第5章〓混频器设计 混频器是射频微波电路系统中不可或缺的部件。无论是微波通信、雷达、遥控、遥感，还是侦查与电子对抗，以及许多微波测量系统，都必须把微波信号用混频器降到中频来进行处理。因为集成式混频器体积小，设计技术成熟，性能稳定可靠，而且结构灵活多样，可以适合各种特殊应用，所以集成电路混频器是当前混频器市场中的主流。 5．1混频器设计理论 5．1．1主要设计指标 混频器的主要性能指标有： 增益、噪声系数(noise factor,NF)、线性度、端口间隔离度等。 (1) 转换增益 混频器的增益为频率变换增益，简称变频增益，定义为输出的中频(IF)信号大小与输入射频(RF)信号大小之比。电压增益Av和功率增益GP分别定义为 AV=VIFVin GP=PIFPin 混频器的射频端口与低噪声放大器相连接时需要滤波器滤除无用的频率成分，那么射频端口的输入阻抗必须和滤波器的输出阻抗匹配一致，一般情况下为50Ω。当中频输出端口与射频输入端口阻抗不一致时，功率增益和电压增益的关系如下： GP=PIFPin=V2IF∕RLV2RF∕RS=A2VRSRL (2) 噪声系数 噪声系数(NF)的定义为： 输入端与输出端各自信噪比之比，如下式所示。 F=SNRinSNRout=Sin∕NinSout∕Nout 式中，SNRin为输入端信噪比，即输入信号功率与输入噪声功率之比(Sin/Nin)； SNRout为输出端信噪比，即输出信号功率与输出噪声功率之比。在工程上，噪声系数通常用单位dB来表示，单位换算如下式所示。 NF=10lgF=10lgSNRinSNRout=10lgSin∕NinSout∕Nout 根据混频器的射频信号与本振信号来源是否一致，可以将噪声系数划分为： 单边带(SSB)、双边带(DSB)。在外差式太赫兹探测系统中，混频器会把太赫兹信号和噪声信号频谱搬移至可以采样的低中频信号，由于外差式混频器的输入端频谱只有单边带，因此此时的噪声系数也被称为单边带噪声系数； 而对于自混频太赫兹探测系统，由于射频信号频率与本振信号频率一致，并且自混频器不存在无用的镜像信号，所以此时的噪声系数被称为双边带噪声系数。一般而言，二者关系如下式所示： NFDSB=NFSSB-3dB (3) 线性度 混频器对输入射频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。 图511dB压缩点示意图 ① 1dB压缩点 1dB压缩点定义： 在一定范围内，混频器的输出功率与输入功率保持理想线性关系，但是随着输入功率的不断增加，二者便不再保持此关系，当实际输入功率比理想输入功率低1dBm时所对应的点被称为1dB压缩点，如图51所示。一般情况下，当输入信号功率大于1dB压缩点的功率时，转换增益将快速达到一个临界饱和点并下降，该饱和点值一般比1dB压缩点大3~4dB。 ② 三阶互调截点 设混频器输入两个射频信号fRF1和fRF2，它们的三阶互调分量2fRF1-fRF2，(或2fRF2-fRF1)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分量相等的输入信号功率记为IIP3(或对应的输出信号功率记为OIP3)。 (4) 端口间隔离度 混频器各端口间的隔离度不太理想会产生以下几个方面的影响： 本振(LO)端口向射频(RF)端口的泄漏会使LO大信号影响低噪声放大器的工作，甚至使其通过天线辐射； RF端口向LO端口的串通会使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LO输出频率； LO端口向中频端口的串通，LO大信号会使以后的中频放大器各级过载； 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，因此会被中频滤波器滤除，不会影响输出中频。 (5) 阻抗匹配 对混频器的3个端口的阻抗要求主要有两点。第一是要求匹配，混频器RF及RF端口的匹配可以保证与各端口相接的滤波器正常工作，LO端口的匹配可以有效地向本地振荡器汲取功率； 第二个要求是每个端口对另外两个端口的信号力求短路。 5．1．2设计方法 下面给出混频器的一般设计方法供读者参考。 (1) 混频器的结构选取 目前研究的混频器拓扑结构主要有4种，分别是单平衡无源混频器、双平衡无源混频器、单平衡有源混频器、双平衡有源混频器。 单平衡无源混频器具有结构简单和噪声较低的特点，因为它没有外部电源提供能量，所以总对输入的射频信号造成损耗，转换增益小于1。但因为使用较少的无源器件，所以噪声系数较低。其电路 等效拓扑 结构如图52所示。 图52单平衡无源混频器 结论： 尽管其结构简单，且噪声系数低，但是因为它不能提供转换增益且隔离度较差，所以只能应用于对增益没有要求的场景，应用范围较小。 双平衡无源混频器具有共模抑制能力强、线性度较高的特点，因为由无源器件构成，所以它可以提供更高的线性度和更好的带宽性能。双平衡结构由两路单平衡构成，所以可以很好地抵消LO信号。其拓扑结构如图53所示。 结论： 双平衡无源混频器依旧只适用于不要求增益的场景，且需要高功率的LO信号也限制了它的使用。但是如果对线性度和带宽这两个指标有要求，可以选取这种拓扑结构。 在射频系统中，应用最多的还是有源混频器。单平衡有源混频器可以为系统提供转换增益，这也就稍稍放松了对前级电路的增益要求，而且典型的本振驱动功率仅仅只需0dBm，远低于无源混频器。其电路拓扑结构如图54所示。 图53双平衡无源混频器 图54单平衡有源混频器 结论： 单平衡有源混频器的结构相对简单，噪声较低，同时可以平衡LO波形，即使单端输入也能提供差分输出。缺点就是隔离度较差，会有LO信号泄漏到中频输出端口。 双平衡有源混频器可视为由两路单平衡有源混频器组成，LO端口与中频端口的隔离性能很好，因为双平衡结构中，输出电流是以两个差分对电流以相反的相位叠加，抵消了LO信号向中频的泄漏。双平衡有源混频器拓扑结构如图55所示。 图55双平衡有源混频器 结论： 双平衡有源混频器是有源混频器中最为普遍的电路形式，它具有增益高、隔离度好、线性范围大等优点，是在低频范围内的最好选择。但是，在频率较高时，因为寄生参数的影响，其噪声系数会很大，所以并不适用于高频。 综上所述，读者应先根据自己的设计需求选择一个合适的混频器结构。 然后，可按以下步骤进行设计。 (2) 根据增益要求设计跨导级和负载。 (3) 设计开关级和电流注入的大小。 (4) 判断是否满足设计的线性度要求，满足则继续，不满足则重新设计跨导级和负载。 (5) 判断是否满足设计的噪声要求，满足则继续，不满足则重新设计开关级和电流注入的大小。 5．2ADS设计混频器实例 为了明确设计过程，使读者能尽快掌握一般混频器的设计方法，本案例以吉尔伯特单平衡结构混频器的设计为例讲解使用ADS仿真的方法。 设计指标： (1) 本振信号频率3．59GHz； (2) 射频信号频率3．6GHz； (3) 变频损耗<19dB； (4) 噪声系数<30dB； (5) 1dB压缩点功率>-15dBm； (6) 三阶交调点功率>-3dBm； (7) 在满足指标要求基础上，功耗尽可能低。 5．2．1输出端口隔离度 本次设计一个吉尔伯特单平衡结构的混频器，新建一个如图56所示的端口电路图，并保存，以便后面方便产生端口。 图56端口电路图 在原理图界面的元器件面板中调用S参数控件和网表控件，并加入仿真端口Term，原理图如图57所示。 图57修改之后电路图 单击 图标进行仿真，在数据显示窗口中，单击 图标，选择S(2,1)，如图58所示。 图58输出显示窗口 同样地再分别选择S(2,3)，S(1,3)，便可以得出输出端口隔离度，如图59所示。 图59输出端口隔离度 如图59所示，S（2，1）代表本振信号输入端口与射频信号输入端口之间的隔离度，在3．5~3．7GHz频段内，S（2，1）最大值为-330dB，说明本振端口与射频端口之间的隔离度很高。S（2，3）代表输入的射频信号泄漏到中频信号输出端口的程度，在3．5~3．7GHz频段内，S（2，3）最大值为-324dB，表明射频端口与中频端口的隔离度也很好。S（1，3）是本振信号输入端口与中频信号输出端口之间的隔离度，这是衡量一个混频器性能好坏的重要指标，因为单平衡结构会导致本振信号泄漏到中频，所以需要将S（1，3）控制得尽可能小。在3．5~3．7GHz频段内，S（1，3）的值均小于-21dB，说明本振输入端口与中频输出端口之间的隔离度较好。 5．2．2本振功率对噪声系数的影响和转换增益的影响 回到ADS主界面，单击菜单New Symbol，将图56所示的端口电路创建一个symbol，如图510所示。 在Symbol Type项选择Quad,默认产生端口，如图511所示。 图510创建symbol 图511产生的端口 保存原理图以及生成的端口，命名为cell_2。再次新建一个原理图，命名为test2。 在新建的原理图中，单击 图标，选择Workspace Librariess 中的cell_2 添加刚才产生的端口，如图512所示。 图512选择端口 添加后的端口如图513所示。 图513放置端口 放置完端口后，建立测试电路，如图514所示。其中LO偏置电压为1．8V，电源电压为2．5V，端口1和2的输入功率分别为lopower和rfpower，选用单位为dBm，选用LO频率为LO_freq，射频端频率为RF_freq。 图514测试电路 测试电路建立完毕后，添加HB仿真控件，参数设置如图515所示。一般情况下，LO功率要大于RF功率，所以Freq［1］中填写的是功率最大的LO_freq。 噪声部分设置。需要设置Noise(1)，如图516所示。其中10MHz为我们所需的中频频率，由RF_freq-LO_freq得到。 图515HB仿真控件参数设置 图516Noise(1)设置 设置Noise(2)，选择电路图中标注的输出标签节点vpx，具体设置如图517所示。 图517Noise(2)设置 完整的原理图如图518所示。 单击 图标运行仿真，在数据显示窗口界面单击 图标，选择nf(3),得到nf(3)的噪声系数输出如图519所示。 在数据显示窗口界面单击 图标，选择输出vpx节点输出频谱分量，如图520所示。 输出频谱分量，如图521所示。 再次单击 图标，从弹出对话框中选择双边带噪声系数NFdsb和单边带噪声系数NFssb，结果如图522和图523所示。 回到原理图界面，双击谐波平衡仿真控件，单击Sweep选项，选择扫描参数为lopower，扫描方式选择Linear，扫描范围为-10~20，步长为1。如图524所示。 运行仿真，查看本振功率对噪声系数的影响。当本振功率为17dB时，噪声系数为19．586，如图525所示。 图518完整的原理图 图519nf(3)噪声系数 图520输出vpx频谱设置 图521中频输出频谱和谐波分量 图522选择NFdsb和NFssb 图523NFdsb和NFssb的噪声系数 图524扫描参数设置 图525扫描噪声系数 在谐波平衡仿真元器件面板中选择图标 ，并且添加到原理图中，编写变频增益的测试方程，如图526所示。 图526测试方程 再设置HB仿真控件参数，如图527所示，扫描参数为lopower，扫描方式选择Linear，扫描范围为-10~30，步长为1。其他标签栏暂不作修改。 图527扫描功率设置 修改之后，完整的电路图如图528所示。 图528完整电路图 运行仿真，打开数据显示窗口，单击 图标，将ConvGain添加到显示项中，如图529所示。 图529添加变频损耗(增益) 得到混频器变频损耗随本振功率变化情况，如图530所示。 图530本振功率和变频损耗的关系 5．2．31dB压缩点的仿真 执行菜单命令File—Save as．．．将原理图另存为Test_2,命名为1dB，如图531所示。 图531原理图另存为Test_2,命名为1dB 单击HB仿真控件，其参数扫描设置如图532所示。注意此时的扫描参数对象为rfpower。 图532功率扫描参数设置 仿真电路图如图533所示。 图533仿真电路图 单击图标 运行仿真，在仿真结果窗口中单击 图标，输入gain和理想线性增益line的公式，采用IFpower和rfpower的关系图可以读出1dB压缩点，如图534所示。 图534IFpower和rfpower的关系图 也可以写出公式XDB=lineHB．P_IF，用数据列表的方式验证上面的结论，如图535所示。 图5351dB压缩点 读出1dB压缩点，即在射频输入功率为-14dBm时。 5．2．4三阶交调点的仿真 定义一个新的变量spacing为100kHz，将电路中RF输入端的源换成双频，如图536所示。 图536更换相应参数以及器件 设置PORT2的参数如图537所示。 设置HB仿真控件，Freq选项的设置如图538所示，Sweep选项的设置如图539所示，注意，此时是没有扫描变量的。 在电路中添加IP3out控件，设置参数如图540所示。 单击 图标进行仿真，在仿真结果窗口单击 图标，将lower_toi和upper_toi添加到显示项中，如图541所示。 得到三阶交调点处的输出功率如图542所示。 在原理图中添加一阶交调量和三阶交调量公式，如图543所示。 双击HB仿真控件，设置功率扫描参数，如图544所示。 完整的电路图如图545所示。 图537PORT2的参数设置 图538谐波平衡控制器Freq选项设置 图539谐波平衡控制器Sweep选项设置 图540IP3out控件参数设置 图541输出三阶交调点设置 图542三阶交调点处的输出功率 图543添加交调量公式 图544功率扫描参数设置 图545完整的电路图 单击 图标进行仿真，在仿真结果窗口单击 图标，将tone_1和tone_2添加到显示项中，如图546所示。 图546输出一阶交调量和三阶交调量设置 得到一阶交调量和三阶交调量的曲线如图547所示。 图547一阶交调量和三阶交调量的曲线 延长一阶交调量和三阶交调量斜率为1∶3的部分(近似为一条直线)，交点处的rfpower即为输入三阶交调点,在-2dB左右。 5．3Cadence仿真实例 本节使用一个gpdk090工艺的单平衡混频器作为设计实例，说明混频器的基本仿真设计流程和ADE仿真方法。用于仿真的单平衡混频器电路原理图如图548所示。 图548单平衡混频器电路原理图 射频电路设计过程中为了模拟实际电路中的50Ω阻抗匹配和端口网络，在输入和输出端接入“port”，如图548中的射频输入Prf、本振输入Plo和中频输出Pif。在射频输入端口、本振输入端口和中频输出端口加入隔置电容Cprf、Cplo1、Cplo2、Cpif1和Cpif2。在射频输入端口和本振输入端口通过电阻Rb1、Rb2和Rb3，连接直流偏置电压Vcm和Vbias。电路元器件相关参数如表51所示，电源与偏置电压如表52所示。 表51元器件相关参数 R1、R2 50Ω Rb1、Rb2 500Ω续表 Rb3 500Ω Cplo1、Cplo2 5nF Cprf 5nF Cpif1、Cpif2 5nF M1 长： 100nm； 宽： 8μm； 指数： 4 M2、M3 长： 100nm； 宽： 10μm； 指数： 6 表52相关电压参数 VDD 1．2V Vcm 900mV Vbias 600mV 5．3．1混频器电路DC仿真 在初步确定混频器电路结构和元器件相关参数后就可以在Cadence中建立电路原理图并开始仿真，具体步骤如下。 (1) 新建原理图，命名为mixer。 (2) 调入元器件并连线，电路原理图如图549所示，然后单击check and save对电路进行检查并保存。本振输入port Plo 设置如图550所示、射频输入port Prf设置如图551所示、中频输出port Pif 设置如图552所示。 图549混频器电路仿真图 ◆使用gpdk090工艺库中的nmos1v器件，设置NMOS管M1的栅长为l1，栅宽为w1，栅指数为f1，M2和M3的栅长为l2，栅宽为w2，栅指数为f2； ◆使用analog库中的电阻，负载电阻R1和R2的值为50Ω，偏置电阻Rb1和Rb2的值为500Ω，偏置电阻Rb3的值为500Ω； 图550本振port参数设置 图551射频port参数设置 图552中频port参数设置 ◆使用analog库中的直流电压源V0作为VDD，并设置变量dc voltage 为v1； 直流电压源V1作为Vcm，并设置变量dc voltage 为v2； 直流电压源V2作为Vbias，并设置变量dc voltage 为v3。 (3) 再次单击check and save对电路进行检查并保存，在原理图界面单击菜单Launch—ADE L，打开仿真工具ADE，在ADE界面中首先单击菜单Setup—Model Libraries，确认仿真模型是否设置正确，如图553所示，应为gpdk090．scs文件，Section为NN。 图553仿真模型设置正确验证结果 (4) 单击菜单Variables，选择Copy from Cellview项，将各变量复制到ADE的变量栏中，双击各变量，w1设为10u，w2设为8u，f1设为6，f2设为4，v1设为1．2，v2设为900m，v3设为600m。依次单击菜单Analyses—Choose，选择dc分析，勾选Save DC Operating Point，dc设置如图554所示，单击OK保存。 图554dc仿真设置 (5) 最后得到的ADE界面如图555所示。然后单击右侧netlist and run绿色图标，运行仿真。 图555ADE设置界面 (6) 查看DC仿真结果，在ADE界面依次选择Results、Print、DC Operating Points，然后单击选中的MOS管就可以查看管子的工作状态和MOS管的阈值电压等参数，如图556与图557所示为开关级MOS管和跨导级MOS管的参数。再依次选择Results、Annotate、DC Operating Points和DC Node Voltages，查看各个节点的电压和MOS管的Vds和Vgs等，结果如图558所示。 由图556、图557与图558可知，开关级MOS管的阈值电压Vth约为255mV，Vgs约为420mV，Vds约为560mV，满足Vds>Vgs-Vth，所以开关级MOS管工作在饱和区，此时开关级MOS管跨导gm为34．8957mS。跨导级MOS管的阈值电压Vth约为230mV，Vgs约为600mV，Vds约为480mV，满足Vds>Vgs-Vth，所以跨导级MOS管也工作在饱和区，此时跨导级MOS管跨导gm为26．5794mS。综上所述，混频器的MOS管都处于饱和区，满足电路的工作需求，可以初步实现电路的功能。 图556开关级MOS管参数 图557跨导级MOS管参数 图558各个元器件电压电流相关参数图 5．3．2端口隔离度仿真 (1) 在ADE界面单击菜单Analyses—Choose，弹出对话框，选择sp进行S参数仿真，查看端口之间的隔离度，在 Ports栏单击Select，然后依次在原理图中选择射频输入Port Prf、本振输入Port Plo和中频输出Port Pif。在 Sweep Variable项选Frequency，在Sweep Range项选StartStop后填入开始与截止频率，分别为3．5GHz和3．8GHz。 Sweep Type项选择Automatic，然后单击保存。sp仿真设置如图559所示。 (2) 单击Simulationnetlist and Run，开始仿真。仿真结束后，单击Results—Direct Plot—Main Form，弹出Direct Plot Form对话框，依次单击sp—Rectangular—dB20,界面如图560所示。 图559sp仿真设置 图560sp仿真结果查看 (3) 最后，单击S21，S13，S23查看端口之间的隔离度，结果如图561、图562和图563所示。 图561S21结果图 图562S13 仿真结果图 图563S23仿真结果图 如图561所示，S21代表本振信号输入端口与射频信号输入端口之间的隔离度，在3．4GHz~3．7GHz频段内，S21最大值为-230．612dB，最小值为-231．15dB，说明本振输入端口与射频输入端口之间的隔离度很高。如图562所示，S13是本振信号输入端口与中频信号输出端口之间的隔离度，这是衡量一个混频器性能的重要指标，因为单平衡结构会导致本振信号泄漏到中频，在3．4GHz~3．7GHz频段内，S13的值均小于-33．33dB，说明本振输入端口与中频输出端口之间的隔离度较好。如图563所示，S23代表输入的射频信号泄漏到中频信号输出端口的程度，在3．4GHz~3．7GHz频段内，S23最大值为-267．78dB，S23最小值为-269．12dB，表明射频输入端口与中频输出端口的隔离度也满足要求。 5．3．3混频器谐波仿真 (1) 在ADE界面单击菜单Analyses—Choose，弹出对话框，选择pss进行仿真，在Beat Frequency栏输入100M，并选择 Auto Calculate。100MHz是中频信号的频率。在Output harmonics项的 Number of harmonics栏输入仿真的谐波数为36，这样100MHz×36=3．6GHz，就覆盖了仿真观察的范围。仿真精度 Accuracy Defaults项选择moderate，如图564所示，单击OK，完成设置。 (2) 单击Simulation—netlist and Run，开始仿真。仿真结束后，单击Results—Direct Plot—Main Form命令，弹出Direct Plot Form对话框，分别单击pss—Voltages—pectrum—peak—dB20查看仿真结果,结果查看设置如图565所示。 图564pss仿真设置 图565pss仿真结果查看设置 (3) 电路中有一个箭头显示，用箭头单击中频输出port Pif，谐波仿真结果如图566所示。在仿真结果输出界面中，依次选择Marker—Place—Trace Marker或者按键M对输出的波形进行标注。 图566混频器谐波仿真结果 由图566可知，中频信号基波分量的功率为-36．36dBm，三次谐波的功率为-96．22dBm，五次谐波的功率为-97．18dBm，七次谐波的功率为-99．67dBm。根据仿真结果可知混频器的变频损耗为6．36dB，由此可见，混频器的基本功能已经实现。 5．3．4混频器噪声系数仿真 噪声系数是衡量混频器性能的一个重要参数，下面介绍混频器噪声系数如何仿真。 (1) 在混频器的电路图中，选择射频输入port—Prf，然后在菜单栏中依次单击Edit—Properties—Objects，或者选中Port直接按键Q，弹出Port的属性对话框，将源类型Source type由sine改为dc，如图567所示，单击OK按钮。 (2) 在ADE的界面窗口中，相关变量设置保持原来的数值不变。单击Analyses—Choose，弹出对话框，选择pss 进行仿真，在Beat Frequency栏输入3．6G，并选中 Auto Calculate。在Output harmonics项的 Number of harmonics栏输入仿真的谐波数为0，这样噪声分析只对本振信号产生响应。仿真精度Accuracy Defaults项选择moderate，如图568所示，单击OK，完成设置。 (3) 在ADE界面单击Analyses—pnoise命令，在Output Frequency Sweep Range项的 Start和Stop栏分别输入扫描开始频率 1K和扫描结束频率4．5G。Sweep Type项选择Logarithmic形式，同时选择Points Per Decade，输入 10，代表每个频程扫描10个点。在Maximum sideband栏中输入仿真谐波数为36。Output项的Positive Output Node栏中，选择中频port的正端，Negative Output Node栏中选择 gnd！。同样的操作，在Input Source栏中选择射频port作为输入源。最后在Reference SideBand栏中输入 -1，这个代表进行下混频仿真，完成设置如图569所示。 图567噪声系数仿真射频port设置参数图 图568噪声系数仿真pss设置 (4) 在ADE界面依次单击Stimulation—Netlist and Run，开始仿真。仿真完成后，依次Results—Direct Plot—Main Form，弹出 Direct Plot Form对话框，在对话框中依次选择pnoise—Noise Figure,如图570所示。单击Plot，输出噪声系数波形如图571所示，按键M对波形进行标注。 混频器的噪声系数是衡量混频器性能的重要指标，如果性能达不到设计要求，则要重新设计优化混频器的开关级与电流注入。中频信号包含有用的射频信号、射频噪声和镜像频率噪声，如图571所示，在中频100MHz处输出时噪声系数为17．85dB，满足设计要求。 5．3．5混频器变频增益仿真 在对混频器的噪声系数仿真后，本节对其变频增益进行仿真。 图569pnoise仿真参数设置 图570pnoise仿真结果查看设置 图571噪声系数仿真结果图 (1) 在混频器电路图中，选中射频Port，按照5．3．4节中的（1）来设置射频port的相关参数。 (2) 在ADE界面窗口中，相关变量设置保持不变。单击Analyses—Choose，弹出对话框，选择pss进行仿真，在Beat Frequency栏输入3．6G，并选中Auto Calculate。在Output harmonics项的Number of harmonics栏输入仿真的谐波数为0，这样变频增益只对本振信号产生响应。仿真精度Accuracy Defaults项选择moderate，如图568所示，单击OK，完成设置。 (3) 在ADE界面选择Analyses—pxf命令，在Output Frequency Sweep Range项的start栏输入开始扫描频率1M，在Stop栏输入结束扫描频率300M。在Sweep Type项中选择Linear形式，并选择Number of Steps，输入300，表示线性地扫描300个点。在Sidebands项的Maximum sideband栏输入边带数为3。在Output项的Positive Output Node栏中，单击Select，用箭头选择中频port正端； 同样的操作，Negative Output Node栏中选择gnd！，完成设置如图572所示。 图572pxf仿真参数设置 (4) 在ADE界面依次单击Stimulation—Netlist and Run，开始仿真。仿真完成后，依次Results—Direct Plot—Main Form，弹出Direct Plot Form对话框，在对话框中依次选择pxf—Voltage Gain—sideband—dB20，最后在input Sideband项中选择要观测的频率范围，如图573所示，用箭头选中射频port输出变频增益波形，输出噪声系数波形如图574所示，按键M对波形进行标注。 图573pxf仿真结果查看设置图 图574变频增益仿真结果 由图574可知，在3．5GHz中频输出时候变频增益为-9．37dB，当频率超过3．59GHz时，变频增益会有一个陡然地降落，在接近3．6GHz时变频增益会跌至-9．8dB以下，由图可知，越远离本振信号频率，混频器的变频增益越高； 反之，越接近则变频增益会越低。 5．3．61dB压缩点仿真 (1) 在混频器电路中，选择射频Port—Prf，然后在菜单栏中依次单击Edit—Properties—Objects，弹出属性对话框，将源类型Source type设置为sine，并将Amplitude1(dBm)设置为prf，如图575所示，单击OK保存设置。 图5751dB压缩点仿真射频port参数设置 (2) 在ADE界面选择菜单Variables，选择Copy from Cellview，将变量prf复制至 ADE 的变量栏中并设置为-30，在ADE界面单击Analyses—Choose，弹出对话框，选择pss进行仿真，在Beat Frequency栏输入50M，并选中Auto Calculate。在Output harmonics项的Number of harmonics栏输入仿真的谐波数为2。仿真精度Accuracy Defaults项选择moderate，pss上半段设置如图576所示。在pss对话框中勾选Sweep选项，单击Select Design Variable按钮，在弹出对话框中选择Prf为变量，如图576所示。设置Sweep Range的开始与结束功率分别为-30dBm和10dBm。Sweep Type设置为Linear形式，并选择Number of Steps，输入10，即线性扫描10个点，pss设置下半部分完成。 图576pss上半段与下半段参数设置 (3) 在ADE界面依次单击Stimulation—Netlist and Run，开始仿真。仿真完成后，依次单击Results—Direct Plot—Main Form，弹出Direct Plot Form对话框，在对话框中依次选择pss—Compression Point，在Gain Compression栏输入1，代表是1dB压缩点仿真。在Input Power Extrapolation Point(dBm)栏输入-25，表示输出波形从-25dBm开始打印。最后，在1st Order Harmonic项中选择2100M表示中频输出，如图577所示， 然后用箭头选择中频port输出1dB压缩点波形，输出噪声系数波形如图578所示。 图5771dB压缩点仿真结果查看设置 图5781dB压缩点仿真结果 由图578可知，混频器的1db压缩点为-5．32dB，1dB压缩点是混频器线性度的一个重要指标，线性度决定混频器动态范围的上限。仿真结果显示，当输入信号的幅度变大时，混频器的非线性失真程度比较小，符合混频器的设计要求指标。 5．3．7三阶互调截点仿真 (1) 三阶互调截点仿真过程中射频port设置不变，pss下半段更改设置，设置Sweep Range的开始与结束功率分别为-25dBm和5dBm。Sweep Type项设置为Linear形式，并选择Number of Steps，输入5，即线性扫描5个点，pss下半部分设置完成。 (2) 在ADE界面单击Analyses—Choose，弹出对话框，选择pac进行仿真，在PSS Beat Frequency栏输入50M。在Input Frequency Sweep Range项选择SinglePoint并输入频率3501M。在Additional indices栏输入-68与-72，参数设置如图579所示。 图579pac仿真参数设置 (3) 在ADE界面依次单击Stimulation—Netlist and Run，开始仿真。仿真完成后，依次Results—Direct Plot—Main Form，弹出Direct Plot Form对话框，在对话框中依次选择pac—IPN Curves，在Input Power Extrapolation Point (dBm)栏中输入-15，最后在3rd Order Harmonic和1st Order Harmonic项中分别选择101M和99M，如图580所示。然后用箭头选择中频port输出，三阶互调截点仿真结果如图581所示。 图580pac仿真结果查看设置 由图581可知，仿真设置的射频信号功率扫描范围为-25~5dBm，混频器三阶互调截点为5．53dB，三阶互调截点也是评价混频器线性度的一个重要指标。综合1dB压缩点与三阶互调截点结果，可看出混频器的线性度较好，反映了混频器的跨导级和负载设计正确。 图581三阶互调截点仿真结果