（电子科学与技术专业论文）毫米波谐波混频器研究.pdf

a b s t r a c t t h ep e r f o r m a n c eo fr e c e i v e ri sg r e a t l ya f f e c t e db yt h em i x e r , w h i c hi sa l w a y sp u t a h e a di nt h es u p e r - h e t e r o d y n er e c e i v e r t h et h es u b - h a r m o n i cm i x e ri sw i d e l yu s e di n m i l l i m e t e rw a v eb a n d ，b e c a u s et h el o f r e q u e n c yo fi tc a n b er e d u c e dt o1 2 ，1 4o r e v e nm u c hs a m l l e ro ft h ef u n d a m e n t a lw a v em i x e r , s ot h eh i g hp e r f o r m a n c el os o u r c e i nm i c r o w a v eb a n dc a i lb eu s e dt oa v i d et h ep r o b l e mt h a tt h eh i 曲p e r f o r m a n c el o s o u r c ei nm i l l i m e t e rw a v eb a n di sh a r dt ob eg o t u s i n ga n t i - p a r a l l e ld i o d e si sa g o o d s t r u c t u r ei ns u b - h a r m o n i cm i x e r s i nt h i sp a p e r , t h ef o u r t hs u b - h a r m o n i cm i x e r s w o r k i n gi n8 m mb a n da n d3 m mb a n da r ed e s i g n e db a s e do na n t i - p a r a l l e ld i o d e s w h i l ed e s i g n i n gt h e8 m mf o u r t hs u b - h a r m o n i cm i x e r , t h et r a d i t i o n a ld i o d e s c i r c u i ti n c l u d i n gf o u ro p e n s h o r ts t u b si su s e df i r s t l y a1gb a n d w i d t hi sg o ta c c o r d i n g t ot h er e s u l t sb ys i m u l a t i o n a l t h o u g ht h er e s u l t sa c c o r d sw i t ht h ep a p e rp u b l i s h e d e a r l i e r , t h ed i s a d v a n t a g eo ft h i sl l l i x e rt h a tt h eb a n d w i d t hi sn o tl a r g ee n o u g hi s o b v i o u s l y s oi nt h en e x tw a y , t h eo p e ns t u bu s e dt or e f l e c tt h er f i si n s t e a db yal o w p a s sf i l t e r ab e t t e rp e r f o r m a n c ei sg o t ，t h ei n s e r tl o s si sl e s st h a n 一10d bi nt h eb a n d f r o m3 3 3 g h zt o3 6 g h z ，t h eb a n d w i d t hi se n l a r g e di n t o2 7ga n dt h em i n i m u mi n s e r t l o s si s - 7 2 d ba tt h ec e n t e rf r e q u e n c y w h e nr fi sf r o m31 8t o3 6 1g h z ，t h ei n s o r t l o s si sb e t w e e n 一1 0 2d bt o 一1 2 5 d ba c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a f t e rt h a t ，t h ed e s i g n o ft h e3 m mf o u r t hs u b - h a r m o n i cm i x e ri sb a s e do nt h ei m p r o v e ds t r u c t u r eo ft h e8 m m f o u r t hs u b - h a r m o n i cm i x e r t h es i m u l a t i o nr e s u l ti st h a tt h ei n s e r tl o s si sl e s st h a n - 17 d bi nt h e4 gb a n d w i d t hf r o m9 2 2 g h zt o9 6 2g h z ，a n dt h em i n i m u mi s 一14 2 d b b a s e do nt h e f r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n i q u e ，t h el oo ft h e8 m mf o u r t h s u b - h a r m o n i cm i x e ri sd e s i g n e db yt h em i xo ft w op l l s t h eo u t p u t 丘e q u e n c yo ft h e m a i np l lc a l lb ec h a n g e df r o m1 5 g h zt o2 5 g h zb ya1 0 m h zs t e p a n dt h eo u t p u t o ft h eo t h e rp l li s6 5 g h z t h et e s td a t a st h a tt h eo u t p u tp o w e rb i g g e rt h a n10 d b m ， t h ep h a s en o i s eb e t t e rt h a n - 8 9 d b c h z 10 ka n dt h es p u r i o u ss u p p r e s s i o nb e t t e rt h a n 4 1d b cm e e tt h er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：s u b h a r m o n i c m i x e r , d i o d e s c i r c u i t , p l l ，m i x e r n 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，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经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它教育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研究所做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：掘 瞳。日期：弘d 年歹月7 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 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： 新虢耻 日期：勺1o 年s 月口日 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 从二战至今，微波在电子武器以及商用和民用系统中已成为最活跃的应用技 术之一。制导、雷达、导航、电子战、通信以及众多其他方向的应用早已和人民 的生活休戚相关。但近1 0 多年来，用户剧增使微波频谱出现拥挤，加之精确制导 武器系统的发展要求促使人们把系统的工作频率往上延伸，从而导致毫米波频率 的利用。毫米波频率范围为3 0 g h z 3 0 0 g h z ，相应波长为l m m - 1 0 m m 。其特点是 波束窄、保密和抗干扰能力强、频带宽、分辨率高。与红外线相比通过烟、雾、 灰、尘的能力强，可全天侯工作。而且毫米波系统体积小，重量轻、易于高度集 成化，因此已在各个方面获得了广泛的运用【l 】。 目前无线接收系统主要有如下四种方案：超外差式接收机、直接下变频接收 机、镜频抑制接收机和数字中频接收机。后三种结构是在超外差式接收机基础上 改进得来，其核心思想是采用混频器将高的载频信号降低为低中频或者零中频进 行解调处理。 天线 丫 l 叵h 1 多吨固叫 廿解调。 t 夕z o 图1 - 1 超外差接收系统 图1 1 为超外差接收系统示意图。天线从空间接收的信号经射频滤波器b p f l 选频后送入高频放大器，此放大器为低噪声放大器以保证整个系统较低的噪声系 数。被放大的射频信号混频后通过滤波器b p f 2 实现信道选择。最后对中频信号 进行放大、采样、解调等处理【2 1 。混频器作为超外差接收系统的关键部分，采用 其将高的载波信号变到低的中频信号主要基于以下几个方面的考虑。 1 中频信号比载频信号低很多，在中频段实现对有用信道的选择要比在载波 电子科技大学硕士学位论文 频段选择对滤波器在q 值以及实现难度的要求低很多。 2 接收机从天线上接收得到的信号电平一般很弱。将这个微小的信号放大到 可以解调或a d 转换器可以工作的电平，一般需要放大1 0 0 d b 以上。在毫米波段， 对射频信号进行放大难度大，且成本很高。而载频降低为中频后，将总增益分散 到了高频、中频和基带三个频段上。而且在较低频率的中频上做窄带的高增益放 大器比在载波频段做高增益的放大器容易和稳定得多。 3 对于现有的软件无线电系统，需要将频率降低以方便采样、解调等数字部 分的处理【3 j 。原因主要有以下2 点： a 对模拟信号需经过a d 采样，变换为数字信号。如果进行低通采样，根据 n y q u i s t 采样定理，采样频率要求不小于最高频率的2 倍。对于毫米波而言，目前 这种采样频率过高，因而只能考虑欠采样。 b 欠采样情况下，为了避免采样后信号混叠，在采样前引入抗混叠滤波器， 滤出所需要的带通信号然后再进行采样。其采样速率不再依赖于载波频率，而是 信号的带宽。但是由于载波频率过高，计算时发现载频与带宽比值q 过大。而q 过大要求高的采样精度并且会使噪声成1 0 1 0 9 q 恶化。为了防止噪声过量恶化，也 必须采用抗混叠滤波器，但在毫米波段高q 值的滤波器不容易实现【4 】。 毫米波混频器作为系统频率变换器件位于毫米波接收机的前置级或者低噪声 前置放大器的后续级，其性能如噪声特性、变频损耗( 变频增益) 对整个系统有十 分重要的影响。基波混频器因变频损耗小而得到广泛运用。但在毫米波频段难以 实现高性能的本振源使基波混频器的运用受到限制。谐波混频器由于可以采用现 有的高性能微波源作为本振源而成为毫米波频段混频的主要方式。谐波混频器是 让射频信号与本振的偶次谐波进行混频，其本振频率是基波混频器的1 ( 2 * n ) ( n - 1 ，2 ，3 ，) 。 1 2 国内外研究现状和发展态势 1 9 7 4 年，m c o h n ，j e d e g e n f o r d ，b a n e w m a n 等人用反向并联二极管研制出 第一个谐波混频器( 如图1 2 所示) 。射频信号1 2 g h z ，本振7 g h z ，均从左边端 口输入。中频为2 g h z ，从右边中频端口输出。此谐波混频器实测变频损耗为8 d b 。 虽然它的变频损耗和噪声系数比基波混频器稍大，但在相同射频和中频频率情况 下，其本振频率仅为基波混频器本振频率的1 2 5 1 。1 9 7 9 年f o r s y t h e r e ，b r a d y v t , w r i x o n g t 等人制作出18 3 g h z 的谐波混频电路，充分体现了谐波混频器在采用 2 第一章引言 现有高性能信号源作为本振方面的优势6 】 图1 - 2mc o h n 等人制作的第一个谐波棍频器图1 - 3k e n j il t o h e t a l 提出的新结构 9 0 年代初，日本三菱电子公司的k e n f i l t o h e ta 1 ，提出了一种适合制作m m i c 的新颖的谐波混频器电路结构( 见图1 - 3 ) 。此谐波混频器r f 、l o 信号采用不同 端口输入位于r f 端口和i f 端口的带通滤波器提高了三个端口隔离度。此外陵 谐波混频器首次运用了设计简单的开路、短路枝节作为二极管对电路，反射闲置 频率，明显减小变频损耗。该谐波混频器在3 6 g h z - 4 0 g h z 的工作频带内，变频 损耗小于l l d b l 。1 9 9 3 年a m a j a r 运用此种结构制作性能优照的混台集成谐波混 频器，射频信号在3 8 g h z 4 0 g h z ，变频损耗为9 d b 1 0 d b i 8 】。 h 1 “ 图1 4s 矩阵代替理想二端口 幽1 - 5 a m a d j a 计算损耗和闲频相位关系圈 1 9 9 6 年，a m a j a r 提出运用理想二端口网络代替射频信号输入端、本振信号 输入端、中频信号输出端网络，研究某些重要的闳置频率的相位对变频损耗的影 响【9 j 。计算时，对应理想二端口网络仅通过此端口对应频率，即射频端口网络仅 通过r f 信号：本振端口网络仅通过l o 信号；中频端口仅通过1 f 信号，闲置频 率被完全反射回二级管对中。在0 。3 6 0 。扫描重要闲频反射相位对变频损耗的 影响，从而确定实际二端口网络的参数( 图1 4 ) 。a m a j a r 在论文中采用这种方 文 罩型 一i 誊1 叶 琶一 电子科技大学硕士学位论文 法设计了一个二次谐波的上变频器，其中本振固定在1 1 5 g h z ，当中频在 4 5 g h z 。8 g h z 变化，即射频在2 7 g h z - 3 1 g h z 内变化时，变频损耗在8 d b 9 d b 。 谐波混频器采用本振信号谐波与射频信号进行混频，其余本振信号谐波和射 频信号谐波混频产生的闲频信号携带射频信号能量导致了变频损耗的增加。k e n j i i t o h e t a l 和a m a j a r 提出处理此闲置频率进而减小变频损耗的方法，简化了谐波混 频器的设计。由于管对电路为开短路枝节形式，结构简单，设计方便，且能直接 对重要闲置频率能量进行回收利用，后续谐波混频器基本沿用此结构。 1 9 9 6 年，s a i l i a yr a m a n 等人制作的m m i c 二次谐波混频器在本振为 4 5 g h z , - 4 6 g h z ，功率为9 d b m ，r f 为9 2 g h z 一9 6 g h z ，i f 为2 g h z , - , 4 g h z 时，最 优变频损耗为9 4 d b 1 u j 。2 0 0 1 年，c h a p m a n m w ，r a m a n s 制作出工作在 5 8 5 g h z - 6 0 5 g h z 的m m i c 四次谐波混频器，在r f 为5 8 5 g i - i z ，i f 为2 5 g h z 时，最小变频损耗为1 1 3 d b t n l 。2 0 0 4 年，k a n a y a , k a i h a r a , y k a t o h ，t k o m a r u , m m a t s u d a 等人制作出射频频率为7 6 g h z 的低中频m m i c 二次谐波混频器，在整 个频带内，变频损耗小于9 d b t l 2 】。e d w a r db s t o n e h a m 于2 0 0 6 年制作出用于 7 1 g h z - 7 6 g h z 和8 1 g h z - 8 6 g h zm m i c 谐波混频器，测得变频损耗小于1 2 d b t l 3 】。 从收集的文献可以看出，国外的谐波混频器研究已经进入一个比较成熟的阶段， 从k 波段到w 波段都有性能优良的m m i c 实现。 国内许多实验室和科研院所也对毫米波谐波混频器进行了研究和开发。1 9 9 3 年电子科技大学应用物理所的刘述章，四川省微波通信局的郭正平制作的k a 波 段四次谐波混频器采用微带结构，在射频3 0 g h z ，本振7 6 5 g h z 时，变频损耗为 2 0 6 d b 1 4 】。西安电子电信技术研究所上海分所的张广宇、李运、周晨阳研制的k 频段次谐波混频器当射频频率在1 8 g h z - 2 4 g h z ，变频损耗为l l d b l d b t ”j 。2 0 0 1 年，西安空间无线电技术研究所的和新阳和禹旭敏研究并制作的k 波段微带四次 谐波混频器，在射频取2 5 5 g h z ，本振选用6 3 5 7 5 g h z 的锁相频率源时，获得的 最小变频损耗为9 d b 川。2 0 0 3 年马凯学、张浩斌、陈建荣等人研究并制作的k a 波段高中频四次谐波混频器，本振端选用6 1 g h z 为中心频点，带宽为2 5 0 m h z ， 即信号在2 7 8 g h z 1 2 5 m h z 的范围内变频损耗小于1 5 d b t l 7 】。同年电子科技大学 的赵霞研制的k a 频段微带四次谐波混频器在射频频率为3 4 2 g h z 一3 5 g h z ，本振 频率为8 5 2 5 g h z 8 7 7 5 g h z ，中频频率为1 0 0 m h z 时，变频损耗低于1 0 5 d b ，其 中最优处为8 5 d b 1 8 】。2 0 0 5 年，电子科技大学的梁亮、徐军等人研究并制作了高 中频四次谐波混频器，经过测试表明，固定中频频率为3 g h z ，射频频率在 3 4 g h z - 3 5 8 g h z 的频带内变化时，变频损耗小于1 4 5 d b ，最小值为1l d b l l 引。 4 第一章引言 而在3 r n m 波段，国内有报道的平面混合集成谐波混频器较少。1 9 9 1 年，中 科院紫金山天文台的史生才、陈善怀以波导和同轴腔体为主体的非混合集成设计 制作的3 m m 谐波混频器1 1 次谐波变频损耗小于5 0 d b 2 0 】。2 0 0 4 年南京理工大学 的江勇设计的w 波段四次分谐波混频器在射频为9 0 g h z 9 6 g h z 时，仿真变频损 耗低于1 6 d b ，但没有实物【2 l 】。2 0 0 4 年东南大学陈浩设计的3 m m 二次分谐波混频 器射频为9 2 2 5 g h z 9 4 7 5 2 g h z ，中频2 8 8 g h z 时，仿真变频损耗约1 4 d b ，也没 有实物【2 2 】。2 0 0 6 年电子科技大学袁野设计的w 波段分谐波混频器，在 9 1 g h z 9 7 g h z ，实测变频损耗小于2 8 d b ，同时制作的四次谐波混频器变频损耗 在2 3 d b , , 4 8 d b 2 3 1 。2 0 0 8 年电子科技大学金龙，阮成礼制作的三毫米波亚谐波混频 器工作在9 2 g h z - 9 6 g h z ，中频8 g h z 1 2 g h z ，变频损耗小于1 9 1 d b 2 4 。 可以看到，受现有的加工工艺、微波集成水平以及测试仪器等条件的限制， 国内研制的毫米波混频器的工作频率一般在k a 波段，而且多为混合集成，距离 国外的水平还有一定的差距。而w 波段的研究，制作实物并进行测试的只有电子 科技大学袁野、金龙两者，且和国外差距明显。因此，有必要对毫米波谐波混频 器，尤其是更高频段作深入的研究和进一步的尝试。 1 3 本文工作内容 本文对毫米波谐波混频器进行了较深入和细致的研究。为方便3 r n m 振荡源 测试，本文在反向并联二极管对混频的基础上，基于微带混合集成结构设计了 3 m m 四次谐波混频器。在此设计前，进行了8 m m 四次谐波混频器的设计，以验 证电路结构、加工工艺等参数对器件性能的影响，进而扩展到3 m m 四次谐波混 频器的设计，如何减小混频器的变频损耗是设计的重点。鉴于传统的管对电路无 法在较宽的带宽内实现低的变频损耗，本文对管对电路进行了改进，进而获得了 更大的带宽。 为给设计完成的8 m m 四次谐波混频器提供本振信号，本文采用双p l l + 混频 的方法设计了8 m m 四次谐波混频器本振源。主环采用小数分频锁相环，输出频 率在1 5 g h z - 2 5 g h z 以1 0 m h z 步进可调。副环采用整数分频，输出为6 5 g h z 。 混频器实现双环输出频率的上变频，从而得到8 g h 弘9 g h z 的本振信号。 最后，对8 m m 四次谐波混频器及其本振源进行了调试和测试。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章谐波混频器工作原理 混频器的作用是将收到的信号载波频率和本振频率一起加到非线性器件产生 混频，从而实现频率变换。无源混频器采用二极管作为非线性器件，其非线性特 性是产生混频作用的基础。 2 1 非线性电阻混频原理 二极管混频器的原理等效电路如图2 1 所示。在肖特基势垒二极管上加较小 的直流偏置电压( 或零偏压) 、大信号本振功率( 1 m w 以上) 及微接收的微弱信 号( u w 级以下) 【2 卯。 吒( f ) 图2 - 1 二极管混频器等效原理图 假设本振与信号分别表示为 叱( ) = 圪c o s 吼 ( 2 1 ) v s ( t ) = 圪c o s 纨t ( 2 - 2 ) 由于圪 ，因此可以认为二极管工作点随本振电压而变化，而在各工作 点展开为泰勒级数。设二极管伏安特性用f = 厂( v ) 表示，则求得二极管电流的瞬时 值为 i = f ( v ) = 厂( v o + 圪c o s o l t + 巧c o s o ) s t ) = f ( v o + 圪c o s 吼f ) + 厂( v o + 圪c o s 吼f ) 珞c o s o s t + 五1 厂。( v o + 圪c o s 吼f ) v ；c o s 2 s f + ( 2 - 3 ) 由于i - v 特性的非线性，上述展开式中第一项含直流和本振基波及其谐波项， 6 第二章谐波混频器工作原理 是二极管电流中的大信号成分，并可用傅里叶级数表示为 f ( v o + 吒c o s f ) = ，。e 慨 ( 2 4 ) 泰勒展开式( 2 3 ) 中其他各项为二极管电流中的信号成分，当很小时，可仅 取第二项。 厂( + 圪c 0 s 吼f ) = 等l + 吒嘲吖= g ( f ) ( 2 - 5 ) 其中g ( t ) 为- - 极管电导。由于二极管是非线性元件， f = f ( v ) = i s 0 ”一1 ) 则 ( 2 6 ) g ( f ) = a s e 口盼吃雠吖( 2 7 ) 说明当本振电压随时间做周期性变化时，瞬时电导g ( t ) 也随时间做周期性变 化，称为时变电导。 甙t ) 也可展成傅里叶级数： 其中 g ( t ) = g 。矿吼= g o + 2 邑c o s ( i ) t ( 2 - 8 ) n = - - n = i 铲妊e - j o , l t d 吼f 亿9 ， 已知颤t ) 表达式，如式( 2 - 7 ) ，即可求出各项既值。其中岛称为二极管的平均 混频电导，其他岛是对应本振n 次谐波的混频电导。 因此由式( 2 3 ) 、( 2 - 5 ) 、( 2 8 ) 可知- - 极管电流中的小信号成分近似为 i ( t ) = f ( v o + 圪c o s o ) t ) r sc o s 缈s t = 岛c o s ( 0 s f + 邑kc o s ( r i c o y = 【g 。+ 2 9 ic o s 吼+ 2 9 2 c 0 s 2 a ) l f + v $ c o s ( 0 s ( 2 1 0 ) 若原理图2 - 1 中的负载采用谐振回路，选出所需中频成分( 决定于一次混频 电导与信号电压的乘积) ： 7 电子科技大学硕士学位论文 分= g l 珞c o s o ) o d 其中= ( o s 一吼 r o s r o l 或= 吼一略 当c o l ( 0 s或5 吼一略 当 ( 2 - 1 1 ) 而其他的混频产物都是不需要的频率成分，可称为寄生频率，或无用边带。 由于寄生频率也是由信号和本振产生的，如果在混频电路中消耗在某个电阻上， 就损失了信号功率，使输出中频功率小于输入信号功率，导致所谓“净变频损坏 。 这些寄生频率中缈。+ 缈：项为和频c o + ，由式( 2 1 0 ) 可见，其幅度也是由9 1 k 决定， 和中频分量幅度相同。但它离信号频率的距离接近倍频程，有可能予以滤除。还 有2 国，一。为镜像频率织，其幅度由g ：r s 决定，也是不容忽略的。由于在微波 混频时中频力矿 c o s 8 第二章谐波混频器工作原理 而在强信号下( 仍有v s “坼) ，则混频电流i 可最终表示为 f ( f ) = 眦。l e m 枷如p m 吮棚刚 h l m l = p m 吼棚啪 ( 2 1 4 ) 式中，。朋是每个n o ) + 聊频率分量的复数振幅。因为f ( f ) 是时间的实函数， 因此 ，n ，= i s - - h 。- - 雕 f 2 15 ) 显然要比不考虑信号谐波时增加了很多组合频率，从而消耗更多的信号功率， 使变频损耗增加，并导致各种变频干扰和失真。因此，混频器电路设计时最好能 抑制部分组合频率成分，以改善混频器性能。 2 2 谐波混频器 谐波混频器是指将本振的工作频率降低为基波混频器本振工作频率的1 2 、 1 4 或者更小进行混频。毫米波混频时，由于工作频率很高，本机振荡器的设计 制作更加困难，不仅造价高，且性能不稳定。通常，用于本振的固体器件总是比 混频管难制作，有时尽管研制出了性能优良的肖特基二极管，但缺乏相应频率的 本机振荡器导致了此混频二极管不能在基波混频器中应用。其次，为降低本振噪 声，常采用平衡混频器，而毫米波频段，平衡混频器的结构尺寸很小，加工困难。 管对式的谐波混频电路是毫米波和亚毫米波混频的一种较好的方式。谐波混 频是把两个混频二极管反向并联在传输线上，本振频率可以是射频频率的一半， 或者是四分之一，甚至更小，即石= 2 五+ 力，或者石= 4 无+ 厶( 石代表 射频信号，疋代表本振信号，后代表中频信号) 本振频率的降低解决了毫米波、 亚毫米波本振的困难，也使结构安装大为简化。 - f 一 + f 2 厂3e f 。j l 图2 - 2 反向并联二极管原理图 9 电子科技大学硕士学位论文 如图2 2 ，本振和信号都加在电路两端，两只混频二极管极性相反地并联在 传输线上，偏压为零。则单个肖特基二极管的电流特性是 f = j s 。( e 珊一1 ) ( 2 1 6 ) 管对的总电流是 f = i l + i 2 = i s o ( e 甜一e 一卯) = 2 i s os i n h ( a v )( 2 - 1 7 ) 外加本振电压是 v = 圪e g ) s c o 工t ( 2 1 8 ) 代入上式有 扣2 1 s o 2 1 1 ( a v l ) c o s c o l t + 2 1 3 ( a v l ) c o s 3 c o t + 】 ( 2 1 9 ) 式中，。似圪) 是1 1 阶第一类变形贝塞尔函数，即 l 圪) 2 芴1 扣( 口c o s 吼砂c o s ( 以纨f ) d 吼f ( 2 - 2 0 ) 由上式可见，由于电流是奇函数，展开式中没有偶次项，管对的混频电导是 g = 一d i = 2 a l s c h ( 口圪c o sg t ) 一一一)d g 2 一v 2a x s c h ( 口( 2 - 2 1 j 由于电导g 是偶函数，其傅氏展开项中没有奇次项： g = 2 a i s o i o ( a z l ) + 2 1 2 ( a v l ) c o s 2 0 ) t + 2 1 4 ( 口圪) c o s 4 ( o t + 】 ( 2 2 2 ) 可见管对的大信号非线性特性可归纳为： 1 加本振后的管对电流只有奇次谐波，没有偶次谐波，没有直流分量。 2 混频电导只有偶次谐波，没有奇次谐波。 3 电流和电导的各次谐波幅度都比单管时大一倍。 如果在已加本振的混频管上，再加一个小的射频电压： v s = 珞c o s c o s t ( 2 - 2 3 ) 则混频后的小信号混频电流是 i = g v s = 2 c t i s o 珞c o s c o s i o ( a v l ) + 2 1 2 以圪) c o s 2 c o t + 2 1 4 圪) c o s 4 c o t + 】 ( 2 2 4 ) 可见，混频电流中将出现( 2 c o + c o s ) ，( 4 c o l + c o s ) 等谐波分量，从而可归 纳出管对的混频特性是： 1 0 第二章谐波混频器工作原理 混频电流谐波( ，l 吼+ _ n c o s ) 中只存在m 为偶数的项，没有基波混频，也没 有三次谐波混频。谐波成分比单管混频少了一半。 电流谐波中没有m 为奇数的项，这些m 为奇数的电流谐波仅存在于两管的 环路中。 2 3 混频器主要指标 以下为混频器的主要技术指标及其定义。 1 工作频带 工作频带包括射频信号范围以及本振及中频信号范围。 2 变频损耗 混频器的变频损耗为输入资用功率和加到负载上的功率之比， 即l = 弓或三( 如) = ( 如) 名( d b ) 3 噪声系数 描述信号经过混频器后质量变坏的程度，定义为输入信号的信噪比与输出信 号的信噪比的比值。这个值的大小主要取决于变频损耗，还与电路的结构有关。 肖特基二极管的导通电流直接影响混频器的白噪声，这个白噪声随电路的不同而 不同，在混频器的变频损耗上增加一个小量。 4 线性特性 a 1 d b 压缩点：在输入射频信号的某个值上，输出中频信号不再线性增加， 而是快速趋于饱和。拐点与线性增加相差l d b 的信号电平。混频器的l d b 压缩点 与本振功率有关，因为混频器是本振功率驱动的非线性电阻变频电路。 b 1 d b 减敏点：描述混频器的灵敏度迟钝的特性，与l d b 压缩点有关，也是 雷达近距离盲区的机理。 5 动态范围 最小灵敏度与l d b 压缩点的距离，用d b 表示。通常的动态范围要大于6 0 d b 。 动态范围的提高，意味着系统的成本大幅度增加。 6 谐波交调 与本振和信号有关的交调杂波输出。 7 三阶交调 输入两个信号时的i p 3 ，定义为l d b 压缩点与三阶输出功率线的距离。 8 本振功率 电子科技大学硕士学位论文 混频器的指标受本振功率控制。若本振功率不够，混频器就达不到预定指标。 产品混频器都是按功率d b m 值分类的，如7 d b m 、1 0 d b m 。 9 端口隔离度 三个端口l o 、r f 、i f 频率不同，互相隔离指标，d b 越高越好。端口隔离度 与电路设计、结构、器件和电平有关，一般要大于2 0 d b 。 l o 端口v s w r 三个端口的驻波比越小越好。尤其是r f 口，它会影响到整机的灵敏度。 对于本文设计的四次谐波混频器，设计中主要关注工作频率、变频损耗、端 口隔离度等几个指标。 2 4 本章小结 本章首先介绍了非线性电阻混频器工作原理，然后对采用反向并联二级管对 的谐波混频器工作原理进行了简要分析并得出了此管对结构的特点，为后面8 m m 四次谐波混频器和3 m m 四次谐波混频器的设计给出理论依据。 1 2 第三章8 m m 四次谐波混频器设计 3 1 设计概述 第三章8 m m 四次谐波混频器设计 基于管对式谐波混频理论，本章采用两种方案对8 m m 管对式四次谐波混频 器进行设计。在确定设计方案的基础上，采用a d s 、h f s s 设计了管对电路、微 带一波导过渡、低通滤波器等子电路。最后在a d s 中运用谐波平衡法对变频损耗 和端口隔离度进行了计算。 8 m m 四次谐波混频器设计指标如下： a ) 射频频率：3 3 g h z - 3 5 g h z b ) 中频频率：1 0 0 m h z 曲插入损耗：优于一1 0 d b d ) 端口隔离度：大于2 0 d b 3 1 1 谐波混频器整体方案介绍 图3 - 1 谐波混频器整体结构图 谐波混频器为三端口网路，其基本结构如图3 1 所示。r f 信号从左端的射频 端口输入；l o 信号由右端的本振端口输入；中频信号从左端中频端口输出。r f 、 l o 端滤波网络阻止球信号及其他杂散信号在本端口的泄露；i f 输出端的低通滤 波器实现i f 信号的选择输出，并防止r f 信号从i f 端口泄露。管对电路在9 0 年 1 3 第一章引言 现有高性能信号源作为本振方面的优势6 】 图1 - 2mc o h n 等人制作的第一个谐波棍频器图1 - 3k e n j il t o h e t a l 提出的新结构 9 0 年代初，日本三菱电子公司的k e n f i l t o h e ta 1 ，提出了一种适合制作m m i c 的新颖的谐波混频器电路结构( 见图1 - 3 ) 。此谐波混频器r f 、l o 信号采用不同 端口输入位于r f 端口和i f 端口的带通滤波器提高了三个端口隔离度。此外陵 谐波混频器首次运用了设计简单的开路、短路枝节作为二极管对电路，反射闲置 频率，明显减小变频损耗。该谐波混频器在3 6 g h z - 4 0 g h z 的工作频带内，变频 损耗小于l l d b l 。1 9 9 3 年a m a j a r 运用此种结构制作性能优照的混台集成谐波混 频器，射频信号在3 8 g h z 4 0 g h z ，变频损耗为9 d b 1 0 d b i 8 】。 h 1 “ 图1 4s 矩阵代替理想二端口 幽1 - 5 a m a d j a 计算损耗和闲频相位关系圈 1 9 9 6 年，a m a j a r 提出运用理想二端口网络代替射频信号输入端、本振信号 输入端、中频信号输出端网络，研究某些重要的闳置频率的相位对变频损耗的影 响【9 j 。计算时，对应理想二端口网络仅通过此端口对应频率，即射频端口网络仅 通过r f 信号：本振端口网络仅通过l o 信号；中频端口仅通过1 f 信号，闲置频 率被完全反射回二级管对中。在0 。3 6 0 。扫描重要闲频反射相位对变频损耗的 影响，从而确定实际二端口网络的参数( 图1 4 ) 。a m a j a r 在论文中采用这种方 文 罩型 一i 誊1 叶 琶一 第三章8 m m 四次谐波混频器设计 3 1 设计概述 第三章8 m m 四次谐波混频器设计 基于管对式谐波混频理论，本章采用两种方案对8 m m 管对式四次谐波混频 器进行设计。在确定设计方案的基础上，采用a d s 、h f s s 设计了管对电路、微 带一波导过渡、低通滤波器等子电路。最后在a d s 中运用谐波平衡法对变频损耗 和端口隔离度进行了计算。 8 m m 四次谐波混频器设计指标如下： a ) 射频频率：3 3 g h z - 3 5 g h z b ) 中频频率：1 0 0 m h z 曲插入损耗：优于一1 0 d b d ) 端口隔离度：大于2 0 d b 3 1 1 谐波混频器整体方案介绍 图3 - 1 谐波混频器整体结构图 谐波混频器为三端口网路，其基本结构如图3 1 所示。r f 信号从左端的射频 端口输入；l o 信号由右端的本振端口输入；中频信号从左端中频端口输出。r f 、 l o 端滤波网络阻止球信号及其他杂散信号在本端口的泄露；i f 输出端的低通滤 波器实现i f 信号的选择输出，并防止r f 信号从i f 端口泄露。管对电路在9 0 年 1 3 电子科技大学硕士学位论文 代初由k e n j ii t o h e t a l 提出，用于反射重要的闲频信号以减小变频损耗。 具体电路实现本文采用两种拓扑结构图，分别如图3 2 和图3 3 。 图3 - 2 方案一整体方案图 方案一采用k e n j ii t o h e t a l 提出的结构作为基础。射频信号采用w r 2 8 标准矩 形波导注入，而混频器为微带混合集成结构，因此需要波导微带过渡，否则造成 电路的不连续，导致射频信号反射。中频信号、本振信号采用s m a 接头。开短 路枝节a 、b 、c 、d 构成经典的管对电路，将重要闲频信号反射回二极管对，对 其能量进行回收。射频信号输入端d c i fb l o c k 阻止直流、中频信号泄露。与图 3 1 相比，方案一本振输入端并未采用带通滤波器，因为枝节c 、d 对重要的闲频 信号进行了反射，加上带通滤波器后并未使性能明显改善，却增加了设计的复杂 度以及电路的尺寸。 方案一子电路设计包括：管对电路设计、波导微带过渡设计和中频端低通滤 波器设计。 图3 - 3 方案二整体方案图 为获取更大的带宽，方案二在方案一基础用一个低通滤波器取代反射闲频的 1 4 第三章8 一四次谐波混颏器设计 开路枝节。传输线l l 用于调整闲频到达二极管的相位，以减小变频损耗。在方 案一基础上，方案二仅需对本振端低通滤波器和传输线l 1 进行设计。 3 i2 材料选取 本文选用d m k - 2 7 9 0 作为混频二概管。d m k - 2 7 9 0 比粱式引线管尺寸稍大， 带有封装，其寄生效应小，安装方便。但d m k - 2 7 9 0 封装为单管形式，安装时需 将两只管子反向并联粘贴在微带线上，这会造成流过两只二报管的电流不平衡， 从而导致变频性能的下降。d m k 2 7 9 0 工作频率范围在2 0 g h z 1 0 0 g h z ，封装尺 寸为0 6 6 x 03 3 r n m 2 ，管芯部分长0 3 3 m m ，具体模型参数如图3 4 所示f 2 6 】。 s p i c ap a r a m e t e r s 口日, j u n c l o j l i 土 o - 1 2 s i n g l e d m k 2 7 9 3 0 0 0 ，d m k 2 7 9 0 4 0 0 图3 4d m k 2 7 9 0 参数以及外形圈 微带线是部分填充介质的双导体传输线，传输主模为准t e m 模式。在高频 波段，除准t e m 模式色散严重外，微带线传播模式中还会出现高次模，因此选 择合适的介质基片十分重要。基片的介电常数决定分布常数线路的尺寸。在阻抗 和基片厚度一定时，介电常数增大会使电路尺寸减小，而电路尺寸太小便不容易 保证加工精度。况且随着频率的升高，导体趋肤深度减小要求导体表面光洁度高， 为了减小辐射损耗，选用低介电常数的介质基片。通常情况下毫米波段介质基片 厚度仅零点几毫米，若采用石英、陶瓷基片，加工难度大、成本商。在环境要求 不严格的情况下往往采用化学合成材料。本文在设计中，介质基片选用r o g e r s 公司的d u r i o d 5 8 8 0 ，介电常数f = 22 2 ，基片厚度h = o2 5 4 r n m 。 圜 电子科技大学硕十学位论文 3 2 方案一设计 方案一结构如图3 - 2 所示，减小变频损耗是设计的重点。a 、b 、c 、d 四个 开短路枝节组成的管对电路用于回收闲频，在此结构中扮演重要角色。为找出频 谱中功率太的闲置频率，对管对电路进行合理的设计，在a d s 中建立如图3 5 所 示的模型，进行交流仿真。 誊黍 竺匣正巫叵i j j ! _ 。1 h b l m e 2 f “1 _ 。1 f co n 7 0o 。 1 h _ 一m j v t 。 图3 - 5 管对输出频率仿真 团匾困际悭唑塑幽悭盐业匕至盟l 哇盐塑) 三里到酾蕊；氍1 i9 9 0 t ! 厩禽 瞄3 - 6 管对输山频谱 二极管对作为非线性器件，在本振的激励下和射频信号进行混频，产生本振 各次谐波和射频信号各次谐波的和信号及差信号。从图3 - 6 中可以看出，信号频 谱很多。需要做的工作是尽量对频谱中能量高的信号进行恰当的反射。图3 - 6 中 标示出了能量高的信号。8 6 g h z 为本振泄露，2 58 g h z 和4 3 g h z 分别为本振的3 次谐波和5 次谐波这些信号都需要被抑制。由丌路枝节阻抗特性的周期变化可 品 第三章$ m m 四次谐波混频器设计 知，对本振信号呈现短路的开路枝节同时对其3 次谐波以及5 次谐波等奇数次谐 波呈现短路。1 73 g h z 为射频信号与本振2 次谐波的差信号即 ，一2 正。 5 1 7