基于ADS的混频器设计

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，还是侦察与电子对抗，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低频来进行处理。 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。

1 混频器技术基础

1.1 基本工作原理

1.1.1 前言

混频器作为一种三端口非线性器件（两个输入端和一个输出端），它可以将两个不同频率的输入信号变为一系列的输出频谱，其输出频率分别为两个输入频率的和频、差频及其谐波。 其中，两个输入端分别称为射频端(RF)和本振端(LO), 而输出端称为中频端(IF)。
通常，混频器通过在时变电路中采用非线性元件来完成频率转换，一般分成两种：无源混频器和有源混频器。 无源混频器包括二极管混频器、 无源场效应晶体管混频器等，它具有很好的线性度，并且可以工作在很高的频率范围内。 但它一个明显的缺点是没有转换增益；有源混频器具有转换增益，可以减小来自中频的噪声影响。

1.1.2 混频器的基本原理

混频器通过两个信号（也包括它们的谐波）相乘进行频率变换，如下式所示：
$$\left(A\cos {\omega }_{1}t\right)\left(B\cos {\omega }_{2}t\right)=\frac{AB}{2}\left[\cos \left({\omega }_1-{\omega }_2\right)t+\cos \left({\omega }_1+{\omega }_2\right)t\right]$$
如果输入的两个信号A、 B频率分别为${\omega }_1$、 ${\omega }_2$ 则输出的混频信号的频率为${\omega }_1$-${\omega }_2$ （下变频）或${\omega }_1$+ ${\omega }_2$ (上变频），从而实现了变频功能。
在接收路径上的下变频器有两个区分得很清楚的输入端口，称为RF端口和LO端口。 RF端口接收将要进行变频的信号，LO
端口接收由本地振荡器产生的周期性波形（通常是方波） 信号，(F端口则是变频之后的中频信号输出端口。

1.2 混频器的性能参数

1.2.1 噪声系数和等效噪声温度比

噪声系数定义为：
$$F=\frac{P_{\mathrm{no}}}{P_{\mathrm{ns}}}$$
式中$P_{\mathrm{no}}$表示当系统输入端噪声温度在所有频率上都是标准温度T= 290K 时， 系统传输到输出端的总噪声资用功率；
$P_{\mathrm{ns}}$表示仅由有用信号输入所产生的那一部分输出的噪声资用功率。
根据混频器具体用途的不同， 噪声系数可以分为两种。
1)单边带噪声系数
在混频器输出端的中频噪声功率主要包括3部分。
①信号频率f.端口的信源热噪声是$k{T}_0\Delta f$， 它经过混频器变换成中频噪声由中频端口输出。这部分输出噪声功率为：
$$\frac{k{T}_0\Delta f}{{\alpha }_m}$$
式中${\alpha }_m$——混频器变频损耗；
$\Delta f$——中频放大器频带宽度；
$T_0$——环境温度， $T_0$ = 293K。
②镜像频率$f_i$处的热噪声与本振$f_p$混频后落在中频频率上， 由于热噪声是均匀频谱， 因此这部分噪声功率也是$\frac{k{T}_0\Delta f}{{\alpha }_m}$。
③混频器内部损耗电阻热噪声及混频器电流的散弹噪声，还有本机振荡器所携带相位噪声都将变换成输出噪声， 这部分噪声可用$P_{\mathrm{nd}}$表示。
这3部分噪声功率在混频器输出端相互叠加构成混频器输出端总噪声功率为：
$$P_{\mathrm{no}}=\frac{k{T}_0\Delta f}{{\alpha }_m}+\frac{k{T}_0\Delta f}{{\alpha }_m}+P_{\mathrm{nd}}$$
把 $P_{\mathrm{no}}$等效为混频器输出电阻在温度为$T_i$时产生的热噪声功率， 即$P_{\mathrm{no}}=\frac{k{T}_m\Delta f}{{\alpha }_m}$,$T_m$称为混频器等效噪声温度。$k{T}_m\Delta f$和理想电阻热噪声功率之比定义为混频器噪声温度比， 即：
$$t_m=\frac{P_{\mathrm{no}}}{k{T}_0\Delta f}=\frac{T_m}{T_0}$$
可得混频器单边带工作时的噪声系数为：
$$F_{\mathrm{SSB}}=\frac{<}{P_{\mathrm{ns}}}$$