 2 3 4 1 1 22 2 D S t t D t i ( i -

23、 i ) - ( i - i ) g u K ( L ) - K ( L- ) g u s K ( L) 2-9 代入 , 可求得 i中的组合频率分量为 2 1 1 2 3LC| ( n - ) |, n , , , . . . . 其中中频电流分量为 : c o sI D S L Ci g U ( - )t 图 2.4 二极管平衡混频电路原理图 平衡混频电路与环形混频电路输出的无用组合频率分量均比晶体管混频电路少 , 而环形电路比平衡电路还要少一个 C 分量 , 且增益加倍。 二极管平衡与环形电路也可广泛用于调幅、 检波等其它方面 , 但主要仍用于混频 , 这是因为其增益小 于 1, 但工作频率很高的特点。 6 图 2.5 二极管环形混频电路原理图