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0.前言
（本文所設計的ADS版本爲2016版）
混頻器是射頻系統中用於頻率變換的部件，混頻器可以將較高頻率的射頻輸入信號變換爲頻率較低的中頻輸出信號，以便更容易對信號進行後續的調整和處理。接收機模擬前端將接收到的射頻信號轉換成低頻信號，而發射機模擬前端將要發射的低頻信號轉換成射頻信號，頻率轉換功能就是由混頻器完成的。
混頻器是一種非線性時變電路，依靠電路本身的非線性來完成頻率轉換功能，因此它具有與其它電路不同的特點。
1.混頻器介紹
混頻器是一個三端口器件，其中2個端口輸入、1個端口輸出。混頻器分爲無源混頻器和有源混頻器，無源混頻器線性度好，可以工作在很高頻率，但沒有轉換增益；有源混頻器有轉換增益，可以減小來自中頻的噪聲影響。
下圖是超外差接收機示意圖，混頻器工作在下變頻狀況，2 個輸入端分別稱爲本振端（LO）和射頻端（RF），輸出端稱爲中頻端（IF）。
2.混頻器原理
混頻是利用兩個信號在時域上相乘來實現的。假設兩個正弦型信號輸入到一個乘法器中，則在乘法器的輸出可以得到一個和頻成分和一個差頻成分，在數學上可以表示爲：
兩個正弦型輸入信號中，一個是固定幅度的本地振盪信號（LO），由本地振盪器提供；另一個是接收到的射頻信號或者要發射的低頻信號。
通過這兩個信號的混頻，可以得到一個差頻成分（頻率爲w1-w2）和一個和頻成分（頻率爲w1+w2），在LO信號幅度一定的情況下，差頻成分與和頻成分的幅度都正比於輸入信號的幅度。該操作僅完成了頻率轉換，而幅度上不會引入失真。
在下變頻器中，需要的信號爲差頻信號，通過一個帶通濾波器可取出需要的差頻成分，而濾除和頻成分和其它干擾成分；而在上變頻器中，需要的信號爲和頻信號，這時也可以通過一個帶通濾波器取出和頻成分，濾除差頻成分和其它干擾成分。
混頻器雖然可以完成混頻功能，但由於射頻信號和本振信號直接相加，因此本振信號會饋通到射頻信號通路上，射頻信號和本振信號的隔離度不是很好。爲了改善射頻信號與本振信號之間的隔離度，可以將射頻信號和本振信號加在不同的節點上，如圖所示。
射頻信號通過隔直電容後加在晶體管柵極，而本振信號隔直後加在晶體管的源極。晶體管M1的柵源電壓包含有vRF-vLO成分，如果晶體管是長溝道器件，它的I -V 方程滿足平方律關係，則流過晶體管的電流中仍然將只包含有和頻和差頻成分，而沒有其它的交調成分。該電路的射頻信號和本振信號加在不同的節點上，改善了射頻信號與本振信號之間的隔離度。
3.混頻器參數
混頻器是無線收發機中的核心模塊，它的性能對整個無線系統的性能具有很大的影響。理想混頻器中輸出信號僅爲2個輸入信號的和頻和差頻。實際混頻器有變頻損耗、三階交調和噪聲等，並需要討論動態範圍和抑制鏡頻等。
3.1噪聲因子（噪聲係數）
噪聲因子描述了一個電路引入噪聲的大小，它的值是輸入信噪比與輸出信噪比的比值。通常可以表示爲：
其中，Ns是信號源在輸出端引入的噪聲，Ni是電路本身產生的噪聲。
在接收機裏，混頻器作爲下變頻器來使用，它通常位於低噪聲放大器後面。由於低噪聲放大器提供了一定的增益，因此對下變頻器的噪聲要求不像對低噪聲放大器那麼苛刻，但考慮到射頻低噪聲放大器的增益有限，而混頻過程通常會引入很大的噪聲，因此爲了降低對低噪聲放大器增益的要求，下變頻器也需要具有較低的噪聲係數。
在發射機裏，混頻器作爲上變頻器來使用。由於發射機中有用信號是最強的信號，因此對上變頻器噪聲係數的要求不像下變頻器那麼嚴格。
混頻器的噪聲係數通常是很大的，因爲混頻過程會將其它頻帶內的噪聲也轉移到中頻由於混頻電路存在非線性，因此本振信號會產生高階諧波成分，這些諧波成分與其它頻帶內的噪聲混頻，混頻後的結果也位於中頻頻帶，極大地增加了混頻器的噪聲係數。混頻器單邊帶噪聲係數的典型值約爲10～15dB。
3.2變頻損耗
混頻器的變頻損耗定義爲可用RF輸入功率與可用IF輸出功率之比，用dB表示爲
變頻損耗包括二極管的阻抗損耗、混頻器端口的失配損耗和諧波分量引起的損耗。雙邊帶（DSB）信號的變頻損耗比單邊帶（SSB）信號的變頻損耗低3dB。
3.3線性度：1dB壓縮點和三階交調點
線性度決定了混頻器能處理的最大信號強度。無論是應用於接收機系統還是應用於發射機系統中的混頻器，其輸入信號能量都較高，因此混頻器必須具有較高的線性度。線性度通常用1dB壓縮點和三階交調點來描述。
輸入1dB壓縮點是指當混頻器的輸出信號功率偏離它的線性響應輸出功率1dB時的輸入信號功率，該點所對應的輸出信號功率稱爲輸出1dB壓縮點。當輸入信號能量較弱時，混頻器的輸出信號功率與輸入信號功率之間是線性。
3.4 本振激勵功率
混頻器的指標受本振功率控制，本振功率是指最佳工作狀態時所需的本振功率。若本振功率不夠，就會降低混頻器的性能，甚至使混頻器無法工作。因此，混頻器要求給出本振功率的參數，以dBm爲單位。實際使用的混頻器也是按本振功率進行分類，如7dBm、10dBm本振（LO）等，要求本振激勵的功率達到上述數值。
3.5 端口隔離度
混頻器LO、RF、IF端口的頻率不同，端口隔離度定義爲一個端口的輸入信號與其他端口得到的該頻率信號功率的衰減量，以dB爲單位，一般要高於20dB。端口隔離度包括3項，分別是信號與本振之間的隔離度、信號與中頻之間的隔離度、本振與中頻之間的隔離度。
3.6 端口阻抗匹配
混頻器的3個端口應配以適當的匹配電路，以求得最大轉換效率。混頻器端口阻抗匹配的原則是：對於該端口的工作頻率的信號嚴格匹配，對於其他端口的工作頻率的信號則需全反射。
混頻器輸入端口的設計與放大器類似，希望達到共軛匹配。而中頻輸出端口除了需要與後級阻抗匹配，還要求儘可能反射本振頻率的信號，以提高隔離度。
4.混頻器設計仿真
4.1單平衡混頻器
如圖爲單平衡混頻器的構成，2個單端混頻器與1個3dB耦合器可以組成單平衡混頻器，爲簡單起見，圖中省略了對二極管的偏置電路
使用90°混合網絡定向耦合器可以有較寬的頻率範圍，在RF端口可以得到完全的輸入匹配，同時可以除去所有偶數階互調產物。
4.2 混頻器設計
混頻器由90°混合3dB耦合器、2個二極管、低通濾波器和匹配網絡構成。射頻頻率爲5.45GHz，本振頻率爲3.8GHz，輸出的中頻頻率爲200MHz。
（1）在原理圖的元件面板列表上，選擇微帶線【TLines-Microstrip】元件面板。在微帶線元件面板上，選擇 MSUB 插入原理圖的畫圖區。在畫圖區中雙擊 MSub1，彈出【Microstrip Substrate】對話框，在【Microstrip Substrate】對話框中對微帶線參數控件MSub1進行設置。
（2）在原理圖的元件面板列表上，選擇無源網絡微帶電路設計嚮導【Passive Circuit DG-Microstrip Circuits】元件面板。在無源網絡微帶電路設計嚮導元件面板上，選擇分支定向耦合器BLCplr插入原理圖的畫圖區。在畫圖區對分支定向耦合器控件DA_BLCoupler1進行設置。
（3）設置完成的微帶線參數控件MSub1和分支定向耦合器控件DA_BLCoupler1如圖所示。
（4）在原理圖視窗中，執行菜單命令【DesignGuide】→【Passive Circuit】，彈出【Passive Circuit】對話框，如圖所示。
（5）在【Passive Circuit】對話框中，選擇“Passive Circuit Control Window…”項，單擊“OK”按鈕關閉【Passive Circuit】對話框，同時將彈出設計嚮導窗口【Passive Circuit DesignGuide】。【Passive Circuit DesignGuide】窗口如圖所示，其中“SmartComponent”欄爲“DA_BLCo upler1”。
（6）在【Passive Circuit DesignGuide】窗口中，單擊“Design Assistant”選項，然後再單擊“Design”按鈕，ADS將自動完成分支定向耦合器的設計過程，如圖所示。
（7）現在原理圖中的分支定向耦合器控件DA_BLCoupler1已經有了子電路。下面觀察子電路，步驟如下。
◆在原理圖中選中分支定向耦合器控件DA_BLCoupler1。
◆單擊原理圖工具欄中的push按鈕，進入子電路。如圖所示
◆在原理圖的工具欄中單擊PoP按鈕，由子電路退出。
4.3 原理圖仿真
（1）選擇S參數仿真元件面板，在元件面板圖分支定向耦合器控件DA_BLCoupler1的子電路上選擇負載終端Term，4次插入原理圖中，定義負載終端Term1爲輸入端口，負載終端Term2爲直通輸出端口，負載終端Term3爲耦合輸出端口，負載終端Term4爲隔離端口。在原理圖工具欄中單擊按鈕，4次插入原理圖，讓4個負載終端Term接地。
（2）將原理圖中的負載終端 Term 和分支定向耦合器控件DA_BLCoupler1連接起來。
（3）在S參數仿真元件面板上，選擇S參數仿真控件SP插入原理圖的畫圖區，對S參數仿真控件SP設置如下。
◆頻率掃描類型選爲線性Linear。
◆頻率掃描的起始值設爲2GHz。
◆頻率掃描的終止值設爲9GHz。
◆頻率掃描的步長設爲0.01GHz。
◆其餘的參數保持默認狀態。
單擊S參數仿真控件設置窗口中的“OK”，完成對S參數仿真控件的設置。
（4）原理圖如下
（5）在原理圖工具欄中單擊仿真按鈕，運行仿真。仿真結束後，數據顯示視窗自動彈出，用戶自己選擇需要顯示的數據和數據顯示的方式。這裏選擇的步驟和顯示的結果如下。
◆用矩形圖顯示輸出端口的耦合度，如圖所示。可以看出，在6.3GHz直通端口2與耦合端口3的輸出一樣。但本設計要求在5.45 GHz時直通端口2與耦合端口3的輸出一樣（-3。746dB）。
6.83GHz時候，S11=-21.6
該結果並不理想，還需繼續優化調整，混頻器設計還有濾波器等，這些在下一篇文章介紹。
下一篇：ADS系列 - 混頻器設計 - 混頻器設計及仿真2
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