（电磁场与微波技术专业论文）ka频段phemt混频器研究.pdf

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。具我所知，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； 砂覆鹈 日期沙年3 月p 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秘后应遵守此规定) 签名：顿踢 一名：彳多协效 日期：d z 年3 月日 电子科技大学论文 论文题目：k a 频段p h e m t 混频器研究 硕士生：王爱猛 导师：徐锐敏教授 中文摘要 本文课题来源于军事微电子项目“毫米波混合集成技术研究”。课题要求研制 k a 频段三端器件混频器，具体要求为：射频频率3 5 + _ + 2 g h z ，本振频率3 0 _ + 2 g h z ，中频 颜率：5 0 5g h z ，变频增益_ 2 d b ；射频及本振接| 二j 采用b j 3 2 0 波导，中频采用s m a 接头输出。 通过综合比较，结合自身条件，选取了单端漏极p h e m t 混频器的实现方案。首先 利用厂家提供的p h e m t 直流i _ v 特性晦线及小信号s 参数得出了其非线性等效电路模 型。仿真了波导至微带的探针过渡。分析了三端器件混频器工作原理，得出了其变频 增益公式及噪声系数公式。利用分析结果，优化设计了中频低通滤波器及本振带通滤 波器。选定混频器电路拓朴后，应用非线性电路的分析理论对混频器进行了优化。最 在r t d u r o i d 5 8 8 0 基片上完成了集成电路并进行了测试。 p h e m t 等效电路模型的提取，使用了m o d i f i e d - m a t e r k a 模型。对无源电路 、 过渡电路及滤波器，利用有限元法进行了仿真。对混频器利用大小信号法谐波平 衡法及变换矩阵法的电路分析方法完成了对混频器的分析及优化。采用参数的均方值 对混频器的噪声进行了分析。 实验测试结果为：射频在3 3 书7 g h z ，本振为l o d b m ，中频为4 5 缶5 g h z 时，变 频增益l d b 。对该混频器还就变频增益与直流偏置及与本振功率的关系进行了测试。 该混频器性能优良，实验结果与理论分析一致性很好。对测试结果进行分析后提 出了一些混频器改进措施。对于该混频器理论研究，包括非线性电路模型及三端器件 混频器的设计方法方面都是必要的尝试，可为以后的理论探讨提供重要的经验。作为 接收电路的关键部件，高性能的混频器可以提高系统的整体性能，所以本课题的在实 践中，无论是在军事领域或是民用领域都有重要的实践意义。) 关键词：毫米波混频器jp h e m t 非线性等效电路? 送丕查蔓爹变频增 电子科技大学论文 a b s t r a c t ( 英文摘要) t h e p r o j e c ti sf r o mm i l i t a r y m i c r o e l e c t r o n i c sp r o j e c t ”d e v e l o p m e n to f m i l l i m e t e rw a v e h y b r i di n t e g r a t e dc i r c u i t ”t h eo b j e c t i v e o f t h ep r o j e c ti st od e v e l o p a m i x e r w i t h t h r e e t e r m i n a ld e v i c e t h er e q u e s t i s t h a t ：r f3 5 2 g h z ，l o 3 0 - t - 2 g h z ，i f5 0 5g h z ，c o n v e r s i o n g a i n 2 d b ；r fa n d l o a r ef e d v i a b j 3 2 0 w a v e g u i d e ，t h eo u t p u ti f i st h r o u g has m a p o r t t h em e c h a n i s mo f t h et h r e e t e r m i n a l d e v i c em i x e ri ss t u d i e d t h eu n i t p h e m td r a i nm i x e ri sc h o s e na st h et a r g e t f i r s t l y ，w i t ht h ei - vc u r v ea n ds p a r a m e t e r so f t h e p h e m t ，i t sn o n l i n e a r e q u i v a l e n tc i r c u i ti sf i t t e d t h et r a n s i t i o n f r o mt h ew a v e g u i d et om i c r o s t r i pi ss i m u l a t e du s i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h ei f l o w p a s sf i l t e ra n d t h el o b a n d - p a s s f i l t e ri so p t i m i z e d t h ec o n v e r s i o ng a i na n d n o i s ef i g u r ea r ec a l c u l a t e d a f t e rs e l e c t e dt h e t o p o l o g y o f t h em i x e r ，u s i n gn o n l i n e a r c i r c u i ta n a l y s i st h e o r yw es i m u l a t ea n d o p t i m i z e t h em i x e r c i r c u i t f i n a l l yt h em i x e r i s f a b r i c a t e do nm u r o i d 5 8 8 0a n di st e s t e da sw e l l t h em o d i f i e d m a t e r k am o d e li sc h o s e na st h ep h e m t e q u i v a l e n tc i r c u i t t h e p a s s i v ep a r to f t h e c i r c u i ti ss i m u l a t e dw i t hf i n i t e - e l e m e n tm e t h o d s i m p l i f i e dt h e e m b e d d e dn e t w o r k ， u s i n gl a r g ea n ds m a l ls i g n a lm e t h o d h a m l o n i cb a l a n c ea n d c o n v e r s i o nm a t r i xm e t h o dw e a n a l y z ea n do p t i m i z et h em i x e r t h en o i s ef i g u r eo f t h e m i x e ri sa n a l y z e dw i t h u s i n gs q u a r em e a n v a l u e sw e g e tt h en o i s ef i g u r e t h e t e s t i n gr e s u l ti st h a t ：r f ：3 3 - - 3 7 g h z ，l o ：1 0 d b m ，i f ：4 5 5 5 g h z ， c o n v e r s i o n g a i ni sl d b t h ec o n v e r s i o ng a i nv e r s u sd c b i a sa n dl o p o w e r i sa l s o t e s t e d t h em i x e rh a sg o o d p e r f o r m a n c ea n d t h et e s tr e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h e t h e o r e t i cr e s u l t t h es t u d ya b o u tt h em i x e r i n c l u d i n gn o n l i n e a rc i r c u i tm o d e la n dt h e a n a l y s i sm e t h o d i sn e c e s s a r ya t t e m p t a l lo f t h a tc a r lp r o v i d e i m p o r t a n te x p e r i e n c ef o r l a t e rr e s e a r c ho ni t a sa k e yc o m p o n e n t o f t h er e c e i v es y s t e m ，a d v a n c e dm i x e rc a n 3 电子科技大学论文 i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e s y s t e m t h e r e f o r e i np r a c t i c e ，n om a t t e ri nm i l i t a r y f i e l da n dc o m m e r c i a lf i e l d ，t h ew o r ki so f h i 曲i m p o r t a n c e k e y w o r d s ：m i l l i m e t e r w a v e m i x e r ；p h e m t ；m o d i f i e d m a t e r k am o d e l ； l a r g ea n ds m a l ls i g n a la n a l y s i s ；c o n v e r s i o ng a i n ； 4 电子科技大学论文 第一章绪论 1 1毫米波的应用及毫米波集成电路 毫米波是波长介于l 1 0 m m 的电磁波谱，对应频率范围3 0 0 - 3 0 g h z 。从频 率来看，毫米波低端与微波衔接，高端与红外、光波相连，所以毫米波逐渐发 展成为一门集微波、光学两门学科知识的综合性分支学科。其特点是波束窄、 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。毫米波 已广泛应用于通信、雷达、制导、遥感、频谱学及生物效应等多种领域i l 。 毫米波半导体器件及平面传输线构成的毫米波集成电路以其小型化、重量 轻、耗能少的优点，与毫米波技术的进步而迅速发展。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p j 。 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 ( m m i c - - m i c r o w a v e m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 也成为可能，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m m i c 已迅速成为微 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( 参见第三章) 集成的毫米波子系统和系统已经大量应用于实际工程1 4 。 1 2 混频器简介 混频器是超外差接收机中的关键部件，它的指标很大程度上决定了整个系 统的性能。为减小接收系统的体积并提高其性能，现代雷达与制导、电子对 抗、通信、射电天文、遥感遥测系统的工作频率已逐步扩展到毫米波频段。由 5 电子科技大学论文 此也对毫米波混频器的性能提出了越来越高的要求，研究低成本、高性能的毫 米波混频器也成为一个非常重要的课题。 混频器利用非线性器件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【5 】： ( 1 ) 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。缺点是不可避免地有变频损耗，与新的有源器件 相比噪声也较大。其电路原理图如图1 一l ( a ) 所示。 ( 2 ) 采用有源器件晶体管或场效应管作为非线性器件，也称作三端器 件混频器。其优点表现在以下三个方面： a ) 变频损耗小，有些情况下有变频增益。是三端器件混频器最 大的优点。 b ) 输出饱和点高。即其l d b 压缩点较高。从而使得动态范围上 限提高，三阶交调特性也较好。 c ) 组合频率分量少。 其缺点是电路复杂，需要直流偏置，另外设计理论也比较复杂。 图1 1 ( b ) 是一个栅级混频器的原理图。 ( a )：极管混频电路 图1 1 信号 本振 ( b ) 三端器件栅极混频电路 两类混频电路 三端器件混频器发展较晚，但是以其低噪声、动态范围大、端口固有隔离 度高、损耗小以及有些情况下有变频增益的优点，有取代前者的趋势。 h e m t p h e m t 是八十年代出现的三端器件，它与f e t 相比噪声更低、跨导值 6 电子科技大学论文 更大从而有更好的变频效果。现在已有高性能的h e m t p h e m t 器件可供选 用，所以我们计划选用该类器件研制毫米波段的混频器。 1 3 国内外动态 从收集的资料来看，由于我国在三端器件的研究方面起步较晚，所以现在 对毫米波三端器件混频器的研究大多停留于理论探讨阶段，也没有成熟的软件 可直接用于电路的完整设计，常见的是一些关于提取h e m t p h e m t 模型中元 件参数的文章。在毫米波频段上还没有应用于工程上的成功样品。信产部5 5 所 已经研究出双栅混频器及f e t 单片集成混频器，工作频段2 1 3 g h z ，变频损耗 1 2 , - 4d b ，噪声系数1 4 d b i “。电子科技大学的肖绍球等制作的k a 波段h e m t 混 频器，采用的是单端漏极混频器的结构，在射频2 7 4 g h z l 0 0 m h z 带宽内、本 振3 3g h z 时的变频增益 3 d b t 2 ”。 现在对三端器件混频器的研究逐渐深入，国外已经制作出多种形式的集成 三端器件混频器电路，并且设计出m e s f e t 及h e m t 模型的c a d 软件包。 t h c h e r t 等制作了宽带单双平衡式h e m t 混频器其单平衡混频器工作于 2 1 6 g h z ，双平衡工作于3 1 8 g h z ，其变频损耗为1l 8 d b f z 卦。r e z am a 制作 的h e m tm m i c 混频器：r f 2 3 q 0 g h z 、l 0 2 0 2 8g h z 、狐2 1 3g h z ，变频 增益0 d b 。k e n j ik a w a k a m i 制作高变频增益单片集成平衡式p h e m t 混频器， r f ：5 0 g h z ，l o ：0 d b m ，i f ：1 0 m h z ，变频增益达8 2 d b 。 1 4 课题简介 求为： 本课题来源于军事电子项目“毫米波混合集成技术研究”。其技术指标要 射频频率：3 5 2g h z 本振频率：3 0 2 g h z 中频频率：54 - 0 5g h z 变频增益： 2 d b 射频、本振输入采用b j 3 2 0 接口 中频要求采用s m a 接头输出 7 电子科技大学论文 第二章 混频器中无源电路部分的设计 2 1 平面集成传输线 平面集成线包括微带( m i c r o s t r i pl i n e ) 、悬置微带( s u s p e n d e ds t r i p l i n e ) 、 鳍线( f i n l i n c ) 、共面线( c o p l a n a rl i n e ) 、镜像线( i m a g el i n e ) 、倒黉微带( h l v e r t e d m i c r o s t r i pl i n e ) 、带线( s t r i pl i n e ) 等【6 】，图2 - 1 是其示意图： 微带槽线共面线 镜像线 图2 1 几种典型的平面传输线 微带线实际上可以看作同轴线的转化，图2 - 2 是这一过程： 同轴线金属板间带状线微带 图2 2 同轴线到微带线的过渡 上述几种平面传输线各有特点，在表2 1 中列出 表2 - 1 ：平面传输线传输特性列表 介质基片 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 i - i z )( f 2 ) 标准微带 1 1 0 01 5 1 0 0 小低 槽线 2 6 06 0 2 0 0 由 低 共面线 2 击o4 0 1 5 0 由 低 鳍状线 3 0 1 5 02 0 4 0 0 由 中 9 电子科技大学论文 宽，适合于平面集成电路。 2 2微带的传输特性理论分析 微带线的主要电参数是特性阻抗z 。，传播波长以及有效介电常数6 e 。由图 2 2 中的微带结构图可以看到，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，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的，所以对它 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，求出微带结构的s 参数，包括谱域法、直线法、时域有限差分法、有 限元法，矩量法等。方法是直接计算电磁场分布，也称作全波分析。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。即根据不同的微带结构选择相应的数值解来对电路等效。 2 3 过渡电路与滤波器的分析与设计 1 过渡电路 由于通常的微波测试系统的的输入输出接口均为标准矩形波导或同轴线， 而且多个子系统之间也要通过接口来连接，所以在制作m i c m m i c 子系统时都 要制作与其它子系统或测试设备的转换接头。这些转换电路要求信号的损失尽 可能小。具体要求为插入驻波比小、带宽较宽、接头损耗小而且还要有一定的 机械稳定性、装卸容易。 常见的转换连接电路包括矩形波导至微带的转换、同轴至微带的转换、波 导至鳍线的转换、鳍线至波导问的转换【7 1 。 在毫米波频段由于要尽量减小射频信号损耗，一般都以标准矩形波导作为 输入接口。为便于信号处理，中频输出一般采用s m a 接头。本课题即要求射频 本振的输入使用b j 3 2 0 标准波导中频输出用s m a 接头。本文中转换电路采用 了图2 5 ( a ) 所示的探针式结构。 1 0 电子科技大学论文 波导至微带的过渡主要分为两种形式： f 1 ) 第一种是属于h 面过渡形式的脊波导形式，其结构见图2 - - 3 ，脊波导 常见的有正弦曲线或直线形式或阶梯形式。这种形式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1 个波长，这样就使得封闭腔体比较大，增大了系统体积。而且与探针式相 比加工也比较困难。 ( a ) 曲线型过渡( b ) 阶梯型过渡 图2 3h 面的加脊波导过渡 ( 2 ) 还有一种是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，见图2 4 。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回波损耗其结构见图2 5 。因 为这种结构更加紧凑，更适合于小体积集成电路。 图2 4 过渡电路中的场结构 a 电子科技大学论文 a ( a ) ( b ) 图2 - - 5 两种探针e 面过渡电路 在混频器中使用的波导一微带探针过渡电路计算机仿真的结果，如图2 - - 6 所示。 ，、t 寸 7u ： n 一。七7 _ _ _ 、 7 刈厂 j 、l 。 2 6 52 93 1 53 43 6 53 9 频辄 图2 - - 6 波导至微带的探针过渡在k a 波段的仿真结果 由图可见，在3 3 - - 3 7 g h z 范围内，插损小于o 8 d b ，回波损耗大于2 0d b 。 因为中频输出使用的特性阻抗为5 0 f 2 的s m a ，只要在焊接时注意焊锡呈 渐变形式就可以了。 2 、滤波器设计 1 2 崭0 5 0 5 5 帕5 1 写! i d d 屯也弓书q 电子科技大学论文 在集总参数电路中，无源滤波器是以l c 的串并联网络来实现。毫米波频 段以分布参数电路即微带线实现的滤波器，其设计理论来源于集总参数滤波器 设计理论。 对于毫米波低通滤波器，较宽的微带线即高阻线可等效为电感，而细的微 带线可等效为电容。由此可以先设计集总滤波器再由微带的等效电纳值反向求 出其尺寸即可，即综合设计法。对于毫米波带通滤波器，一般以耦合微带线来 实现，分为边耦合和端耦合两种方式。在耦合的位置也相当于一个l c 串并联 网络。 图2 - - 7 是采用了最大平坦特性的设计方法设计的低通滤波器的仿真结果 及微带电路图。图2 - - 8 是单节边耦合带通滤波器的仿真结果及微带电路图。 其中对低通滤波器的要求： 通带频率：6 g h z 在频率1 0 g h z 处衰减： 2 0 d b 带内衰减： ( 3 一1 1 ) ( 3 一1 2 ) ( 3 1 3 电子科技大学论文 r i n 当尺r v g s i 1 0r i n = m o o k r z g s i ) 当k r v g s i 1 0 r i n = 0 上面表达式中的其中各参数的意义见表3 一l 。 表3 1 ：各参数意义 参数意义 i d s s v g s = 0 v 时的漏极电流 v p o 夹断电压 丫沟道长度调制参数 e e 栅极w 指数关系中的常量参数 k e 与v g s 相关幂指数因子 s l v g s = 0 时线性区漏电流i - v 曲线斜率 k g 线性区漏电流斜率v g s 相关因子 s s v g s = 0 时饱和区漏电流i - - v 曲线斜率 t 延迟常数 i g o g s 二极管饱和电流 a f a g g s 二极管指数因子 t b o g d 二极管饱和电流 皤媪 g d 二极管指数因子 v b c 击穿电压 r 1 0 本征电阻 c l o 偏压为0 时c g s k l g s 电容自建电压倒数 c l s c g s 常数部分 c f o 偏压为0 时c g d k f g d 电容自建电压倒数 a f a c 栅宽比例因子 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 具体拟合的步骤为： ( 1 ) 根据器件手册上的直流i v 曲线得到一数据表，见本文附录1 。 ( 2 ) i d s s 、v p o 直接取自器件手册；v g s i 、v d s i 由数据表可以计算得出：小 信号模型中的非本征部分直接用于该电路，t 和r i n 也取小信号模型。 另外由于实际情况下i g s 、i g d 都非常小，所以也没有考虑其影响。这 样等效电路得到进一步简化。 ( 3 ) 由线性区及饱和区的直流测试数据拟合s s 、s l 、y 、k e 。 2 1 电子科技大学论文 ( 4 ) 根据小信号s 参数拟合非线性电容中的参数k 1 、k f 、c 1 0 、c f o 、 c 1 s 。 本文中使用的p h e m t 是u m s 公司的e c 2 6 1 2 ，得到其大信号模型的各参数列 于表3 2 中： 表3 - 2 ：大信号模型中各元件及参数的值： r gr dr s r j n) s sv p ok g o 1 3 q2 8 3 q2 8 3 q 3 2q 4 0 m a0 7 vo 1 0 3 2 l g l dl ss ls se e k e 1 5 2 p h1 1 7 p h0 1 l p h o 1 3 5 0o 0 0 5 81 1 0 5 40 7 3 0 5 c 1 0c f ot 0 1 8 7 5 p f0 0 5 0 6 p f2 8 p s 图3 5 是拟合电路与实测的i v 特性的曲线的比较，两条曲线非常接 近。为了对p h e m t 进行仿真，使用了m i c r o w a v eo f f i c e 软件。图中等效拟合 值与实际测量值的最大差值 的电流童接在频域内进行线性分析求解，而从节点流进非线性器 牟的电流在对域上进行求解。用傅立时变换实现从时域分析结果到频域分析缡 粜的转换。从每个节点流磷的电流可以用所有频率的复数分表示。根据k i r e h o f f 定律，所有节点上的电流之和应为零，但具体求解时代入的初始值一般不能满 足方程。所以可以将所有节点上的电流总和设定为一个误差丞数，用它来表达 对k c l 满足的程度。对谐波平衡方程一般采取牛顿法或反射法来叠代求勰，如 果求解的进程是收敛的，即误差函数小于绘定的容差，那么这个有限酌傅立叶 级数鳃则可以近似表示稳定状态下电路的实际节点电压波形。 在鼹4 一i o 的电路中，为便于分析忽略了i 鲥、i g s ( 在实际情况中是非常小 的) 影晌。强中的z 。、z l 是将瓯配网络纳入到电路中的等效阻抗。 电子科技大学论文 可见线性网络有5 个端口，对其分析可以使用导纳矩阵 ，1 ，2 3 ，4 ，5 x 。i ：k ，x 。 i sv k y 2 ，艺： e ， e 。l ：匕， y 4 ly 4 2y 4 3 e ie 2y 5 3 其中的元素都是向量形式： ，。= p 。，。 = 妒柚，。 匕。= l 。( 0 ) 匕。( ，) 骥 e 。( k c o ，) ( 4 2 0 ) ( 4 2 1 ) n 表示端口数，这里为1 5 ，k 计算时取的最高谐波次数，取的越高，则分析的 准确度越高，但耗费计算机机时及内存都大量增加。 v 4 、v 5 所在的信号源端口可写成： 匕= 眩0 0 j 圪= 眩圪。0 】 可以将式( 4 1 8 ) 简化为： ( 4 2 2 ) 右端的第一项记作：， 差 ，第二项记作厶。 上面求的是线性网络的电流，对于非线性网络中的非线性元件，由其与电 褂j 1 1 q 1 卅z s ， 3 5 j 上 k k 匕 k 10j 以 卜i00址j ie 匕匕比匕k 。l + 1j k 匕匕 丌o o o o i 业 k k kk 兄e l = 1j 厶厶l 。l 电子科技大学论文 其中j 为对角线全为j 的对角矩阵，q 也一对角矩阵，由o 直到k 0 ) p 本振n 次角 频率。列出k c l 误差函数： 嘲。褂l + 降 z 4 ， 求解( 4 - - 2 4 ) ，一般是先根据直流偏置求解的值作为初始值，然后采用迭 代逐步逼近的方法，当满足所定义的最小误差星时，程序中止。常采用的算法 2 变换矩阵分析 利用谐波平衡法计算出来的等效电路内部各节点电压及各支路上电流，就 可以利用小信号分析对其变频性能进行分析了。 把非线性元件变成增量、时变形式，两个非线性电容电流为： 删= q 掣+ 掣v ， c 4 哨， 上式中x = g ，d 。受控源分成一个受控源一个时变漏源电导，其意义与栅极混频器 中的相应元件相同。 f 眈，) = ”d(4-26) - c 州“ 右边第一个偏微分为跨导g 。，第二个偏微分为漏源电导踟。 求出以上元件的变换矩阵，用它们来替换三端器件等效电路的相应元件。 则该等效电路可看成一个二端口网络，如图4 一l l 所示。 么，p j么p j 卜_ 亡= = 卜一f = = 卜一 y 图4 1 1 变换矩阵二端口网络 纠。销 电子群技大学论文 此二端口网络中的y 瓶阵代表不同频率的输入输出福量。要计舞交频增 益，可以将以上二端目网络看作是将除去在输入端的r f 及输甾端的i f 频率， 其它所有频率项的源及负载都被吸收进网络。 限于篇幅，在些略去一些推导过程。最后可得到阻y 参量表示的转换变频 增益为： 舀! 圣! 坠! 竺! 堕堡竺生! 丝! 塾型 忑 4 一2 2 ， l ，= 1t 一， f ( y j ，1 + k ( 国夥) ) ( y 2 ，2 + ( 国r ) ) 一y 2 , , y 2 ，2r 最大可用变频增益： 其中： 捌g = 蕊磊硒集丽。4 嘲， 刁： r e y r e j ，：。一r e y ：，j ，：2 ) 一p ：，y ：，：f 2 芦 4 4 p h e m t 混频器噪声分析 混频器处于接收机的前端，其噪声系数直接影响整个系统的嗓声性能。混 频器的噪声又主要融非线性器件噪声决定，所以在设计三端器件混频器时应该 选择噪声系数小的三端器件，优化电路时应该将目标函数设定为变频增益及噪 声系数的函数。 对p h e m t 中的噪声的认识寒源予m e s f e t ，进行噪声分析要使用噪声电 路模型，如图4 1 2 所示。图孛虚线框内为本缝部分，电路其余部分为非本征 部分。分析方法包括谐波平衡法1 2 9 圾对噪声功率求时闯均值的方法 3 0 , 3 弱。本文 仅讨论第二种方法。 3 7 电子科技大学论文 翌4 1 2p h e m t 噪声模型 套 l 、本征部分噪声 圈中的i u 是栅极感应嗓声电流源。则是p h e m t 中沟道热噪声。蕊个噪 声源都由沟道热嗓声弓l 超的，所以两者部分相关。相关矩阵力： r _ 1 。1 c o r 幻) ：l - 擘- 擘l l l 槲l 嚣删l 甜j l国2 。r一歹茈筘。撒e 叫屯鬻叫g = o p - r 如 l歹略。扭 ( 4 2 9 ) 其中：k 为玻尔兹曼，f 信号带竟，f o 为信号频率，g 椭为静态跨导，c 秘。受 静态栅源电容，t 为绝对温度，p 、p 及e 是与偏置和频率相关的模型参数。 写成均方值形式为： 和拼鲈，高嚣 气：4 k t 酵g 。p 3 8 | 喜3 0 ) ( 4 31 ) c ：磐 _ ：i w 2 电子科技大学论文 ( 4 3 2 ) 以i 、i 来表示在输入端的由射频及中频引入的噪声电流源，则有 f 二。= 4 k t a f f ：2 = 4 k t a f 白，写) 2 习风磊羽 ( 4 3 3 ) 同理可由式( 4 - - 2 9 ) 和( 4 - - 3 0 ) 得到f 乞，、0 ：和c 的表达式。而r 、p 、c 可由测量的最小噪声系数及最佳阻抗得到f ”】。 2 、非本征部分噪声 令z i 、z 2 为射频在输入端及输出端的阻抗，z 3 、z 4 为中频在输入端及输 出端的阻抗。则相应噪声源可表示为： e ；= 4 k t 可t 五。 e ；= 4 k t a f r ， e ；= 4 k t v r d 孑；4 k t 可r e z 。】 虿= 4 k t ，( r 。+ r e z ： ) 虿= 4 k t 可阮+ r e z ，d ( 4 3 4 ) 3 、噪声系数 由式( 4 2 ) 噪声系数定义，在计入各噪声源后的噪声表达式为 i扩 f 上：2 ：二竺：竺竺竺!。4 吲， ，= 4 。= = = = = 。一 、7 l 式中每一项都是在中频负载上的噪声电流源。i n 。( m = 1 ，2 ，3 ) 是在中频输出端分别 由输入端射频、输入端中频、输出端射频噪声源引入的噪声，分子分母都是时 间平均值形式。分子中的后两项是在漏极的中频输出电路自身带来的噪声，i n 。 3 9 电子科技大学论文 是指在中频输出电路中单独由输入射频噪声引起的噪声电流。要求解式( 4 3 2 ) ，令y 。1 y t 2 y t 3 及g 1 ，g 2 g 3 分别为输入端射频、输入端中频、输出端 射频至输出端的导纳和电流增益，可功, z ，1 4 ： + 镒+ 群( 掣) + 筹( 谢) 1 i o , t 2 圳2 。阢1 2 r 。r e 【z 1 】。阢1 2 4 k t 厂r c 【z ，】 i o ：1 2 训2阱2 l z ，1 2 4 k t v r e 【z i 】。1 2 4 k t ，r e z ，】 + 焉+ 擞嘶蚓 + 挛躲出_ 】 考虑到三端器件本身固有的以及由加入了滤波器后而加强的端口隔离特 电子科技大学论文 第五章p h e m t 混频器的设计与结果 5 1混频器的实现方案 国外的研究者都是将三端混频器制作在平面集成电路中，尤其是微带线 上。是因为该种实现方案具有体积小、易集成的优点，这样结合高指标的三端 器件可以得到高性能的混频器。 根据课题要求和自身条件和三端器件混频器工作原理的分析，选用了单端 p h e m t 漏极混频器的实现方案。该方案具有以下优点： a 漏极混频器有较好的变频效果： b 结构简单，容易实现； c 从相反的方向加入射频本振，利用了栅漏间的固有隔离，用以隔 离r f 及l 0 ，也有利于腔体设计。 设计的第一步确定电路的拓朴，选择的原则是要求信号输入输出在不同的 方向，而且偏压设置容易【3 2 3 3 1 。 混频器的设计要求在r f 输入端完成r f 的匹配，在输出端完成对中频的 匹配，并且各个信号要求用滤波器或定向耦合器实现信号的隔离p 。 漏极偏压 图5 一l 混频器拓朴图 电路拓朴中各部分的构成及作用： 4 1 电子科技大学论文 ( 1 ) r f 滤波及匹配网络 该部分由第一部分是射频的匹配网络，实现射频与p h e m t 的阻抗 匹配。第二部分是一个九4 开路端用以在栅极对短路。 ( 2 ) 球滤波及匹配网络 该部分由一个九r f 4 开路端对射频短路，另有低通滤波器通隔 高频信号。 ( 3 ) l o 滤波及匹配网络 该部分包括一带通滤波器完成l o 与r f 及皿的隔离。 f 4 ) 偏压电路 图中栅极及漏极的偏压电路由两部分实现：第一部分是由微带构成 的低通滤波器，用以滤除高频信号；第二部分为连接在电源和低通 滤波器之间的集总元件，作用也是对电源滤波保护电路兼滤除高频 的作用。 ( 5 ) 图中未画出的部分包含过渡电路 过渡电路包括射频和本振输入的波导到微带转换的探针过