基于MAX2671的一种微波混频器的设计和ADS仿真.docx
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基于MAX2671的一种微波混频器的设计和ADS仿真
泉州师范学院
毕业论文（设计）
题目基于MAX2671的一种微波混频器的设计和ADS仿真
物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业07级1班
学生姓名程一军学号070303002
指导教师周伯萌职称助理实验师
完成日期2011年4月
教务处制
基于MAX2671的一种微波混频器的设计和ADS仿真
物理与信息工程学院07级电子信息科学与技术070303002程一军
指导教师周柏萌助理实验师
【摘要】本文设计了一种微波混频器，通过ADS软件平台对该模块进行电路的设计和仿真，设计中该模块采用单平衡混频器和二极管双平衡混频器模型，利用仿真后得出的频谱结果，对两者进行比较，提出了集成芯片MAX2671及其外围电路组成的硬件电路的设计方案，能够在2.4GHz频段实现上变频。
该硬件电路可以在低电压条件下工作，具有功耗小、低噪声、微型、低成本等优点。
微波混频器是射频通信中的核心部件，其性能的好坏直接决定着通信质量的优劣。
【关键词】微波混频器；ADS软件；双平衡混频；MAX2671；上变频
引言
随着无线通信的快速发展，对传输可靠性、抗干扰能力、传输带宽和速率的要求越来越高，微波技术的优点渐渐地被无线通信行业挖掘出来，拥有着相当大的发展潜力，特别是向厘米波和毫米波的发展。
微波通信是一种视距范围内的直线传输，它工作在300MHz~3GHz频率范围内，它有着传输带宽高、传输速率快、抗噪声和干扰能力强、保密性好和传输可靠性等优点，赋予了3G技术更好的灵活性，它与超短波、短波相比较，大大扩展了通信通道，开辟了微波通讯和卫星通信。
因此，微波通信是国家通信网的一种重要通信手段，也普遍适用于各种专用通信网。
而微波混频器无论是在发送设备还是接收设备里都是核心器件，其性能的优良直接决定着通信的质量。
1总体设计方案
1.1系统设计的基本要求
系统设计方案主要分为软件电路仿真和硬件电路制作测试两个部分：
1）软件仿真：
利用ADS软件设计单平衡型混频器和双平衡型混频器电路，进行输出频谱仿真，得到频谱图，要求混频器工作在2.4GHz频段，具体为能使70MHz中频信号频谱搬移到2.4GHz的载波频谱附近，有上下变频的频率信号2.33GHz和2.47GHz。
2）硬件电路：
在实验室条件下制作微波上变频器的PCB电路板，通过微波通信实验平台输入中频信号和本振信号，用频谱仪测得电路输出的信号频率为输入中频信号（
）与本振信号（
）的和频（
）,频率范围2.40~2.50GHz。
1.2系统设计的思路
在ADS软件平台上设计单平衡型混频器和双平衡型混频器电路，进行输出频谱的仿真。
在给定输入中频信号和本振信号相同功率值的情况下，比较两种不同的混频器模型输出的信号频谱的效果，选出硬件电路制作方案。
单平衡混频器原理框图和双平衡混频器原理框图分别如图1-1和图1-2所示。
图1-1单平衡混频器原理框图
图1-2双平衡混频器的原理框图
通过输出信号频谱仿真，比较两种混频器的频谱纯度及功率强弱，选择具有变频损耗小的双平衡型混频器硬件制作方案。
硬件设计选择Maxim半导体与混合信号厂商生产的MAX2671型号集成芯片，设计其外围电路，使得总体电路实现2.4GHz频段的上变频。
2ADS软件简介及2.4GHz微波传输技术
2.1ADS（AdvancedDesignSystem）2008update2软件简介
ADS（AdvancedDesignSystem）软件——先进设计系统，该软件是美国Agilent公司研发，是一款适用于无线通信系统电路设计的行业软件，无论是从小模块还是电路的整个系统，它可以完成对无线通信系统、RF和微波传输等的电路设计和仿真。
它具有多种仿真手段：
时域和频域、数字和模拟、线性和非线性、电磁和数字信号处理等。
而且可以在设计平台上对电路设计的具体细节进行优化，并对优化后的设计结果的工业制作模型进行成品率分析，从而提高了设计者的工作效率，该软件已经在企业工业设计、高级院校、科研院所等场所得到广泛的应用，逐渐成为微波射频电路设计、通信系统、数字通信处理等领域的主流软件。
ADS2008update2不仅对用户的使用界面进行了优化方便用户更便捷的操作，而且在设计和仿真手段上进行了升级。
其中，设计功能包括3D布局检视、线路布局同步等；仿真手段有完整的3D电磁分析和最新的多处理器运算架构等，整合的电磁设计系统也包含更快速的bondwire（封装接线）绘制操作界面，更快速的高频暂态模拟功能[1]。
2.22.4GHz微波传输技术
2.4GHz微波传输技术是一种工作在2.4GHz频段，传输距离可达10米的短距离通信技术。
通信频段的日益拥挤，在2.4GHz频段上能获得较强的抗干扰能力，而且相比较于其他ISM频段它具有更宽的频带，具有更大的传输容量和更快的传输速率。
2.4GHz频段作为全球性通用频段，在众多领域中有着广泛的应用，其产品也朝着微型化发展，为了使得获得更强的抗干扰能力，规划者规范了在2.4GHz频段工作下的无线技术标准，包括ZigBee技术、Wi-Fi（无线局域网）、蓝牙技术和无线USB。
市场上常见的产品有蓝牙耳机、无线键鼠、无线影音传输等。
2.4GHz无线技术如今已经成为了无线产品的主流传输技术,利用无线局域网络代替线缆的方式，实现家电管理、工业生产和楼宇控制的智能化。
3ADS软件设计方案比较
3.1单平衡混频器
3.1.1单平衡混频器微带结构原理分析
图3-1是单平衡混频器的电路原理框图，射频信号和本振信号通过3dB定向耦合器输入到二极管，二极管通过其非线性特性输出中频信号和其他谐波分量，最后通过一个滤波器，输出所需要的频率值。
其中，3dB耦合器可以是90°混合网络。
使用90°混合网络可以有很宽的频率范围，在RF端口可已得到完全的输入匹配，同时可以出去所有偶数阶互调产物[2]。
-V1+
图3-1单平衡混频器
3.1.2ADS仿真单平衡混频器
系统设计的混频器是由90°混合3dB耦合器、两个二极管和匹配网络构成，射频频率为70MHz，本振频率为2.4GHz。
首先，插入
设置微带线的参数；
其次，利用ADS中的tools工具，可以对不同类型的传输线进行计算，对于微带线来说，可以进行物理尺寸和电参数的之间的数值计算；
然后，根据微带分支定向耦合器原理搭建电路。
微波混频模块的电路原理图如图3-2所示。
图3-2单平衡混频器微带电原理图
最后，插入二极管模型
和谐波仿真控制器
并设置参数，进行仿真。
其中设置输入信号PORT_1为70MHz中频信号，信号功率为-20dBm，三次谐波：
本振信号PORT_2为2.4GHz，信号功率为-10dBm，三次谐波。
仿真得出的仿真频谱图如图3-3所示。
图3-3单平衡混频器输出端的输出频谱
由上图可以看出，输出的上变频2.47GHz的幅度为-75.625dBm。
混频器的输出端直接输出的频谱不仅有2.4GHz频段的变频分量，而且存在着其他频段的变频分量，从功率角度上看得出的2.4GHz频段上的变频分量功率很小，信号强度小，以上两种因素都不利于信号的发射。
因此，在该输出端需要引入带通滤波器和功率增益放大器。
3.2二极管双平衡混频器
3.2.1二极管环形电路基本原理
二极管双平衡电路即是二极管环形电路，图3-4为该电路的基本电路结构。
它可以看成是两个二极管平衡电路，仅仅是多接了两个二极管VD3和VD4，4只二极管的正负极方向相同，组成了一个环路，因此成为二极管环形电路。
输入的交流信号电压正向施加在VD1、VD2两端，反向施加到VD3、VD4两端，随着输入信号U2电压的正负值的交替变换，两组二极管交替导通和截止。
当输入信号U2在正半周时，VD1、VD2导通，VD3、VD4截止；当U2在负半周时，VD1、VD2截止，VD3、VD4导通。
所以说，二极管双平衡电路是由两个单平衡电路构成的，在理想条件下工作，它们的工作是互不干扰的[3]。
图3-4二极管双平衡电路图
频谱线性搬移电路的核心问题是如何将电路的性能更加接近于理想的相乘器，而环形电路减少了一些其他频率分量的干扰，而且具有单平衡电路的性能。
3.2.2ADS软件设计仿真双平衡混频器
双平衡混频器的最大特点是工作频率极高，可以工作在微波频段，由于二极管双平衡混频器工作于很高的频段图3-4中的变压器T1、T2一般为传输线变压器。
如图3-5所示是两组性能不同的二极管组成的环形电路，本振信号VL输入端Term3和射频信号Term1输入，它们都通过变压器将单端输入变为平衡输入并进行阻抗变换，Term2为中频输出口。
图3-5双平衡混频电路输入阻抗测试原理图
在ADS软件中先对各个端口的阻抗进行计算，设计各个端口需要的滤波器类型，利用软件工具得出阻抗匹配各个元器件参数的数值。
在操作窗口中插入输入阻抗测试元件Zin
，Zin1、Zin2和Zin3，得出的输入阻抗匹配值：
本振输入端口0.250-j*9.553，射频输入端口0.250-j*334.359，中频输出端口0.250-j*9.553。
利用ADS软件中的滤波器设计工具设计得出匹配网络[4]。
将软件计算得出的输入阻抗匹配电路接入相应的端口，得出完整的电原理图，如图3-6所示。
在原理图中插入输出频谱仿真控件
，设置70MHz信号和2.4GHz本振信号的谐波阶数都为3，它们的功率分别为-20dBm和-10dBm；工作环境控件
，设置室温为25℃。
按下工具栏中的
，进行仿真。
图3-6输出频谱仿真原理图
仿真后得出的输出频谱图如图3-10所示。
由图可以看出，输出的信号包括2.4GHz频段的信号和70MHz及其谐波分量，其他波段的信号几乎没有，不影响通信接收端对2.4GHz频段信号的接收。
其中2.47GHz为该混频后输出频谱成分中的上变频，输出的功率为-43.143dB。
图3-10双平衡混频器输出频谱图
图3-11单平衡混频器输出信号功率图3-12双平衡混频器输出信号功率
比较单平衡混频器和双平衡混频器的输出信号功率（图3-11和图3-12），双平衡混频输出频谱较纯净，噪声低，工作频带宽，动态范围大，工作频率高，动态范围大。
因此，通过方案比较证明双平衡混频器的性能比之单平衡混频器性能更优越。
但是由于设计上理论基础并不是很扎实，对各个关键器件的参数不能达到最优化，使得仿真出来的关键频率点的功率不是很理想，这需要通过增益放大器来改善。
4微波混频器硬件制作
根据ADS软件对单、双平衡混频器的性能比较，通过查阅资料，硬件设计选取双平衡混频器集成芯片MAX2671。
4.1MAX2671芯片原理及典型电路
4.1.1MAX2671芯片简介
MAX2671是一个适用于低电压工作的微型、低成本、低噪声上变频器集成芯片，特别是适用于个人移动设备，能进行便捷操作。
IF输入端口信号通过双平衡混频器与本振端口信号混频，上变频器中可输入40MHz~500MHz之间的频率信号，上变频到输出信号的频率可达2.5GHz。
若该芯片应用于系统电路的设计，对于系统的性能优化，MAX2671可以在范围的供电电流和输出交调电平值的条件下正常工作。
在适当的电压值范围内芯片的工作电流为恒量，芯片具有可控的关断模式，在该模式中工作电流典型值低于1mA[5]。
图4-1MAX2671芯片
MAX2671采用的是SOT23-6封装形式，其引脚封装如图4-2所示。
图4-2MAX2671节省空间型6引脚贴片封装
引脚说明：
1LO本机振荡信号输入端
2GND接地
3IFIN中频信号输入端
4RFOUT射频信号输出端
5Vcc电源端
6
低功耗控制端
4.1.2MAX2671芯片内部原理及典型应用电路
该芯片的内部结构方框图如图4-3所示。
图4-3MAX2671芯片内部结构原理图
对于高频电路来说，要求设计者能够正确地处理电源电路。
在电源部分加上正确的电容以滤除一些杂波，较低系统的噪声，同时应考虑到导线电感的问题，在设计时应尽量减小导线的长度。
是低功耗控制端，在在正常工作得状态下，直接连接到芯片电源上，接入一个100pF的电容用来退耦，减小芯片内部偏置电源的噪声。
芯片的正常工作电压在3V到5V之间。
IF端口为中频信号输入端口，输入的中频信号频率范围在40MHz~500MHz，信号通过电容（外围器件）进行交流耦合到芯片端口，在该端口是一个差动中频滤波器的频率输入口，需要外围电路对该端口进行阻抗匹配。
LO端口为本振信号输入端口，它允许的频率范围为400MHz~2.5GHz，同样需要一个电容将信号交流耦合到芯片的引脚上，并且该电容在振荡时的电抗应小于3Ω，本振信号再经过芯片内部的缓冲器，输入双平衡混频器中与中频信号进行混频。
RFOUT端口为射频输出端口，输出频率可达2.5GHz，连接两个贴片电感到芯片引脚上，为信号的高阻抗集电极输出提供合适的偏置电压，要求在该引脚的外围有阻抗匹配电路，以获得芯片的最佳工作状态[6]。
从而得出MAX2671芯片的典型应用电路，如图4-4所示。
图4-4MAX2671芯片的典型应用电路
在IF端、LO端口和RF信号输出端都接有一个隔直电容，起到交流耦合的作用，也是阻抗匹配电路的一部分，采用贴片封装，可以减小信号在传递过程中的衰减。
在不同的频率振荡范围内，各种电抗元件表现出来的电抗值都是不一样的，这就需要在设计匹配网络时给出正确的元器件参数。
表4-1给出MAX2671芯片的射频频率和输出阻抗的关系。
表4-2是不同频率时典型应用电路上未给出具体参数值的元件参数。
表4-1RFOUT与输出阻抗的关系[7]
频率
输出阻抗
400MHz
900MHz
1900MHz
2450MH
表4-2不同频率值对应的元件参数[7]
400MHz
900MHz
1900MHz
2450MHz
L1
短路
33nH
8.2nH
3.3nH
L2
39nH
18nH
2.7nH
1.8nH
C3
220pF
47pF
47pF
47pF
C4
220pF
47pF
47pF
47pF
C5
3300pF
220pF
100pF
220pF
C6
6.8pF
1pF
1.5pF
开路
C7
220pF
47pF
47pF
47pF
4.2设计生成原理图和PCB布板
4.2.1微波混频器的设计要求
在实验室条件下，进行微波混频器的硬件电路制作实验，通过微波通信实验箱给出的中频输入（IF）信号70MHz和本机振荡信号（LO）2.4GHz~2.5GHz，信号输入混频器后能得到频率在2.4GHz~2.5GHz之间的射频输出信号，具体表现为频率成分
。
其中,上变频（
）的功率能够达到-40dBm以上，而其他频率分量能够得到有效的抑制，保持功率在-40dBm以上，变频损耗在-1.60dB以上。
4.2.2微波混频器电路图
芯片的工作电压在3V~5V之间，因此电路的电源部分由5V电源稳压模块L7805、滤波电容和精密可调电阻104组成。
9V电池供电，L7805输出5V电压，通过精密可调电阻分压使得芯片的工作电压可调，方便实验电路的测试。
如图4-5所示。
图4-55V可调电源电路
供给芯片工作电压Vcc在接入引脚的连线上应再加几个旁路电容为电压源引脚端提供退耦。
如图4-6所示。
图4-6电压源引脚端的旁路电容
设计生成的总体电路图，如图4-7所示。
图4-7微波混频器电路图
SMA接头常用在射频电路中，它的作用是防止信号泄露对电路工作造成干扰。
好的SMA接头提供良好的驻波比，对于信号反射小，可以有效的传输信号。
两个射频同轴接头（SMA头）分别接入在中频输入端口和本振端口，220pF电容对信号隔直通交，将信号交流耦合到芯片的引脚端。
根据表4-1和表4-2给出的数据，设置RFOUT端的匹配电路元件参数L1=3.3nH,L2=1.8nH,C5=220pF。
电感元件的作用是设置正确的偏置电压。
参数的选择是跟据在不同输出频率条件下，输出阻抗表现为不同值，元件匹配的参数不同。
为了降低电源噪声接入的可能性，电源Vcc串联一个100Ω电阻到低功耗控制端在支路上并联一个220pF电容到地，构成了一个低通滤波器，截止频率为7.23MHz。
图4-8微波混频器的PCB版图
4.2.3微波混频器电路的PCB布板
对于处理高频信号的电路来说，好的PCB布局可以提高系统电路的性能指标，也是工业制作的常见问题。
如图4-8所示，是微波混频器主要电路的PCB版图。
整个电路板使用多边形覆铜，将其设置为地，根据信号屏蔽原理能够减小信号的干扰。
信号通过SMA接头进入IF端口和RF端口，SMA接头的四个脚是和螺口铸在一起的，铜芯被包围在塑料绝缘体中一起嵌入圆形的螺孔中，螺口和四个脚接地能够有效的屏蔽信号，铜芯与信号线相连。
MAX2671是贴片封装，信号的输入输出引脚的外围电路元件采用贴片封装，这样能够契合信号线的尺寸，减小不必要的衰减。
电路的RFOUT输出端J3与同轴软线焊接在一起，同轴软线的另一端接有一个Q9接头，能够和频谱分析仪的测试端连接在一起。
5硬件电路测试
5.1电路连接
微波混频器的电源由9V电池提供，调节精密可调电阻104，使得电源电路的输出电压值为3.0V，打开芯片的电源端和低功耗控制端的电源开关，接入3V电压。
微波通信实验箱中的70MHz中频振荡模块和压控振荡器模块分别产生70MHz和2.4GHz左右的信号。
同轴连接线的两端都有SMA接头，将中频信号和本机振荡信号输入IF端口和LO端口。
将RF端口的Q9接头接入频谱分析仪。
5.2测试结果
IF端口信号：
打开中频模块电源，利用频谱分析仪测得中频振荡模块输出信号的频率为69.62MHz，功率为-19.95dBm。
利用探针在芯片的IFIN引脚上测得的69.62MHz信号的功率为-27.72dBm。
因此，实际输入的IF信号频率为69.62MHz，功率为-27.72dBm。
RF端口信号:
打开压控振荡模块电源，调节电压，能够输出2.3GHz~2.5GHz之间的信号。
第一步，芯片的工作电压为3.0V时，调节压控振荡器使得振荡频率2.3GHz~2.5GHz，从频谱分析仪上观测到，在fLO=2.378GHz时MAX2671芯片的RFOUT端口的输出频谱，才有混频现象的出现，如图5-1所示。
图5-1本机振荡频率为2.378GHz时的RFOUT输出频谱图
由上图可以看出，信号经混频后输出信号频率为2.448GHz，功率为-55.26dBm。
2.448GHz-2.378GHz=0.07GHz=70MHz，输出的信号频率正确。
调节电源部分电压从3.0V到5.0V,测得的2.448GHz频率的功率，如表5-1所示：
表5-12.488GHz信号在各个电压值的功率
电压/V
3.0
3.5
4.0
4.5
4.990
功率值/dBm
-55.26
-55.41
-55.86
-55.62
-55.32
因为数字频谱仪显示的波形是实时扫描的，测得的数据是实时变动的，所以电压在3.0V到5.0V之间变化时RFOUT输出频谱是不变的。
第二步，调节本机振荡信号的频率值，将频率逐渐升高到2.5GHz，观察RFOUT端口的输出频谱。
在频率范围在2.378GHz~2.498GHz时，电路都能够输出正确的频谱。
其中，在本机振荡频率为2.498GHz时的输出上变频的功率最高为-43.40dBm，电路工作在最佳状态，如图5-2所示。
图5-2本机振荡频率为2.498GHz时RFOUT输出频谱图
由上图可知，RF输出端除了输出所要求的频率为2.567GHz的上变频信号，还有其他谐波分量的产生。
表5-2是频谱仪测得的频率成分及其功率。
表5-2RFOUT输出信号的频率及功率
输出频率/GHz
2.358
2.428
2.498
2.567
2.637
功率/dBm
-56.82
-54.90
-26.30
-42.11
-53.47
这时，压控振荡模块的输出信号频率为2.498GHz,功率为-17.84dBm。
在芯片的LO引脚上测得的信号功率为-28.73dBm，则实际输入的功率值为-28.73dBm。
混频器的变频损耗GP=10lg（PRF/PIF）,指的是输入射频信号功率与输出中频信号功率之比值（本振信号保持为常数）。
本振激励功率为-28.73dBm,微波混频电路的变频损耗GP=10*lg（-27.72/-42.11）=-1.816dB。
5.3结果分析
第一，由图5-1和图5-2可以看出，RFOUT端口可以测得本机振荡频率fLO的频谱，而且比上变频信号的功率还大，这将在信号接收时造成干扰。
主要原因是电路板的信号线都是裸露在空气中，这就造成了信号在各个端口的泄露和窜透，使得端口的隔离度差。
工业制作的模块外壳一般都用合金材料，用来屏蔽信号，减小信号间的干扰。
第二，输入的IF信号和LO信号经过PCB板上的信号线到达芯片的引脚后的功率值出现了明显的衰减，是因为在焊接材料和焊接工艺上的问题，导致电路的电抗值变大，信号线的材质是铜，在PCB板材质和版图的印刷工艺差，铜质导线被氧化而且导线的截面积很小，制造水平都远远不及工业生产。
第三，输入的IF和LO信号的功率太低，并不能使芯片工作在最佳状态，特别是LO信号功率太低，直接影响了上变频信号的功率值。
6总结
通过ADS软件对二极管单平衡混频器和二极管双平衡混频器电路的仿真，得出的输出频谱图进行比较，提出微波混频器硬件制作方案。
仿真后能体现出双平衡混频器的性能优越
于单平衡混频器。
以双平衡型上变频芯片MAX2671集成芯片及其外围电路为主要电路的微波混频器设计能够输出
的频谱，且输出功率和变频损耗基本达到预期目标的要求。
两个月的研究设计中，通过对软件的学习和电路原理的理解实践，对硬件电路进行实验和测试，实验预期目标的性能指标基本上能够达到，但是由于本人对微波技术知识和开发经验的缺乏，使得软件部分和硬件部分存在着许多问题，如变频损耗大，隔离度差，输出功率小等问题都有待解决，希望能在将来的工作学习中进行改善。
致谢
在本次毕业设计中,我的导师周伯萌老师在软件的应用和硬件制作方面给了我十分宝贵的意见，在老师的悉心指导下我顺利地完成了毕业设计。
感谢学校能够提供这个机会和环境让我复习和学习的机会，同时要感谢各个实验室里同学的支持和帮助。
参考文献
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