（无线电物理专业论文）lmds上变频放大及接收组件的研制.pdf

中文摘要 本论文所研究的课题是信息产业部电子十三所预研项目“l m d s 毫米波前 端”的一部分。其要求是将k a 频段3 0 g h z 信号通过上变频及功率放大器获得 3 5 g h z ，1 4 d b m 的射频输出。 无源电路部分，我们首先对传输线的种类，耦合微带线的传输特性和微带一 波导过渡的基本原理进行了分析。然后介绍了混频器的基本原理，设计了镜像抑 制混频器和上变频器放大电路，镜像抑制混频器是利用两个单平衡混频器的相位 差对镜频进行抑制，其中四个混频二极管采用a l p h a r 公司d m k 一2 6 0 6 型。利用 s e n e r a d e 8 0 和a d s 软件仿真建立仿真模型，以此进行了设计和制作，并对仿真 和测试进行了比较和分析。在上变频功放组件中，上变频器采用h i t t l e 公司 h m c 3 2 9 芯片制作。我们设计和制作了k a 频段的两个滤波器，一个是直接耦合短 截线带通滤波器，另一个是平行耦合滤波器。并把电路仿真和场的仿真以及测试 结果进行比较和分析。在有源电路部分，为了满足产品指标输出射频信号不低于 l o d b m 的要求，采用了h i t t l e 公司h m c 2 8 3 芯片，实现了有效的变频增益。 最后，根据上面的仿真和设计结果设计和制作了毫米波频段上变频放大组 件。该组件由五个部分组成：功率为l o d b m 信号经过波导微带过渡，然后混 频，滤波将3 0 g h z 提高到3 5 g h z 滤除不需要的谐波镜频以及三阶交调信号，为了 弥补混频滤波的变频损耗，加一级功率放大器，此放大器采用h i t t l e 公司h m c 2 8 3 芯片，此上变频放大组件完成了上变频、滤波、放大功能。最终，输出频率为 3 5 g h z ，功率为1 4 d b m 。 经过实际测试，上变频放大组件能够满足l m d s 毫米波前端的各项指标性 能，并且具有成本低、可靠性高等特点。作为发射电路的关键部件，它将决定和 提高发射系统的整体性能。 关键字：上变频滤波器混频器上变频放大组件微带一波导过渡 a b s t r a c t t h et h e s i si sap a r to f l m d s m i l l i m e t e r - w a v e t h ep u r p o s ei st oe s c a l a t e 3 0 g h zs i g n a l st o3 5 g h za n da t t a i n1 4 d bc o n v e r s i o ng a i nb ym e a n so fp o w e r a m p l i f i e r i n p a s s i v e s e c t i o n ，a b o v ea l l ，i i n t r o d u c e t h e o r y a b o u t m i c r o s t r i p l i n e m i l l i m e t e r - w a v eb a n d - p a s sf i l t e ra n dw a v eg u i d e - t o - m i e r o s t r i pt r a n s i t i o n d e s i g n i n g t w ot y p eo fc o v e r e rb yi m a g e r e j e c tm i x e ra n dh m c 3 2 9 i nf o r m e r , i m a g e 。r e j e c t m i x e ru s e sp h a s i n gt od i f f e r e n t i a t eb e t w e e nt w os i n g l e - b a l a n c em i x e r s i t sf o u rd i o d e i st y p eo fd m k - 2 6 0 6b ym a d ea l p h a rc o r p o r a t i o n ，m o d u l eo fm i x e r si n t e g r a t e d c i r c u i ti ss i m u l a t eb ys e n e m d e8 0a n da d ss o f t w a r e t h el a t t e r , u p c o v e r e r i s f a b r i c a t e d b yu s i n gh m c 3 2 9 a tl a s t ，m i l l i m e t e r w a v eb a n d p a s sf i l t e ri sa l s o s i m u l a t i n gb y s e n e r a d e8 0a n da d ss o f t w a r e i na c t i v es e c t i o n ，i no r d e rt om e e tp e r f o r m a n c eo fo u tp u tp o w e ra b o v e1 0 d b m ， t h ep o w e ra m p l i f i e rm o d u l eo fk a - b a n di sf a b r i c a t e db yu s i n gh m c 2 8 3t oa c h i e v e t h e1 4 d bc o n v e r s i o ng a i n t h e r ea r ef i v ep a r t st h a ti n c l u d eo fw a v e g u i d e t o m i c r o s t r i p 、m i x e r ，f i l t e r ， p o w e ra m p l i f i e r a n d w a v e g u i d e - t o m i c r o s t r i p i n p u ts i g n a l sp o w e r i sl o d b m ，a f t e ri t p a s sw a v e g u i d e t o - m i c r o s t r i p ，i t sf r e q u e n c yi s e s c a l a t ef r o m3 0 g h zt o3 5 g h z - t h r o u g h m i x e ra n df i l t e ro t h e r sf i - c q u e n c yb ym i l l i m e t e rw a v eb a n d - p a s s f i l t e r i no r d e rt o c o m p e n s a t ef o rc o n v e r s i o nl o s s o fw a v e g u i d e t o - m i c m s t r i pt r a n s i t i o n m i x e ra n df i l t e r , a d d i n gap o w e ra m p l i f i e rb yu s i n gh m c 2 8 3t o a c h i e v e1 4 d b c o n v e r s i o ng a i n a sar e s u r ，t h r o u g ht e s t i n gm o d u l eo fu p c o v e r e r - a m p l i f i e r , t h e m o d u l ec a nm e e t p e r f o r m a n c eo f l m d s m i l l i m e t e r w a v ef r o n t e n d a sak e yc o m p o n e n to ft h er a d i o s y s t e m ，a s s e m b l y m o d u l eo f u p c o v e r e r - a m p l i f i e rh a v ea d v a n t a g eo f s m a l l v o l u m e 、 l o w c o s ta n dr e l i a b l e s oi tc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l es y s t e m i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别注明和致谢的地方外，论文中不包含他人己 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其他教学机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本文所作的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 日期：溯年孑月万日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学为论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师 引言 随着通信的高速发展，毫米波已逐渐成为热点。许多民用和军事设备已逐渐 移向毫米波。毫米波也是近年来国外通信开发的主要频段之一，其特点是波束窄， 保密和抗干扰能力强，容量大，容易作到图像，数字兼容，相对来讲系统体积小， 重量低，低压供电且具有准全天候工作能力。这些特点正是精确制导武器和各种 飞行器所需要具备的。其频率宽，则可容纳的信道多，传输的信息量大。鉴于这 些优点，随着信息时代的到来，微波频段日益拥挤，再加上发展精确制导武器系 统的要求，毫米波技术的发展十分迅速。 毫米波射频电路是毫米波通信系统的关键部分，其上变频器是信号发射电路 中的关键电路。它通过混频器产生信号的和频。再经过带通滤波器滤除不需要的 谐频，镜频以及三阶交调信号，它是射频电路设计成功与否的关键。噪声，变频 损耗，变频增益，以及滤波器的频率范围，带外衰减程度，寄生通带，波导一微 带过渡的插入损耗，回波损耗都是电路指标的决定要素。上变频器被广泛地用于 雷达，制导，通信和无线电天文等广大领域之中。 l m d s ( 1 0 c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ，即本地多点分配业务。 l m d s 系统使用频率一般在1 0 g h z _ _ 4 0 g h z 之间，可用频带极宽。l m d s 的传 输容量接近了光纤水平。因而又称为”无线光纤”【2 j 。 一般的毫米波通信系统使用频率很高，如果受到天气变化的影响，雨雪云雾 都会引起电波信号的衰减，l m d s 系统采用动态自适应功率控制技术，在信号衰 减较大的情况下，自动增大信号的发射功率，使通信正常进行。l m d s 上变频器 是主要提供给无线宽带载波的射频电路。特别适合在人口高密度集中地区使用。 如繁华的城市商贸区，城市居民小区等1 3 j 。 l m d s 是在成熟的毫米波技术上发展起来的。由于近年来毫米波波单片集成 电路( m m i c ) 技术的发展，使得l m d s 成为众多本地宽带接入中成本低廉、功 能丰富的一种方案f 4 】。在l m d s 民用市场需求的推动下，作为l m d s 系统中的 关键部分毫米波前端，以其低成本、可靠性高、适合批量化生产而得到迅速 发展。目前，研制和生产l m d s 设备的厂商多集中在北美，在中国对l m d s 系统 的开发和应用还只是刚刚起步。但l m d s 以其大容量、多业务、易建设、见效 快等明显优势引起了业内人士的广泛关注。本课题属于毫米波系统工程中的关键 部件之- - 15 1 。 国内外动态 衡量l m d s 上变频器性能好坏的指标主要有，变频损耗，噪声系数，输入驻 波比，滤波器的频带宽度，寄生通带，带外衰减程度。它们之间是相互制约的， 设计应以总体性能指标为主，统筹分配各部分指标。 根据已查到的资料，下面介绍国内外技术现状。 ( 一) 国外动态。 1 9 9 1 年c e l l u l a rv i s i o n 公司采用f m 建立了第一个商用l m d s 系统。 1 9 9 6 年d b s 微波公司研制的l m d s 上变频功放组件，这种新型上变频功放 组件，本振回路中采用的是集成二倍频器。其技术指标为： i f 输出频率：2 7 - - 3 0 g h z ，l o 频率：1 3 1 4 g h z r f 输入频率：o 5 2 5 g h z ，变频损耗：1 0 d b l o 和r f 输入端口：s v i a 接头，i f 输出：b j 3 2 0 波导潼兰 ；基 ( 二) 国内动态 中美合资北京汇海威通信技术有限公司生产的变频器作为高度集成的模块。 上变频模块包括谐波上变频器，r f i f 滤波器和驱动放大器。输出功率为2 0 0 m w ， 带外抑制为3 0 d b 。上变频器可以与低损耗e 面带通滤波器以及高功率s s p a 一 起构成于点对点，点对多点及中继等设备中的高性能发射机。l m d s 上变频器已 经从开始研制到试生产。其技术指标为： 输出频率：2 7 2 7 5 g i q z输入频率：1 7 7 一i 8 2 g h z 本振频率：9 3 g h z 本振功率：1 0 d b m ，输出功率：2 0 0 m w 中频射频增益：3 0 d b ( 典型值)镜像抑制：2 0 d b ( 最小值) ， 输入p l d b ：0 d b m 电压驻波比：2 ：1 ( 典型值) ( 所有端口) ，工作温度：一3 0 - - 5 0 。c 根据l m d s 上变频器总体要求，本课题拟定指标为 r f 频率3 0 g h z l o 频率4 5 5 5 g h z i f 频率34 5 3 5 5 g h z 谐波抑制优于一3 0 d b c 可承受的本振信号输入功率2 0 d b m w 滤波器 中心频率3 5 g h z - 3 d b 带宽 3 5 一2 0 d b 小于3 2 g h z 和大于3 8 g h z 最大驻波比 2 0 本论文主要解决的是上变频器放大组件电路设计问题，包括电路结构的选择 、微带输入输出匹配网络的设计、偏置电路的设计以及过渡结构的设计，还要考 虑噪声性能、稳定性能、微带不连续特性的影响。 k a 频段上变频器是电子1 3 所承担的国家l m d s 系统射频发射支路中的关键 部件，它的指标很大程度上决定整个系统的性能。 电子科技大学硕士论文 第一章毫米波和毫米波传输线及集成电路 1 1 毫米波及其特点 毫米波是波长介于l l o n _ n 的电磁波谱，对应频率范围3 0 0 3 0 g h z 。毫米 波可用的频带很宽，可达数百甚至上千兆赫。这是低频无线电波无法比拟的。这 意味着毫米波的信息容量大。所以现在很多多路通信系统，包括卫星通信系统， 都在考虑采用毫米波频段。另外，毫米波信号还可以提供相位信息、极化信息、 多普勒频率信息。这在目标探测、遥感、目标特征分析等应用中是十分重要的。 毫末波适用于空间与空间的通信；毫米波段的6 0 g h z 频段的电波大气衰减较大， 适于作近距离保密通信和空间星际通信；而9 0 g h z 频段的电波在大气中是个窗口 频段，一般为雷达系统选用；对于长距离的通信，则l 波段更适合，因为在此波 段容易获得较大的功率。在电磁频谱中，毫米波介于微波和光波之间，低端与微 波相连，而高端则和红外、光波相接，其领域兼容微波、光波两门技术学科的理 论和技术，并逐渐发展成为一门知识密集和技术密集的综合性分支学科“1 ，它的 发展也必然同时为信息科学、微电子技术、大气物理和材料科学等方面的研究提 供重要手段，从而进一步促进这些学科的发展。毫米波的发展由其本身的固有特 点所确定。短波长，宽频带以及与大气的相应作用，是促进毫米波发展的三个基 绎 本因素。毫米波技术在雷达、通讯、制感) 射电天文、等离子物理等方面有广阔 的应用前景。民用方面，如在点对点，点对多点通信，车辆防撞，生物医疗等方 面的应用也日渐增加。 毫米波的大气传输特性，主要受限于大气中水蒸汽、氧分子的吸收和散射效 应。毫米波频段有四个低损耗大气“窗口”，它们的中心频率在3 5 ，9 4 ，1 4 0 和 2 2 0 g h z 附近，其对应波长分别为8 6 ，3 2 ，2 1 和1 4 m m ，其可用带宽分别为1 6 ， 2 3 ，2 6 和7 0 g h z 。任何一个毫米波“窗口”的可用带宽几乎都可以把包括微波频 段在内的所有低频频段容纳在内。这些带宽特性，在雷达中可用窄脉冲和宽带调 频技术获得目标的细部特征。在通信系统中能传送更多的信息，大大拓宽己十分 拥挤的通信频谱，为更多用户提供互不干扰的通道。宽带特性也能为各种系统提 供高质量的电磁兼容特性。同样，对应的中心频率为2 2 ，6 0 ，1 2 0 和1 8 3 g h z 这 些大气高衰减区频段成为保密通信的首选工作频率。 电子科技大学硕士论文 相对于微波，毫米波波长短，可用频带宽，天线口径小，抗干扰能力强， 多h 勒效应灵敏度高，以及设备尺寸小，重量轻，机动性好。近年来，随着毫米 波元、器件水平的提高，毫米波系统在精确制导、电子对抗、通信技术、无线电 遥感、仪器与测量等方面得到了很大的发展。 1 2 毫米波平面集成传输线 微波毫米波混合集成电路的无源电路大都采用平面传输线，半导体器件则单 独封闭焊接到电路中。由于在电路加工过程中采用了制版光刻与腐蚀技术，可以 将复杂的毫米波电路精确地制作在介质基片上，所以有良好的可靠性和可重复 性。目前我国在毫米波频段集成电路的实现，仍以混合集成技术为主。二十世纪 九十年代以来，随着电路集成度的迅速提高，微波毫米波单片集成电路( 删i c 一 - - m i c r o w a v em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 已成为可能，即把无源电路、无 源元件、有源器件集成在同一半导体芯片上。如今删i c 己迅速成为微波技术领 域的重点研究及发展方向。随着微波毫米波集成电路技术的飞速发展，微带集成 的毫米波子系统和系统已经大量应用于实际工程嘲。 1 2 1 毫米波平面传输线的种类 在毫米波集成电路中，可以利用多种传输线。例如微带线、悬置带线、槽 线、共面线、镜像线等。表卜1 给出了这些传输线的综合比较结果。可以看到， 在毫米波频段，微带线、鳍线、共面线和悬置带线用于平面集成电路都非常适合。 以下为几种形式的传输线，如图1 1 所示： 僧线共面线 镜像战 图1 1 几种典型的平面传输绒 微带线实际上可以看作同轴线的转化，图1 2 是这一过程： 电子科技大学硕士论文 同轴线 金属扳间带状线徽带 图1 2 同轴线到微蒂的过渡 表i i ：平面传输线传输特性列表 质基片 传输线适宜的工作频率可用阻抗范围传输线截面尺寸 传输线q 值 ( g h z )( 0 ) 标准微带l 1 0 01 5 1 0 0小低 槽线2 6 06 0 2 0 0 由 低 共面线 2 6 04 0 1 5 0 中低 鳍状线 3 0 1 5 02 0 4 0 0中中 悬置微带l 1 5 02 0 1 5 0小 凼 三板带线05 4 01 5 1 0 0小低 从表中也可以看出，微带线的截面尺寸小、可用阻抗范围大，适宜的工作频率范 围也较宽，适合于平面集成电路川。 本课题需要采用平行耦合滤波器，为此，先介绍一下耦合微带线。这种结构 在无源和有源微波集成电路中应用甚广。对称耦合微带指相耦合的两条微带线具 有相同的截面尺寸和同一介质基板的结构。 耦合微带线也是非均匀介质填充的传输线。在求得er - l ( 空气介质) 及，= e ，耦合微带线每一带条单位长度对地的奇、偶模电容c 。( i ) 和c 。( 1 ) 及 c 。( e ，) 和c 。( e ，) 后，耦合微带线奇模和偶模的有效介电常数就可分别表 示为： e * 。搿 z eo e 2 搿 z 国 一可f 。 由上述这些单根线构成的耦合线，实际上也是组成微波集成电路的基本单 元，如定向耦合器、滤波器等，往往需采用耦合传输线段。 电子科技大学硕士论文 祸台传输线旭常是t 匝用所谓奇、偶模理论进行分析的。这就是将耦台传输线 上的电磁传输过程，看成是一反相等幅( 奇模) 电压和同一相等幅( 偶模) 电压 激励耦合线所引起的电磁传输过程的叠加。耦合传输线在奇模和偶模激励下的各 条传输线的特性阻抗分别称为奇模阻抗z 。和偶模阻抗z o 。它们与传输线上奇 、偶模相速u p 0 及up e 和单位长度的奇、偶模电容c 。及c 。由如下关系： 瓦2 晒i：卸 瓦2 赢 式中，c 0 0 和c * 是er 的函数。不均匀介质填充的耦合传输线上”p o 及up 。与真 空中电磁波速度u 。间的关系为 铲赤 n 2 川 v o 脚 一 v 一2 去v o 酣 这里ec 。和e * 分别是奇模和偶模有效介电常数。它们不均匀介质填充的耦合传 输线上奇、偶模波的导引波长 舯及入鲈与自由空间波长 。有下述关系： 铲毒 ：哪 。# dn 2 去、o 群 1 2 2 理想传输线基片的特性及其理论分析 1 微波集成电路的理想基片材料应具有下列特性： 1 ) 稳定的介电常数； 2 ) 低的损耗因子； 3 ) 介电常数在工作的频率和温度范围内应具保持恒值； 4 ) 高的纯度，均匀的特性； 5 ) 表面光洁度高； 6 ) 热传导性好。 2 微带的传输特性理论分析 电子科技大学硕士论文 微带线的主要电参数是特性阻抗z 。，导行波长 。及有效介电常数e 。一部 分电磁场存在于空气中，空气和介质基片的交界面处存在不连续的电磁场。所以 微带传播的电磁波存在一定的纵向分量，称作准t e m 波。尤其随频率升高至毫米 波频段时纵向场分量不容忽视，表现为色散现象更加明显。 平面集成电路中的无源部分是由一系列的微带不均匀区组成，对它们的分析 是设计m i c m m i c 的基础。分析方法分为两类。第一类是用电磁场数值解法，包 括谱域法、直线法、时域有限差分法、有限元法、矩量法等。这种方法直接计算 电磁场分布，故称作全波分析。第二类是等效电路法，即将微带看作一个由电感 及电容构成的无损网络，一般用于电路c a d 程序中，这种方法再通过网络参数计 算获得电路特性，即根据不同的微带结构选择相应的数值来对电路等效。 1 3 毫米波集成电路 从国外的发展过程和国内十余年的实践经验来看，毫米波功能部件和子系统 低成本批量生产必须采用集成技术来实现。集成电路包括两种：混合集成( h y b r i d i n t e g r a t e d ) 和单片集成( m o n o l i t h i ci n t e g r a t e d ) 。混合集成电路的特点是： 1 在绝缘基片上制作r f 电路并在规定位置焊装半导体器件； 2 在保证低成本制作前提下，电路设计相对比较灵活； 3 整体电路集成之前，模块中每个功能部件可以单独计算，制作和测试； 4 相对研制经费少。 单片集成电路的特点是： i r f 电路和有源器件都在半导体基片上一次集成： 2 在半导体基片上实现多功能电路组合； 3 批量生产成本低，但研制期内投入资金多； 4 工艺难度大，单个功能部件检测困难。 它们的共同特点是所提供的收发系统必须以平面形式在基片上实现，并尽可能多 的实现多种功能的组合。 对于毫米波集成电路，基层材料的选择十分重要。从为便于加工制作和降低 制造成本角度考虑，选择软基片材料比较合理，可供选用的毫米波基片材料有多 种，普遍采用的软基片材料如d u r o i d 基片，其最佳厚度按最低t m 模截止频率考 虑，在k a 频段，基片厚度应为o 2 5 4 m m 。 电子科技大学硕士论文 对毫米波系统中的集成电路可以采用混合集成和单片集成来实现“1 ，为了获 得系统的最好性能价格比，把混合集成和单片集成技术综合使用是一种值得推荐 的方式。 电子科技大学硕士论文 第二章微带一波导过渡器的设计 2 1 波导一微带的过渡的种类 由于本课题输入频率为3 0 g h z ，输出频率为3 5 g h z ，需要波导一微带的过 渡器，波导一微带的过渡在毫米波技术中十分重要，许多毫米波试验设备的输入 和输出端口也为波导形式，为了便于测试、传输以及独立微带电路之间的连接， 就要求有性能良好的波导一微带过渡器。这种过渡器应满足以下要求： 一 低的传输损耗和高的回波损耗 二 工作频带宽 三便于加工制作 四装卸容易并具有良好的重复性和一致性 目前，波导一微带过渡的主要形式有：脊波导转换，用探针转换，以及对脊 鳍线转换的结构。在微波频段主要采用阶梯或渐变式单脊波导过渡。在毫米波集 成电路中，由于基片薄或者软，导带窄，结构和工艺上带来困难。波导脊与导带 的连接采用压力接触，焊接工艺难于掌握。由于鲭线内存在各种模式，抑制所 有不需要的反馈不容易，另外在截止频率下输入输出的鳍线提供一个纯电抗源阻 抗或负载阻抗，使有源器件处于不稳定区域，易出现自激振荡。微带探针转换使 目前应用最为广泛的波导一微带过渡形式，它从同轴探针发展而来，能使波导以 垂直和平行于微带电路所在平面的方向与微带相连，结构上比较灵活。并且它有 明显的优点：它的插入损耗低，回波损耗大，频带宽，且其结构紧凑，加工方便， 装卸容易。1 9 8 8 年，y i c h is h i h ，y h u y - - n h u n g t o n 和l o n g q b u i 设计的探针 转换在k a 频段插入损耗就为0 4 d b ，回波损耗为1 5 d b ；在w 波段插入损耗达 2 d b ，回波损耗达1 5 d b 。1 9 9 4 年，h u i w 两y a o ，a m r a b d e l m o n e m ，j i f u h l i a n g ， a n d k a w t h a r a a a k i 设计的渐变式单脊波导过渡在微波频段插入损耗达o 5 d b ，而 回波损耗达3 0 d b i9 1 ，现在国外还在研制单片集成的过渡形式。 脊波导过渡常见的有正弦曲线或阶梯形式。这种形式的的过渡把标准矩形波 导中主模式t e 。波阻抗变换到微带的特性阻抗。但由于过渡段的长度一般等于或 大于】个波长，这样就使腔体比较大，增大了系统体积。与探针式过渡相比加工 也比较困难。 电子科技大学硕士论文 图2 1 曲线型过渡 ! 圉2 - 2 阶梯型过渡 其中脊波导通过h f s s 系统仿真的结果如下： c i b 0 o 一1 0 0 2 0 0 3 0 o 一4 0 - 0 一0 、， 、， ll ， l a 2 烈3 6弼4 0 f r e q cq i z 匿 2 - 3 脊波导5 1 1 的仿真 ， 、 |、 f 、 弛朝耨靼 4 0 f r q ( g ) 图2 4 脊波导s 2 l 的仿真 图2 - 3 ，图2 - - 4 分别为波导到微带曲线脊波导过渡用h f s s 对s 1 1 ，s ：。的 仿真结果，中心频率为3 5 g h z ，其中在3 5 g h z 的墨l 为- - 4 8 d b ，是。为一o 2 d b ， 具有传输损耗小，回波损耗大的特点。带外抑制程度高。但是墨。在3 5 g h z 左右 变化幅度大，而且体积太大。本课题考虑到以上因素，决定采用微带探针式过渡。 2 2 波导一微带的探针过渡 e 面的微带探针式过渡，用一个距离短路活塞约九4 的探针通过狭槽进入波 导，将能量耦合出来。此时探针位于波导中电压最大、电场最强的地方。探针的 输入阻抗是探针长度、宽度、波导短路活塞距离以及频率的函数，可以优化算出 这些值，使其成为相对稳定的结构，这种结构将在较宽的频率范围内，保持较小 的插入损耗和较大回波损耗1 1 1 ，其结构见图2 - - 5 。因为这种结构更加紧凑，更 适合于小体积集成电路。 o l 2 3 s 曲 吨 咄 吨 吨 吨 电子科技大学硕士论文 图2 5 过渡电路中的场结构 我们利用a g l i e n t 5 6h f s s 三维电磁场软件在k a 频段对该波导一微带过渡进 行电磁场仿真，波导为k a 频段标准矩形波导( 7 1 1 2 m m 3 5 5 6 m m ) ，主微带线 取5 0 q ，采用0 2 5 4 m m 厚的r t d u r o i d 5 8 8 0 介质基片( e ，= 2 2 2 ) 。在混频器中 使用的波导一微带探针过渡电路结构h f s sa g i l e n t 5 6 计算机仿真的结构图如图 2 6 所示。 图2 - 6 探针过渡的结构仿真图 它的探针的长度、宽度、短路端离探针的距离如表2 1 ，仿真结果如图 2 7 所示： 表2 1 波导为b j 3 2 0 ( 7 i 1 2 x 3 5 5 6 m m ) 单位m m l 基片厚度h介电常数er金属厚度t 探针长度l探针宽度w短路端离探针的距离h 0 2 5 42 2 z0 0 3 52 1 6 o 7 62 8 5 电子科技大学硕士论文 一一一 强 、繇。1 一、厂 、， 2 83 03 2雒篇篇鞠40 h e q 蜩) 图2 7 波导至微带的探针过渡：r - r k 避段的仿真结果 由图可见，在3 2 - 3 8 g h z 范围内，插损小于0 3 d b ，回波损耗大于2 0 d b 。 因为中频输出使用的特性阻抗为5 0 f 2 的s m a ，只要在焊接时注意点光滑连接 就可以了。 在a g l i e n t 5 6h f s s 中，对三a 阻抗变换器建立仿真模型，如图2 8 ，并且为 了测试方便，设计微带到波导过渡器结构时，它由两个波导微带背靠背相连。 图2 8 探针过渡的测试系统结构仿真图 测试系统的探针的长度l 、宽度w 。波导短路端离探针的距离h 以及两个 波导连接长度如表2 - - 2 ，仿真结果如图2 - - 9 所示： 1 0 电子科技大学硕士论文 表2 2 波导为b j 3 2 0 ( 7 1 1 2 x 3 5 5 6 m m ) 连接长度为1 2 m m单位m m 图2 9 探针过渡测试系统盼仿真结果 从仿真结果可以看出探针的宽度、长度，波导高低阻抗线的长度对仿真结果 有很大的影响。在考虑到加工工艺和公差的情况，我们对波导移动了一定距离再 作仿真，从结果上看在小于0 。0 7 r a m 范围内没有很大的变化，其中波导短路端到 过渡探针的距离应取恰当值，以避免高次模产生，为此暂定为3 2 5 r a m ，以后在 调试的时候，再作微小变动，以达到最好的效果。 电子科技大学硕士论文 第三章镜频抑制混频器的基本原理及研制 3 1 肖特基势垒二极管 集成混频电路中广泛使用的是肖特基二极管，详细分析肖特基二极管的混频 机理，选择适当的电路形式，对于充分利用半导体器件的潜力，最大限度的降低 混频器的变频损耗十分重要。肖特基势垒二极管被广泛应用在微波、毫米波混 频器中，与p n 结二极管相比，肖特基势垒二极管是多数载流子器件，不受电荷 短缺效应的影响，因而消除了限制二极管结通断转换速度的因素，砷化镓肖特基 势垒二极管的工作频率可达1 0 0 0 g h z 。 h 外廷屡 曹+ 衬底 、厂 图3 - 1 肖将基势垒= 极曹原理结柯 图3 1 示出了肖特基势垒二极管的原理结构。二极管制作在一个高导电率的 n 型( n + ) 衬底上。一个极纯的高导电率n + 缓冲外延层生长在衬底上面，用于降 低串联电阻并避免制作过程中漂移到外延层去的杂质出现在衬底上。n + 缓冲层 上又生长了一个n 外延层，连接到外延层的金属阳极形成整流结。衬底上做一个 欧姆接触。肖特基势垒二极管是金属阳极和半导体阴极之间形成的结，导电机理 不是半导体中少子的复合，而是热电子发射穿过由于功函数不同而产生的势垒。 肖特基势垒二极管的等效电路如图3 2 所示，其中，二极管的非线性结电阻 图3 2 肖特基势垒二报管的等效电路 r ，提供混频作用。c 。是非线性结电容，r 。是串联电阻，l 。是引线电感，c r 是封装 电容。 电子科技大学硕士论文 在阻性混频过程中，信号频率与本振的基波及各高次谐波组合成产生无穷 多个数目的解调信号。由于在3 ，及其更高阶谐波的功率很小，可以略去，故一 阶和二阶解调信号的作用最为显著，设本振频率为w z 。= 啡，信号频率为国， 其和频为0 9 = q + ；，差频i f 为吐一q ，这即为我们所需要的频率，用中 频输出回路提取i f 部分的功率，射频信号就转化为中频信号。本振电平通常远 远大于信号电平，故二极管的电流电压波形由本振信号电平确定。二极管的伏安 特性为： ，= 球x p ( 意) - 1 】 ( 3 1 1 ) 式中， 为反向饱和电流，e 为电子电荷，k 为玻尔兹曼常数，t 为工作温度，n 为理想因子。由于本振电平远大于信号电平，二极管的导抗为 g ( o = d - i = d t e x p ( a v )( 3 1 2 ) 式中p = + 圪c o s o ) 。t 是二极管两端电压，i 是流过二极管的电流，v 。是直流偏压， 。2 ；历e ，将e x p ( a v ) 用b e s s e l 函数展开，有 g ( f ) = 6 以c x p ( a v o ) 1 0 位圪) + 2 ( 2 圪) c o s 0 。f ) + 2 1 ：颤) c o s ( 2 曲。f ) + 】( 3 1 3 ) 其中，厶，厶厶是0 ，1 ，2 - - - 阶1 3 e s s e l 函数，上式可写为 g o ) = g o ( f ) + 2 9 。c o s ( ? ( ) 。t ) ( 3 1 4 ) g m = 口k e x p ( a v o ) i m ( a ) = o , 1 ，2 ( 3 1 5 ) g ( f ) 是一个时变导抗，若加上信号电平，有 v = v o + 圪c o s ( 6 0 。t ) + c o s 0 ，t ) ( 3 1 6 ) 设g ( f ) 变化不大，由信号电平b c o s ( w s t ) 产生的电流为 江驷s 乱一。叫 = g o f s c o s ( o j ，f ) + c o s ( o ) ，f ) 2 9 。c o s ( m o o 。f ) ( 3 1 7 ) = g o z , c o s ( o ) ；t ) + g 。z , c o s ( m o + 国，弘+ c o s ( 珊脚。一脚，x 上式就含有所需要的中频，。 混频器的技术指标包括变频损耗、噪声系数、隔离度及各端1 2 驻波比等。混 电子科技大学硕士论文 标。设二极管为理想状态，并且信号端和中频端完全匹配，变频损耗为 t 圳- 吲去c 去n t g o ( 9 1 0 + g r 2 + 一去o ) 叫 m ， 式中z 。为中频端口阻抗，g o 舒，由( 3 1 5 ) 式给出。如果取变频损耗的最小值， 则有 z 。2 百丽1 ( 3 1 _ 9 ) 栌g o ( 生g o + g ：) o h o ) k = 3 + 1 0 l o g 糯卜 ， 截止频率五表征二极管的优劣 仁赢( 3 1 - 1 2 ) 二极管的最小变频损耗由下式给出 心肌 丢姐象( 3 1 - 1 3 ， 式中心为二极管的反向电阻，晶是从半导体结处看去的等效源阻抗a 如果r f 信 号端和中频端未完全匹配，则失配损耗为 三。：1 0 l 。g 【6 一i i k l 2 1 1 一l i o l 2 ) 】 ( 3 1 1 4 ) 3 2 功率分配器 3 2 1 功率分配器的基本原理 功率分配器是将输入信号功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多 端口微波网络。从理论上讲，无论是输出端口没有隔离的简单功率分配器，还是 有隔离的混合型功率分配器；也无论是功率等分的还是不等分的功率分配器，均 可作成任意路数输出。但是，在平面型微波集成电路中，直接分成多路输出的只 1 4 电子科技大学硕士论文 有简单功率分配器才可能实现。混合型功率分配器，由于平面电路上要对称地安 置几个隔离电阻在结构上有困难，故一般只能作成两路的功率分配器，最多也不 超过三路；而混合型多路功率分配器通常是用数个两路功率分配器级联而成，一 分为二功率分配器的输出功率分配比，也因工艺条件的限制不能是任意的。用于 信号源和负载阻抗均为r 。的、路简单的等功率分配器电路结构十分简单，实 际上就是将特性阻抗为民的输入传输线分成条阻抗相同的支线。为了保证输 入端的阻抗匹配，在输入线的分叉口各支线中引入特性阻抗为 z o = 4 n r o( 3 2 1 ) 及长度为 ，= 以4 ( 3 2 - 2 ) 的阻抗变换线传输线段，然后再以特性阻抗为凡的传输线引至各自的负载。 简单的功率分配器各个输出端口处于失配状态，而且彼此没有什么隔离。要 改善这种情况，可采用混合型功率分配器。为了更一般性起见，这里假设信号源 内阻胄。和各路的负载阻抗月。不相等。在这种情况下，各路支线中的阻抗变换节 的特性阻抗应该为： z o = 凇。r o ( 3 2 3 ) 式中n 为分配器输出的路数。此阻抗变换节的电长度0 在设计的中心频率上应 该为万2 ，即 口2 等- + 詈 ( 3 z 4 ) 这里l 为变换节的长度。 混合型功率分配器与简单功率分配器的不同之处，主要在于前者的各路输出 端口均通过一隔离电阻r 。与一公共结点相连。这一措施既改善了输出端的匹配， 又增大了输出端之间的隔离。因为当二信号输给功率分配器后，由于电路结构的 对称性，将使输入功率分成大小相等的路输出。当输出各路均端接于匹配负 载r 。时，只要各路信号所经过的电长度相同，各输出端口将处于同电位，因而 电子科技大学硕士论文 输出端1 3 和公共结点间的隔离电阻并不消耗任何功率。但是，假如输出端口之一 由于某种原因使信号发生了反射，此反射信号的功率也将分路，一部分直接经过 这些隔离电阻传至其余各输出端口，而其余的隔离将返向输入端口，并在各路支 线交线交叉口再度分配，于是重新经由各支线传至各输出端口。因而，某一端口 的反射信号将经两种途径传至其余各输出端口，而这两种途径的电长度并不相 同，当隔离电阻尺寸很小、可视为集中元件时，它的电长度可近似地认为是零， 支线阻抗变换节的电长度在中心频率时为石2 。因而往返二次的电长度是石。可 见由两种途径至其余各端口的反射信号相位正好相反。可以证明，只要隔离电阻 选得与负载电阻民一样，且变换节的特性阻抗取为z o = 撇。月。，则两种途径 的反射波幅度将是相等的，因而彼此相消，这就实现了各输出端口之间相互隔离 的目的。 用奇、偶模分析方法，可以证明混合型路等各路分配器各输出端口之间 的隔离度为： 式中 = l o l o g 叫甜 4l矿coto+j邶-4巫7丽coto_+jrnz+1)cot0c o t o + j 2 4 - 万一li ( + ，2 il 分配器输入端电压驻波比p 为： 这里 ，：n r s r o 口= 分贝( 3 2 5 ) ( 3 2 - 6 ) ( 3 2 7 ) 一“一以 一一一一姒一一 一 卜 电子科技大学硕士论文 驴厚磊 勰， j + 1 + j 2 4 n t a n p j + j 1 一n j 胪防雨丽石莉高 o 2 。卵 p ：鬟, r 熟糕r 加， 3 2 2 3 d b 混合型功率分配器的设计 本课题混合型功率分配器在毫米波集成电路中实现的具体结构形式如图3 3 所示： 图3 33 曲功分嚣 图3 3 是微带或带状线混合型二等分各路分配器的带条导体的一种实际电 路形式。隔离电阻由薄膜电阻构成，因为每个输出端口与公共结点间的隔离电阻 为几，故两个输出端口的隔离电阻串联阻值为2 r o 。薄膜电阻的尺寸应比工作 波长小得多，以致可看成是集中元件。此电路中的阻抗变换节是呈圆形的，这是 为了便于安装尺寸较小的集中隔离电阻，同时又为了避免两路变换节彼此间发生 明显的耦合。变换节的长度为五。4 ，特性阻抗为g r o ，在r = 5 0 欧的系统中， 1 7 电子科技大学硕士论文 变换节的阻抗为7 0 7 欧“。 本课题采用z 。= 5 0 q ，另外基片相对介电常数s ，= 2 2 2 ，厚度h = 0 2 5 4 m m ， 5 0 f 2 带线的宽度= o ，7 6 m m ，由下式计算波导波长： 以2 去( 3 2 - 1 1 )、。o t = 半+ 竿( t + 一 刁 可得以= 6 3 l m 肌，! 主4 = 1 5 8 聊m 分支节处的阻抗z 。= 弛，可得对应的带线 宽度ko 4 3 r a m 。 在通过s e n e r a d e 建立仿真平台，如图3 - - 4 ，将上面算出的初值代入进行仿 真、优化。其结果觅图3 5 所示： 图3 一3 d 嘞分器的s e n e r a d e 0 姨平台 电子科技大学硕士论文 图3 63 d b 功分器s e n e r a d e 的仿真结果 3 3 毫米波镜频抑制混频器 在任何外差式微波系统中，混频器的镜频抑制都是颇为重要的技术问题。首先是 避免噪声恶化。混频器单边带噪声系数最小极限是3 d b 。即使在混频器之前有低 噪声放大器，而且尽管低噪声放大器噪声系数很低、增益也很高，若没有镜像抑 制，则全系统噪声仍将增大3 d b 。其次是镜频干扰