混頻電路設(shè)計(jì)

1、通信電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告諧振功率放大器設(shè)計(jì)及仿真 姓名：陳強(qiáng)華學(xué)號(hào)：14085114班級(jí)：14083414專業(yè)：通信工程 實(shí)驗(yàn)三 混頻器設(shè)計(jì)及仿真一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、理解和掌握二極管雙平衡混頻器電路組成和工作原理。2、理解和掌握二極管雙平衡混頻器的各種性能指標(biāo)。3、進(jìn)一步熟悉電路分析軟件。二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備1、學(xué)習(xí)二極管雙平衡混頻器電路組成和工作原理。2、認(rèn)真學(xué)習(xí)附錄相關(guān)內(nèi)容，熟悉電路分析軟件的基本使用方法。三、設(shè)計(jì)要求及主要指標(biāo)1、 LO 本振輸入頻率： 1.45MHz， RF 輸入頻率： 1MHz， IF 中頻輸出頻率： 450KHz。2、 LO 本振輸入電壓幅度： 5V， RF 輸入電壓幅度： 0.5V。

2、3、混頻器三個(gè)端口的阻抗為 50 。4、在本實(shí)驗(yàn)中采用二極管環(huán)形混頻器進(jìn)行設(shè)計(jì)，二極管采用 DIN4148。5、分析混頻器的主要性能指標(biāo)：混頻增益、混頻損耗、1dB 壓縮點(diǎn)、輸入阻 抗,互調(diào)失真等；畫出輸入、輸出功率關(guān)系曲線。四、設(shè)計(jì)步驟1、原理分析 混頻器作為一種三端口非線性器件，它可以將兩種不同頻率的輸入信號(hào)變?yōu)?一系列的輸出頻譜，輸出頻率分別為兩個(gè)輸入頻率的和頻、差頻及其諧波。兩個(gè) 輸入端分別為射頻端（ RF）和本振（ LO），輸出端稱為中頻端（ IF）其基本的原 理如下圖所示。通常，混頻器通過在時(shí)變電路中采用非線性元件來完成頻率轉(zhuǎn)換，混頻器通 過兩個(gè)信號(hào)相乘進(jìn)行頻率變換，如下：輸入的兩

3、個(gè)信號(hào)的頻率分別為RF LO ，則輸出混頻信號(hào)的頻率為RF LO + （上變頻）或RF LO （下變頻），從而實(shí)現(xiàn)變頻功能。 在本試驗(yàn)中，我們采用二極管環(huán)形混頻器，其的原理電路如圖 3-2 所示，其 中v V t RF RF RF = cos ， v V t LO LO LO = cos ，并且有V V LO RF >> ，因此二極管主要受到 大信號(hào)vLO 控制，四個(gè)二極管均按開關(guān)狀態(tài)工作，各電流電壓的極性如圖 3-2 所 示。在本振電壓的正半周，二極管 D2 D3 導(dǎo)通， D1 D4 截止；在本振電壓的負(fù)半 周，二極管 D1 D4 導(dǎo)通， D2 D3截止。因此，混頻電路可以拆分成

4、兩個(gè)單平衡混 頻器。將二極管用開關(guān)等效，開關(guān)函數(shù)表示為：K1 LO ( ) t ，因此在vLO 正半周期間， 開關(guān)閉合，上下回路的方程為：求得：由上可得，雙平衡混頻器的輸出電流中僅包括( ) p LO RF ± （p 為奇數(shù)）的 組合頻率分量，而抵消了LO ， RF 以及 p 為偶數(shù)的眾多組合頻率分量。2、整體電路設(shè)計(jì)與仿真分析 按照?qǐng)D 3-3 所示的原理圖，在 PSpice 中建立電路圖，并設(shè)置好 RF、 LO 信 號(hào)的參數(shù)（注意變壓器的參數(shù)設(shè)置），最終仿真電路圖如圖 3-4 所示。圖 3-3 整體電路圖圖 3-4 R2 的輸出電壓( vIF )波形進(jìn)行 FFT 變換后，得 R2

5、兩端的電壓( vIF )的頻譜波形如圖 3-5 所示。圖 3-5 R2 兩端電壓 vIF 的頻譜圖由輸出的頻譜圖可見， 環(huán)形混頻器的輸出電壓中主要為pLO RF ± ( p 為奇數(shù)) 的組合頻率分量，（ 0.45MHz， 2.45MHz等等）， 與理論分析一致，其中， 0.45MHz 為差頻輸出信號(hào)（即為本實(shí)驗(yàn)所要求的輸出IF 中頻信號(hào))， 2.45MHz 為和頻輸出信號(hào)。 同時(shí)可以仿真得到 RF 信號(hào)的輸入電壓 vin 、電流 iin 波形如圖 3-6，圖 3-7 所 示。圖 3-6 輸入 RF 信號(hào)的電壓 vin 波形圖 3-7 輸入 RF 信號(hào)電流 iin 波形圖對(duì)于 RF 輸

6、入端可得到輸入阻抗為：對(duì)于混頻器的 1dB 壓縮點(diǎn)，當(dāng)輸入的 RF 功率（電壓）較低時(shí)，輸出的 I觀察圖 3-6 和圖 3-7 波形圖，對(duì)于輸入電壓 vin 和電流 iin 基本上為正弦波形， 由兩圖我們可以得到輸入電壓 vin 、電流 iin 的幅值Vin 、 Iin 分別為：由圖 3-5 可以得到輸出的中頻（ 0.45MHz）的幅度為：因此，通過以上數(shù)據(jù)求出混頻器的混頻增益為：輸出的中頻功率為RF 信號(hào)的輸入功率為：所以有混頻器的混頻損耗為：F 功 率與輸入 RF 功率成比例關(guān)系。然而，當(dāng)輸入 RF 功率超過一定的量之后，則輸 入和輸出功率就會(huì)偏離線性特征，當(dāng)上述偏離達(dá)到 1dB 時(shí)所對(duì)應(yīng)

7、的點(diǎn)就可以作 為混頻器的特性參數(shù)，即 1dB 壓縮點(diǎn)。因此本實(shí)驗(yàn)中，可逐步改變輸入 RF 信號(hào) 的電壓值，從而得到對(duì)應(yīng)的輸出 IF 信號(hào)的幅值，然后在直角坐標(biāo)系畫出變化曲 線表3-1 輸入輸出電壓及電流值VRF (V)VIF (mV)VRF (V)VIF (mV)0.154.1/0.89719.81.3676.5/12.25264.30.3163.1/2.6762.21.4706.3/13.56291.50.4218.1/3.5684.11.5748.5/14.96301.20.5273.2/4.92104.51.6770.2/16.25316.50.6323.4/5.38122.72.085

8、0.6/22.94344.90.8423.8/7.15167.32.5900.7/31.89363.51.0532.2/9.32208.63.0942.6/42.51374.31.1576.3/10.28228.43.5967.2/52.15382.11.2631.4/11.33248.351011.2/78.32398.2對(duì)于輸出中頻（IF）功率，有計(jì)算公式對(duì)于輸入射頻（RF）功率，有計(jì)算公式將其功率轉(zhuǎn)化為dBm的表達(dá)式有通過以上表中的數(shù)據(jù)以及計(jì)算公式，在MATLAB中編寫程序仿真可畫出波形圖，程序如下所示。函數(shù)一： function y=fun1(vin,Iin)y=(1/2)*vin*I

9、in;函數(shù)二： function y=fun2(vif)y=(1/100)*vif2; clear;clc; data1=0.0541,0.1631,0.2181,0.2732,0.3234,0.4238,0.5322,0.5763,0.6314,0.6765,0.7063,0.7485,0.7702,0.8506,0.9007,0.9426,0.9672,1.0112; % in(mV) V 的取值data2=0.897,2.67,3.56,4.92,5.38,7.15,9.32,10.28,11.33,12.25,13.56,14.96,16.25,22.94,31.89,42.51,52

10、.15,78.83; %in(mA) I 的取值data3=19.8,62.2,84.1,104.5,122.7,167.3,208.6,228.4,248.3,264.3,291.5,301.2,316.5,344.9,363.5,374.3,382.1,398.2; % IF V (mV)的取值res1=zeros(1,length(data1);res2=zeros(1,length(data1);for i=1:length(data1)res1(i)=fun1(data1(i),data2(i);res2(i)=fun2(data3(i);endres1res2=res2*10(-3

11、)res1=10*log10(res1)res2=10*log10(res2)plot(res1,res2);grid on; set(gca,'ytick',-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10)set(gca,'xtick',-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10) xlabel('Pin(dBm)');ylabel('Pif(dBm)');通過MATLAB仿真我們可以得到輸入、輸出功率(d

12、Bm)的關(guān)系圖，如圖3-11所示。圖3-11 輸入輸出功率關(guān)系圖由上圖可得，當(dāng)輸入功率超過一定值后，輸入輸出曲線就偏離了線性特征，由圖3-11可以粗略的估計(jì)出=8.6dBm，=0.3dBm，同時(shí)根據(jù)上圖，可以得到當(dāng)輸入功率為0dBm時(shí)的中頻輸出功率值-7.8dBm.因?yàn)槔碚撚?jì)算有將=8.6dBm,=0.3dBm，-7.8dBm代入上式，等式基本成立，因此，驗(yàn)證了估計(jì)結(jié)果。對(duì)于混頻器的互調(diào)失真，在本實(shí)驗(yàn)中只定性的分析當(dāng)混頻器輸入端同時(shí)作用的兩個(gè)頻率不同的信號(hào)時(shí)，輸出端的頻譜與單信號(hào)輸入時(shí)頻譜的區(qū)別。在RF輸入端加入兩個(gè)信號(hào)源，選取兩個(gè)信號(hào)的頻率在2MHz左右，在這里分別選取=0.9MHz，=1.1MHz，為了便于觀察輸出波形，其電壓幅度為取=2V.通過PSpice仿真，我們可以得到輸出端2 R上的電壓頻譜圖，如圖3-12所示。圖3-12 輸出電壓頻譜圖由上圖可知，在輸入端有兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)同時(shí)加入到混頻器后，在輸出的和頻和差頻附近出現(xiàn)了很多諧波分量，通過改變隨著輸入信號(hào)的電壓幅度可以發(fā)現(xiàn)，隨著輸入電壓的增大，輸出的諧波分量也會(huì)增大。在混頻器的性能指標(biāo)中，有一項(xiàng)重要的指標(biāo)就是鏡像頻率干擾，例如在本實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)?1MHz，=1.45MHz，=0.45MHz，則根據(jù)鏡像頻率的概念有鏡像頻率為=1.9MHz。在RF輸入端加入兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)，頻率