（电磁场与微波技术专业论文）w波段分谐波混频器研究.pdf

摘要 摘要 混频器是微波通信、射电天文学、雷达、等离子物理、遥控、遥感、电子对 抗，以及许多微波测量系统中至关重要的部件。在现代通信系统中，毫米波频段 通常采用超外差接收机，混频器作为第一级就成为关键部件。 由于在毫米波频段，同频段高性能的本振源成本高，技术难度大，采用分谐 波混频技术是解决此问题的有效途径，只需刺频频率1 2 、i 4 甚至1 8 的本振频率 即可实现混频。本文首先对各种混频器的工作原理作了简单介绍，对他们进行了 比较。然后重点介绍了分谐波混频器的工作原理，并采用大小信号分析法对其进 行了详细的理论分析。 本文的主要工作是采用a l p h a 公司的d m k 2 3 0 8 二极管对，利用谐波平衡法， 结合电路仿真软件a d s 与电磁仿真软件h f s s ，设计出了微带带通滤波器、低通 滤波器以及各匹配电路，并对微带到波导的一种过渡形式一对极鳍线进行了探讨。 最后对w 波段二次与四次分谐波混频器进行了整体仿真优化，并给出了仿真结果 和测量结果。实测表明，在本振为4 7 g h z ，功率1 0 d b m ，测试射频带宽为9 1 g h z 9 7 g h z 时，二次与四次分谐波混频器变频损耗最优处分别为1 2 7 d b 和2 3 d b 。 最后对实验结果进行分析并提出改进措施。作为接收系统的重要部件，混频 器对提高整个系统的性能有重要的作用，所以本课题无论是在军事还是民用领域 都有重要的实践意义。 关键字：毫米波，w 波段，分谐波混频器，混合集成 a b s t r a ( t a b s t r a c t m i x e r sa r et h ek e yc o m p o n e n t so f m a n ym i c r o w a v ea n d m i l l i m e t e r - w a v e s y s t e m s t h es u p e r _ h e t e r o d y n er e c e i v e ri sa l w a y sa p p l i e di nm o d e r nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，m i x e rb e c o m e st h ek e yc o m p o n e n ta si sa tt h ef i r s tp a r to fs y s t e m b u ti ti sm o r e a n dm o r ed i f f i c u l tt og e tt h ec h o i c e n e s sl os o u r c eo ft h es a m eb a n dw i t ht h es y s t e mi s w o r k i n ga th i g hf r e q u e n c ye s p e c i a l l yi n t h em i l l i m e t e r w a v e s u b - h a r m o n i cm i x e ri sa g o o ds o l u t i o nt ot h i sp r o b l e mn o w i nt h i sc i r c u i tw en e e dj u s th a l f 、q u a r t e r 、e v e n1 1 8o f t h er fs i g n a lf r e q u e n c y i nt h i sp a p e rt h ed e s i g na n df a b r i c a t eo fs u b h a r m o n i ch m i c m i x e r s ( 2x 、4 ) a tw - b a n da r ei n t r o d u c e d t h ed e s i g np r o c e s sc o n s i s t e do fc o m p u t e rd e s i g nb yc i r c u i ts i m u l a t i o ns o f t w a r e i n t e g r a t ew i t he l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e ，f a b r i c a t i o no fm i c r o s t r i pb p f 、l p f 、 t h em a t c hc i r c u i t s ，c a v i t ya n dt e s t w h e nr ff r e q u e n c yi s9 1 - 9 7 g h z ，l of r e q u e n c yi s 4 7 g h z p o w e r i s1 0d b m t h eb e s tc o n v e r s i o nl o s so ft h e2 a n d4 s u b h a r m o n i cm i x e ri s1 3 5d ba n d2 3 5 d bw h i c hj ss h o w ni nt h et e s t k e yw o r d ：m i l l i m e t e r - w a v e s ，w - b a n d ，s u b - h a r m o n i cm i x e r , h m i c 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。 戈 签名：4 , - 日期：年月日 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：袁鼙 导师签名： 日期：年月 曰 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 无线电频谱对人类是一项巨大的财富资源。自1 8 7 3 年m a x w e l l 发表电磁学 通论以来，人们为充分利用电磁资源，在拓宽频谱方面做了大量工作。毫无疑 问人类将实现对整个电磁频谱的“占领”，并根据各波段的不同特性安排其用途以 服务于人类。随着精确制导、雷达、遥感、导航、电子战以及众多民用系统的迅 猛发展，人们对空间各传输频段的开发需求越来越迫切。近1 0 多年来，用户剧增 使微波频谱出现拥挤，加之精确武器系统的发展要求，就促使人们把系统的工作 频率向上延伸，从而导致毫米波( m i l l i m e t e r w a v e ) 频率的利用。 毫米波( 波长l m m 1 0 m m ) ，其对应的工作频率范围为3 0 g h z 一3 0 0 g h z ，低端 与微波相连，高端与红外、光波相接，这个频段资源的开发，不仅能缓解通信容 量的不足，而且为利用各种扩频、跳频等抗干扰、抗截获技术提供了有利条件。 毫米波波段在物理上的三个重要特性，即波长较短、工作频带宽、与大气成分有 选择性的相互作用。因此毫米波的优点是波束窄、保密和抗干扰能力强、容量大、 容易实现图像、数字兼容，数模兼容。随着计算机技术的广泛运用及半导体技术 的飞速发展，微波毫米波电路在理论上有了长足的进步，性能优良的微波毫米波 器件也不断出现。 在各种毫米波系统中，超外差电路( 如图1 - 1 ) 以其优良的性能得到广泛应用。 这种电路首要问题便是对信号进行频率变换，即是在频谱上搬移信号，将较高频 率的射频信号经过非线性器件变换成较低频率的中频信号，或者相反。 毳 图1 - 1 超外差接收机原理图 毫米波低噪声放大器价格昂贵，尚未达到批量实用的阶段，第一级一般就由 1 电子科技大学硕士学位论文 混频器来承担。因此混频器的性能和可靠性对系统影响也就至关重要，研究性能 优良的毫米波混频器以改善系统性能，以提高系统应用能力就成了当务之急。 毫米波频段工作频率很高，虽有性能优越的混频器件，但同频段高性能的本 振源技术难度大，成本高。分谐波混频器是利用本振的偶次谐波与射频进行混频， 因此这种混频器的工作频率是信号频率的一半、1 4 、甚至1 8 。这样就可充分利用 现有微波频段的高性能固态源作其本振，克服了直接采用毫米波本振源带来的困 难，降低了射频接收机的技术难度，减少了系统成本，提高了系统的可靠性。因 此，谐波混频器在毫米波系统领域有着广泛的应用价值。 1 _ 2 国内外动态 一般来讲，我们可以利用本振频率基波或者其高次谐波进行混频。通常采用 的是基波混频，这是因为基波的能量占了总能量的绝大部分，因而可以得到较小 的变频损耗，在整个系统中可以改善噪声系数。基波混频在无线电频段运用极其 普遍。然而，通过一系列的实践，人们发现，随着频率的增加，进入微波波段， 特别是在毫米波波段，稳定可靠的本振源要么难以实现，要么价格特别昂贵，因 此，研制开发谐波混频器就变得十分重要了。 在最近的几十年里，随着半导体技术和单片集成技术的发展，国内外出现了 大量关于毫米波谐波混频器的报道。其中以国外的单片集成为多，性能也最优良。 国内起步大约在八十年代，缺乏一套用于m m i c 的设计流程，加上工艺的不足， 绝大部分是混合集成的毫米波混频器。电子科技大学的郭正平制作的k a 波段四次 谐波混频器采用的是微带结构，在射频3 0 g h z ，本振7 6 5 g h z 时的变频损耗为 2 0 6 d b l 2 1 。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1 8 2 4 g h z ，变频损耗为1 1 l d b 。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 4 1 。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 3 4 5 g h z ，本振频率为8 5 2 5 8 7 7 5 g h z ，中频频率为1 0 0 m l t z 时，变频损 耗低于1 0 5 d b ，其中最优处为8 5 d b t 5 l 。在w 波段，国内有关于平面混合集成分 谐波混频器的相关报道非常少，1 9 9 4 年，中科院紫金山天文台的史生才、陈善怀 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 6 1 。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 9 6 g i - i z 时，仿真变频损耗低于 2 第一章绪论 1 6 d b ，但没有实物【7 j 。2 0 0 4 年东南大学陈浩设计的3 r a m 二次分谐波混频器射频为 9 2 2 5 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【8 】。2 0 0 4 年电子科技大学董庆来设计的3 m m 混合集成平衡混频器在射频9 2 9 6 g h z ，中频 2 6 g h z ，本振功率1 0 d b m 时变频损耗小于1 5 d b l9 1 。电子科技大学谢晋雄研制的 3 m m 鳍线共面线混频器射频在9 0 g h z 9 5 g h z 的范围内变频损耗小于1 2 d b t l 0 】。 国外的研究由于起步早，工艺也较为先进，毫米波分谐波混频器主要为m m i c 电路，性能也较为优良。在v 波段，m i c h a e l w c h a p m a ne ta 1 的一篇文章中讨论了 一个6 0 g h z 的非平面型的四次谐波混频器。该混频器在r f 为5 8 5 g h z ，i f 为 2 5 g h z 时的最小变频损耗是1 1 3 d b i l l l 。另外，y k o k 、e h u a n g 、h w a n g 、b a l l e n 、 r h i 、m s h o l l e y 、t g a i e r 和i m e h d i 以及c v e r v e r 、t l a n e v e 和m s t u b b s 各自利 用反向并联二极管对研制的6 0 g h z 分谐波混频器分别达到1 2 d b 和1 3 d b 的变频损 耗1 1 2 】【1 3 】。1 9 9 6 年，s a n j a yr a m a n 等人制作的m m l c 二次谐波混频器在本振为 4 5 4 6 g h z ，功率为9 d b m ，r f 为9 2 9 6 g h z ，l f 为2 4 g h z 时，最优变频损耗为 9 4 d b l l 4 】。2 0 0 2 年，k ok a n a y a 等人制作的9 4 g h z m m i c 四次谐波混频器在本振功 率为+ 1 0 d b m 时，获得了1 1 4 d b 的变频损耗，二次分谐波混频器在本振+ 5 d b m 时 得到了9 2 d b 的变频损耗【1 5 1 。2 0 0 3 年，y u h j i n g h w a n g 等人制作的m m i c 宽带二 次分谐波混频器覆盖了整个w 波段，射频从7 8 g h z 到1 1 4 g h z ，变频损耗 1 0 4 1 。 1 3 本论文的主要工作 毫米波技术和半导体技术的发展，使得许多性能优良的毫米波谐波混频器不 断出现。其中，以微带结构的更具有吸引力。它体积小、重量轻、成本低，且易 于与其他器件联接。 本文主要对w 波段分谐波混频器进行深入研究，并分别研制了二次分谐波混 频器和四次分谐波混频器两种电路，均采用平面微带混合集成的方案实现。在此 课题中，利用a g i l e n t 公司的a d s ( a d v a n c e dd e s i g i ls y s t e m ) 软件进行电路的计算机 辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) ，并结合了a n s o f f 公司的h f s s 电磁场仿真软 件进行辅助仿真和优化。此外，本课题还研制了波导微带的对脊鳍线过渡。预期 目标技术指标要求如下： w 波段微带混合集成二次谐波混频器： 射频频率：9 2 - 9 6g h z 3 电子科技大学硕士学位论文 本振频率：4 7g h z 中频频率：0 2g h z 变频损耗：a 1 5 d b 射频输入口采用w r 一1 0 波导接口法兰 本振输入口采用w r 1 9 波导接口法兰 中频输出口采用s m a 接头 ( 2 ) w 波段微带混合集成四次谐波混频器 射频频率：9 2 9 6g h z 本振频率：2 3 5g h z 中频频率：o 2g h z 变频损耗：1 8 d b 射频输入口采用w r 加波导接口法兰 本振输入口采用s m a 接头 中频输出口采用s m a 接头 4 第二章混频器原理与分析 第二章混频器原理与分析 微波变频器是利用变阻二极管或变容二极管等非线性器件，将两个不同频率 的信号( 其中一个为输入信号，频率为五叩；另一个为本地振荡或泵源信号，频率为 a o ) 变换成频率为它们的差频或者和频的输出信号的一种微波电路。 变频器根据其输入信号正妒、本振信号如和输出信号血的关系出可分为：上 变频器 肠项叩) 和下变频器( 加 f r r ) ，下变频器又称为混频器。 混频器的作用是将收到的信号的载波频率和本振频率一起加到非线性器件上 发生混频，从而实现从射频到中频的变换。二极管的非线性特性是产生混频作用 的实质。当频率为丘。的大信号n n - - 极管上时，就会产生其各阶谐波频率的信号， 当小信号的射频五咿同时n 至0 - - 极管上时，就会产生许多新的频率，其中包括在d 与五盯各次谐波频率之差屈= m f 盯n f l o ( 其中m ，n 为正整数) 。基波混频器中， i n 、n 均为1 ，谐波混频器利用一个具有频率选择性的电路把小信号与本振大信号 的某个谐波之差的频率分量选择出来，m 、n 并不同时为1 。我们把这种利用本振 谐波与射频混频实现频率变换的混频器称之为谐波混频器。 按照h e l d 和k e n - 1 7 1 i s l 的方法，即大信号小信号分析法，混频器的理论分 析可分以下两步进行：( 1 ) 、大信号分析。在本振激励下首先通过谐波平衡法对二 极管及其介入网络进行分析，将二极管的结电导和结电容随时问变化的波形确定 下来，然后由这些波形求出表示时变结电导和时变结电容的变换矩阵表达式，从 而形成表征二极管特性的变频导纳矩阵。( 、小信号分析。在混频二极管上加入 射频小信号，通过对一定的嵌入网络和已知的二极管变频导纳矩阵的分析，可得 到包括混频器各端口的表征混频器特性的广义导纳变换矩阵。由此，进一步求出 混频器的变频损耗，输入、输出阻抗的数学表达式。 在混频器的设计中，回收多余的谐波分量非常重要，有利于降低变频损耗。 在此课题中我们采用反向并联的混频二极管，外电路中就只有奇次谐波，而没有 偶次谐波，不但使得电路形式得到简化，提高了变频效率，同时二极管对也有反 向击穿的自我保护功能。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 1 混频器的分类 混频器利用固态器件的非线性特性将信号频率变换成多个频率输出实现频率 变换，然后使用滤波器来选取所需要的中频信号。按使用的非线性器件的不同， 大体上分为两类： ( 1 ) 、采用晶体管或场效应管作为非线性器件的混频器称为有源混频器。其 优点是可以得到混频增益，而且组合干扰小。经过理论分析和实践可以看出，场 效应管混频器还有动态范围大、伏安特性曲线为平方律、交调干扰小、输入阻抗 高及抗镜频干扰能力强等优点，电路复杂，需要直流偏置，性能不如无源稳定， 另外设计理论也比较复杂。 ( 2 ) 、采用无源器件二极管作为非线性器件。在微波毫米波频段，都采用肖 特基势垒二极管。其优点是电路简单、设计容易、便于集成、工作稳定，工作带 宽可以做的比较宽，有时达几个甚至几十个倍频程，性能好。肖特基势垒二极管 非线性程度好，因而是目前微波毫米波混频器中的主要变频元件。因而目前它是 主要的微波毫米波混频器。 有源混频器的最大优点是可以实现变频增益，与必然会产生变频损耗的两端 器件混频器相比，可以有效地改善系统噪声特性。它还有端口间的固有隔离，需 要激励的本振功率很低，另外其输出p l d b 点高，交调分量小。但需要直流偏置， 使得电路结构比较复杂。 从电路结构来看，混频器有单端式混频，单平衡混频，双平衡混频，分谐波混 频等多种形式。单端混频器电路结构简单，但噪声高，抑制干扰能力差。单平衡 混频器借助于平衡电桥，可使本振调幅噪声抵消，中频输出功率增强。双平衡混 频器比单平衡及单端混频器的优点在于：可以抵消本振引入调幅噪声所产生的中 频噪声；理想的信号至本振端口的隔离度；在中频输出端口能全部消除本振的偶 次频率与信号的偶次频率组成的组合干扰，使组合干扰的频谱密度减d , 至t l 单管混 频器的2 5 。此外，它还具有动态范围大，互调干扰小，工作频带宽的优点。分 谐波混频器的主要优点在于可以用现有的高性能微波频率源作为本振与毫米波信 号进行混频，避免了制造昂贵且技术难度大的毫米波本振源，降低了系统成本， 提高了设计效率和系统稳定性。缺点是变频损耗较大，但通过优化电路拓扑可以 有所改善，本课题即采用这种电路方案。 6 第二章混频器原理与分析 2 2 混频器的技术指标 毫米波混频器由于其广泛的应用场合，对性能的要求通常是不同的。根据 工程应用实践，混频器主要包括以下指标：变频损耗、噪声系数、带宽、动态范 围、三阶交调与p l d b 、镜频抑制度、端i ：1 隔离度及各端1 ：3 驻波比等。现把其重要 指标详细介绍如下： 变频损耗： 混频器的变频损耗定义是：混频器输入端的微波信号功率与输出端的中频信 号功率之比，以分贝为单位时，表示式是 a 。) 1 0 g 糕黼 协- ， 上式说明混频器的变频损耗由三部分组成：包括非线性电导净变频损耗a 。， 混频二极管芯的结损耗a ，和电路的失配损耗a b 。 ( 1 ) 、非线性电导净变频损耗 由于混频过程产生的组合频率分量引起的信号能量损耗，称为非线性电导净 变频损耗，它是混频器的固有损耗。非线性电导净变频损耗a 。取决于非线性器件 中各谐波能量的分配关系。但从宏观来看，净变频损耗将受混频二极管非线性特 性，混频管电路对各谐波端接负载情况，以及本振功率强度等影响。当混频管参 数及电路结构固定时，净变频损耗将随本振功率增加而降低。但本振功率过大时， 由于混频管电流散弹噪声加大，从而引起混频管噪声系数变坏。通过分析镜像匹 配( l p ) 、镜像短路( l d ) 和镜像开路( l k ) 三种状态下混频器的变频损耗可知， 在一般情况下l k i a l p ，这说明在同样的激励条件下，镜像匹配状态的变频损 耗最大。其他两种状态的损耗虽小，但此时必须在混频电路信号端的适当位置处 加入信号频率的带通滤波器为镜像频率提供一开路或短路的电抗性终端( 即构成 镜像回收混频器) 。镜像开路和短路状态的混频器一般应用于窄带或单边带情况， 而镜像匹配状态的混频器是宽带的，常应用于双边带情况。 ( 2 ) 、混频二极管芯的结损耗 n - - 极管的寄生参量r 。，c ；也要损耗功率，故使实际加到结电阻上的射频功率 减小。根据二极管的等效电路，结损耗可导出表示为： 6 t ，( 扭) = 1 0 l g ( 1 + 导) + m 2 c 勰r j ( 2 - 2 ) “ 7 电子科技大学硕士学位论文 混频器工作时混频器工作时，对于给定的二极管，其寄生参量均己确定，因 此无法采取其他措施来改善其影响，但q 和c ，均与本振电压的幅度有关，在使用 烹照调整本振、激励，当调整本振功率，使耻彤c ，吼可以获得最f 噼损耗， 即 。 c r m i n ( 扭) ；1 0 l g ( 1 + 2 u c j 足) ( 2 3 ) 可以看出，管芯结损耗随工作频率而增加，也随吩和c ，而增加。因此，由 于寄生参数的影响，变频损耗不再随本振功率的增加单调地减少，而是当本振功 率在某个数值范围内时，出现最佳的变频损耗。图2 - 1 表示二极管总变频损耗和本 振功率的关系。 域 礅 犍 璃 聪 姑 事撤功率毫瓦) 图2 - 1 变频损耗与本振功率的关系 卜总变频损耗 3 - 由于c ；产生的损耗 2 一由于g 产生的损耗 4 一由于砖产生的损耗 ( 3 ) 、电路的失配损耗 混频器输入输出端不匹配引起信号功率和中频功率的损耗。假定输入端反射 系数为r l ，驻波比为m ，输出端反射系数为r 2 ，驻波比为皿，则失配损耗为 旷埘g 南删g 南剐t s 等“m s 掣 沼a ， 通过优化信号端和二极管之间以及二极管和中频端之间的匹配网络可减小失 配损耗，还可以采用二极管与信号端电路串联和于本振端电路并联的结构来实现 匹配。本论文的主要工作即是仿真优化以降低此部分的损耗。 ( 4 ) 、电路的传输损耗 在w 波段频段，微带线的传输损耗和辐射损耗大为增加，也是必须考虑的因 素。混频器设计时应分别针对这几种损耗来源，采用恰当的电路形式和混频二极 管来降低变频损耗。 r 第二章混频器原理与分析 噪声系数： 混频器通带总是同中频放大器和输入电路一同构成完整的接收机。为提高接 收机的灵敏度，必须减小混频器的噪声系数。在混频器用于毫米波信号外差式接 收机时，根据接收信号是单边带( s s b ) 信号和双边带( d s b ) 信号，其噪声系数 不同，分别称为单边带噪声系数n f s s b 和双边带噪声系数n f d s b 。不作具体说明时， 一般是指单边带噪声系数。造成这一不同的根本原因是混频器可以将两个边带的 射频信号变换到中频输出。 丘。和岛分别是本振和中频。蠡。和丘。分别称为上、下边带频率，它们与本 振频率之差分别为岛和一岛。在混频器用于双边带接收时，上下边带信号都将 被变换到中频输出。当混频器单边带工作时，输入信号只存在于一个边带，另一 边带即为噪声。通过理论计算，混频器单边带噪声系数比双边带噪声系数大一倍， 也就是高出3 d b 。以上分析，我们可以推广到含混频器的各类微波及毫米波系统中。 动态范围： 动态范围是混频器能正常工作的输入信号功率范围。混频器动态范围的下限 决定于混频器的等效输入噪声功率和本振中频端口的隔离度。上限决定于射频输 入饱和功率，通常对应混频器的p i d b 点。 交调系数： 交调系数是衡量混频器输入输出线性度的重要参量。将两个频率相近的射频 信号和本振信号同时输入混频器时，由于混频器的非线性，输出信号中将产生交 调分量。对于两个频率分量输入的情况，3 阶交调分量影响最大，因为在处于中频 附近或中频通带内的交调产物中，3 阶交调的阶次最低，幅度最大。3 阶交调系数 m 定义为： 乓。， ( 2 5 ) 在式( 2 5 ) 中，p i m 3 和分别是3 阶交调信号功率和中频信号功率a 胍通常 用分贝表示，其单位为d b 。，表示3 阶交调分量功率比有用信号( 载频信号) 功率 小的分贝数。因中频功率随输入功率成正比，当微波输入信号小i d b 时，三阶交 调抑制比将增加2 d b 。 端口隔离度： 9 电子科技大学硕士学位论文 混频器隔离度指标就是指本振一信号端口隔离度、信号中频端口隔离度、 本振一中频端口隔离度和信号、本振隔离度。端口隔离特性直接影响到混频器在实 际系统中的使用。 2 3 分谐波混频器工作原理 w 波段的混频器和厘米波混频器相比有许多不同之处。首先，由于工作频率 高，本机振荡器的设计制作将更加困难，不仅价格高，而且性能不稳定。通常， 用于本振的圆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 势垒混频管，但缺乏相应频率的高性能本振。其次，为抑制本振噪声，常采用平 衡混频器，而在毫米波和亚毫米波段，平衡混频器的结构尺寸很小，加工精度要 求非常高，很难作出符合容差要求的对称电路，难以保证幅度相位的一致性，设 计出的电路其性能也就不能保证了。 2 0 世纪9 0 年代初，k e n j ii t o he ta 1 1 1 9 】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。此混频器结构非常简单，是由一个反平行二极管对和一些开 路、短路的终端构成。这种电路同样适合混合集成。 管对式的谐波混频电路是目前毫米波和亚毫米波混频的一种较好方式。谐波 混颁是把两个混频二极管极性相反地并联在传输线上，本振频率可以是信号频率 的一半，或者是四分之一，即f s = 2 扛o t f 或者f s = 4 f l o + f w 。式中居是信号频率，l o 是本振频率，如是中频频率。本振频率的降低解决了制作毫米波、亚毫米波本振 的困难，也使结构安装大为简化。谐波混频器的原理电路如图2 2 所示。由于两个 混频管的基波电流反相，基波混频的本振噪声相互抵消。 图2 - 2 分谐波混频器电路原理图 1 0 第二章混频器原理与分析 现具体分析分谐波混频器的工作原理。按照h e l d 和k e r r l l7 。1 8 l 的方法，即大信 号_ j 、信号分析法，谐波混频器的理论分析可分以下两步进行：( 1 ) 大信号分杌。 在本振激励下首先通过谐波平衡法对二极管及其介入网络进行分析，将二极管的 结电导和结电容随时间变化的波形确定下来，然后由这些波形求出表示时变结电 导和时变结电容的变换矩阵表达式，从而形成表征二极管特性的变频导纳矩阵。 ( 2 ) 小信号分析。在混频二极管上加入射频小信号，通过对一定的嵌入网络和已 知的二极管变频导纳矩阵的分析，可得到包括混频器各端口的表征混频器特性的 广义导纳变换矩阵。由此，进一步求出混频器的变频损耗，输入、输出阻抗的数 学表达式。 - - - - - - 1 v r】 夕 图2 - 3谐波混频原理图 混频二极管工作时的电压电流特性分析如下。当两个二极管极性相反地并联 在一起时，如图2 - 3 所示，很容易可得两管的电流分别为 i ，一l s o ( e “一1 ) i 2 = 一i s o ( e 一“一1 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 管对的总电流 f ：i ，+ f ：i s o t “一p 一) = 2 1 。s h ( a v ) ( 2 8 ) 如此时加上本振电压为 y = 屹oc o s ( z ) o t ( 2 9 ) i = 2 1 s 。妇仁c o s 6 0 。t ) ( 2 一l o ) 由n 阶第一类变态贝塞尔函数l = 三f 矿。8 8 c o s ( n o ) d o ，令口。拍 ，丌j u c o l o r = 0 ，可将( 2 1 0 ) 式展成付氏级数 电子科技大学硕士学位论文 i = 2 1 s 。 2 ，j ( a k 。) c 0 8 吐，+ 2 厶( 口k 。c o s 3 。f + 由上式可见，由于电流i 是奇函数，其展丌式中没有偶次项。 管对的混频电导为 g = a l l a y a2 a s oc o s h ( a v oc o s 珊。t ) 由于电导g 是偶函数，其傅氏展丌式中没有奇次项 ( 2 一j 】) ( 2 1 2 ) g = 2 0 1 ；o 【i o ( 口d ) + 2 ，：( a k d ) c o s 2 c o 。a t + 2 1 。a 屹。j c o s 4 0 ) l d f + 】 ( 2 - 1 3 ) 由图2 - 3 和以上分析可以容易地看出，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对上，再加一个小的信号电压 = k c o s a ，s t ( 2 1 3 ) 则混频后的小信号混频电流是 i = g v 。= 2 e d s 。z sc o s ，f 口。( 口屹。) + 2 i ：( a k 。) c o s 2 c o 。t + 2 1 ；( a k 。) c o s 4 。t + ( 2 - 1 4 ) 管对的内部电流为 i ，；( f 。- i ：) 2 一l s o c o s h ( a v ) 一l 】 ( 2 1 5 ) 将i ，；k 。c o s t + kc o s s t 代入( 2 1 53 式可得 t ：，。f 1 + ! ! 兰生! ! 兰! i 型；：! 趔+ 一1 】 ；二 【吃c o s2 加f + 曙c o s2 埘j f + 2 屹。kc o s 加t c o s w s f + 】 = 每 宅堕呜c o s 2 t + 等c o s 如”忧f c o s ( o 。l o - - f o s ， + c o s ( o ) d + s ) t 】+ ) ( 2 - 1 6 ) 1 2 第二章溉频器原理与分析 从( 2 一1 6 ) 式不难看出，混频电流中将出现( 2 c o 。略) ，( 4 吡。) ，等谐 波分量。 可见，采用管对实现谐波混频有诸多优势： 1 ) 外部电流只含有偶次本振谐波混频项，而且幅度比单管大一倍。 2 ) 奇次本振谐波混频项仅存在于管对环路内部，因此电路中输出的干扰频率将减 少，从而可减少混频损耗。 3 ) 外部电流中无直流分量，因此对管对来说，混频器无需设置直流通路。这使电 路结构简化。 4 ) 减少噪声。这是因为混频时，根本没有基波混频输出，因此本振引入噪声仅在 2 c o 。- - - - 0 ) f ( 为中频频率) 附近的噪声才会经混频而输出，此部分噪声已大大减 弱了。 2 4 混频二极管特性 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。故具有较好的高频特性、丌关速度快、噪 声低、工作稳定和动态范围大等优点。 肖特基势垒二极管是一种金属一半导体接触势垒二极管，又称表面势垒二极 管。 肖特基势垒二极管的基本屋里结构是金属一半导体结，其主要物理过程以多 数载流子的运动为基础，因此被称为“多子器件”。它与以少数载流子的扩散运动 为基础的p n 结二极管的特性既很相似，又有所不同。可比较如下： 伏安特性与结电阻 金属一半导体结和p n 结的伏安特性形式上类似，但由于二者形成电流的主要 输运方式不同，i v 表达式中决定i s 的参数不同，p n 结的i s 与外加偏压无关， 而金属一半导体结的i s 实际上还对偏压有依从关系。表现在伏安特性上，金属一 半导体结有较低的导通电压、较高的正向电流、较强的非线性程度，如图2 - 4 所示， 因而由于p n 结。 电子科技火学硕士学位论文 jj v，0严堋一i 何7 7 一 一 v 图2 4 肖特基势垒一二极管原理结构 i 么! ! 竺 外延层 + 缓扑层 + 衬麻 t 专 c ， 图2 - 5 肖特基势垒二极管原理结构图2 - 6 肖特基势垒二极管等放电路 图2 - 5 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。衬底上还要作上一 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 理不足半导体中少子的复合，而是热电子发剁穿过出于功函数不同而产生的势垒。 图2 - 6 为肖特基势垒二极管的等效电路，尺j 是结电阻。c ；是结电容，b 是 串联电阻，l 。是引线电感，c p 是管壳的寄生电容。r ，c ，为非线性的结参数， 它们随偏压而变化，称为“本征二极管”参数。 二极管的伏安特性为f = ( e “1 “一1 ) ( 2 - 1 7 ) 其e o d ：l 的q 是电荷电量，k 是玻耳兹曼常数，t 是绝对温度，v 是外加 n k 】 电压，n 是斜率系数，f n 是二极管的饱和电流。 1 4 第二章混频器原理与分析 二极管瞬时电导： g = 乡乙= a i d “ ( 2 1 8 ) 躺氰q 2 渤 心。9 ) 式中c ，。为零偏压结电容，庐为扩散电位，y 是一个常数( 均匀掺杂的二极管， y = 0 5 ) 。 串联电阻r 。主要来源于二极管非耗尽外延区，只呈极弱的非线性，可把它近 似认为线性元件。 二极管优值因数截止频率 l 。蕊孟( 2 - 2 0 ) 当工作频率高时，应尽量提高，c 以降低变频损耗，即应减小b 和c ，但两者 的增减是互为矛盾的。 综上所述，肖特基势垒二极管有类似而又优于一般的p n 结半导体二极管的伏 安特性，如图2 - 4 所示。它的特点表现在正向曲线较陡，因而在同样的偏压下具有 更小的结电阻。 产生这种特性的基本原因是：肖特基势垒二极管工作原理的基本物理过程是 以多数载流子的运动为基础。它与基于少数载流子的扩散运动为基础的p n 结二极 管有所不同。注入少数载流子在扩散运动中逐渐与多数载流子复合而消失，需要 一定的时间，因而限制了器件的高频性能。肖特基势垒二极管注入的是多数载流 子，不存在上述问题。由于正向电阻小，等效热电阻也低到2 3 欧姆，热噪声相 对散弹噪声可以忽略。所以，肖特基管的噪声小得多。 2 5 分谐波混频器的非线。l 生分析 采用大信号小信号分析法来研究混频器的非线性特性【1 7 】【1 8 。这种方法用于分 析二频率激励的非线性微波和毫米波电路，其中一个激励信号的幅度非常大，另 一个则非常小。这一分析方法的步骤是：先使用谐波平衡法对大的本振信号激励 的混频器进行分析，然后将电路中的非线性元件变换为小信号、时变、线性元件 进行小信号分析。 分谐波混频器的大信号分析 电子科技大学硕士学位论文 在混频器的理论分析中，常用的方法是频域法和谐波分析法。在频域法分析 中，时变电导和电容是在本振的基波作用下求出的。但实际上，由于混频二极管 非线性特性，虽然输入的本振电压为正弦波，而二极管上的电流和电压已经不是 正弦波，它们含有各高次谐波，因此无法用频域法准确处理这个问题。要分析在 本振电压作用下二极管上的实际电流和电压的波形，实际上是要解非线性微分方 程。采用解析法处理这一问题是十分困难的。由于计算机技术的发展，目前广泛 采用谐波平衡法进行混频器的非线性分析。即先用数值计算方法求出二极管上的 电流和电压波形，再用小信号理论计算混频器的多频变换矩阵，设计混频器电路， 计算变频损耗。谐波平衡法的分析是目前最成熟，应用最广泛的- - * 中n 频非线性 电路计算机分析方法，特别适合对混频器这种有着强非线性的电路进行分析。 谐波平衡法的基本思想是：找一组端口电压波形( 或者谐波电压分量) ，它能 使非线性子网络方程和线性子网络方程给出相同的电流。实质上就是建立谐波平 衡方程，然后用适当的方法求解，谐波平衡方程的解法有：优化法、分裂法、牛 顿法、反射算法等。当一个频率为f 1 的信号源激励一个非线性电路时，它的谐波 平衡分析可以通过以下步骤来实现； ( 1 ) 、设定计算谐波最高次数的n i l 和激励频率控制项。 ( 2 ) 、对电路进行直流分析得到的结果作为谐波平衡分析的初始解。 ( 3 ) 、先加上一个频率为f 1 的指定的最小幅度的正弦激励，用线性分析得到 所有非线性器件端口初始的电压分量v k ( w i ) 和流进非线性网络的电流分量i k ， ，( w i ) 。其中，k 表示第k 个端口，w i 为f 1 和n h 的函数。 ( 4 3 、傅立叶变换由向量v k 川( w i ) 得到时域的电压分量v t m ( t ) 。 ( 5 ) 、用所采用的非线性模型由向量v k ( t ) 得到流进非线性器件的电流分 量1 bn 1 ( t ) ( 6 ) 、用傅立叶变换由向量k ( t ) 得到时域的电流分量i k ( w i ) 。 ( 7 ) 、在每个端口k 和频率分量w i 上比较i k j n l ( w i ) 和i k ，l ( w i ) 可以得到 一个误差函数。 ( 8 ) 、初始解使误差函数值较大，因此，采用某种优化方法可以得到一个新 的电压向量v k n 1 ( w i ) 。 ( 9 ) 、从第4 步起重复计算过程。 ( 1 0 ) 、如果误差小于由仿真控制键所设置的容差范围，那么一个收敛的结果 就可以得到了。在同一频率上开始另一个更大激励电平的计算。 ( 1 1 ) 、从第4 步起重复计算过程。 1 6 第二章混频器原理与分析 ( 1 2 ) 、在最高激励电平的计算收敛后，改变激励频率从第3 步起重复过程。 大信号分析采用谐波平衡法。这种方法用于分析单一频率信号激励强或弱非 线性电路的最为有用的方法。对谐波混频电路，在理想情况下，我们可以将其简 化为单端混频器的情况来进行处理。单端二极管混频器的一般等效电路如图2 7 所示。 v o r s 嵌 制 入 网 络 图2 。7 单端二极管混频等效电路图 图中各参数表不的含义( 口 参见2 3 节) 如f 所不： i 。一g 一一1 ) ( 2 2 1 ) 占一等 ( 2 2 2 ) c 钣陆) p z s ， c孥(2-24) 2 c 钉吾 如果本振功率( 频率为c o 。) 加到混频二极管上，则周期性电导和周期性电容 波形将包括频率。的所有谐波分量，其付氏级数展开式为 g ( f ) ；芝g 。c x p ( j 七f ) ，g 。= g ： ( 2 _ 2 5 ) c 0 ) = 三c 。e x p j k c o ) ，c 。= c ： ( 2 - 2 6 ) 付氏展开式的系数瓯，q 和二极管的阻抗决定了混频器的小信号特性。 在谐波混频电路中，大信号分析等效电路如图2 - 8 所示。由于两个二极管相对 t 。上 电子科技大学硕士学位论文 于本振源是并联反向的，两个二极管上的本振电压和本振电流相差半个本振周期。 对于本振频率的奇次谐波，在参考点a _ a 向源方向看去的信号源内阻为 2 z ，。协珊，。) 。而对于直流和偶次谐波，a a ，贝0 是呈现短路。从而我们可以进一步 将图2 8 的电路简化为图2 - 9 的带有如图所示边界条件的单个二极管的大信号分析 电路。然后直接利用文献1 处理单端混频器的大信号波形的反射波法来确定二极 管上的本振电压、电流的波形。 a 图2 - 8谐波混频大信号分析等效电路 假设已知a 管上的电压、电流波形，并分别记为和，j ，将其表示为付氏级 数的形式 = w e ” ( 2 2 7 ) f ；= 净“ ” r 8 图2 - 9 谐波混频器大信号分析简化等效电路 由t o r r y 理论，我们有 = 驴脚l = 嘉 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 而对于b 管，其上的本振电压和电流口和j ；与和，；相差半个本振周期 1 8 第二章混频器原理与分析 刚 哆= 町。t 一石) ( 2 3 0 ) ，；= 州。t 一万) ( 2 3 1 ) 又考虑到 e = 驴= 嘉 协s 2 ， 将哆和，；与和，；的关系代入( 2 - 3 2 ) 式，得 譬；驴# = 堕d v ；= 剃= 驴一) = 削驴“ ( 2 3 3 ) 要使等式成立，只有同次频率项的系数相等，从而得出两管导纳矩阵关系式 砰= ( 一1 ) “巧 ( 2 3 4 ) 即是说，一旦求出了任意一个二极管的变频导纳矩阵，就可由( 2 7