W波段高性能检波器与谐波混频器：原理、设计与应用的深度剖析

W波段高性能检波器与谐波混频器：原

理、设计与应用的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代通信技术的飞速发展，人们对通信带宽和数据传输速率的需求呈指数级增长。为了满

足这些不断增长的需求，通信频段逐渐向高频段拓展，w波段(75-110GHz)由于其丰富的

频谱资源、极宽的频带，成为了下一代6G无线通讯的目标领域，在高数据率通信、高分辨

率雷达等领域展现出巨大的应用潜力。在5G乃至未来的6G通信网络中，W波段技术被视为

实现高速、大容量、低延迟通信的关键，其能够提供更高的数据传输速率和更大的通信容量，

满足高清视频流、虚拟现实(VR)、增强现实(AR)等大带宽应用对网络性能的严苛要求，

为智能城市、工业互联网等新兴领域的发展筑牢通信根基。同时，W波段的电磁波波长短、

电离层穿透性强，具有透射率高的大气窗口，也非常适合卫星通讯，正成为继Ku和Ka频段

后卫星及星际通讯的潜在竞争频段。

在W波段通信系统中，高性能检波器与谐波混频器作为核心部件，对系统的性能起着决定性

作用。检波器能够对射频信号进行非线性变换，提取其中的直流和低频分量，从而获取射频信

号的幅度信息，被广泛应用于微波、毫米波测试仪器，如功率计、网络分析仪等，以及毫米

波信号源功率指示和稳幅、辐射计和雷达等毫米波系统中的直接检波式毫米波接收机，还可用

于接收机自动增益控制(AGC)或发射机功率遥测指示c谐波混频器则可以实现毫米波信号

与其他频率信号之间的频率变换，将毫米波信号下变频到较低频率，便于后续的信号处理和分

析。在毫米波通信系统中，谐波混频器可将接收到的毫米波信号转换为中频信号，以便进行

解调、解码等操作；在毫米波雷达系统中，谐波混频器可用于将雷达回波信号与本振信号进行

混频，提取目标的距离、速度等信息。

然而,由于W波段频率高、波长短,信号在传输和处理过程中会面临诸多挑战.如信号衰减

严重、电路设计难度大、器件性能难以满足要求等，导致目前高性能的W波段检波器与谐波

混频器在技术上仍存在较大的提升空间，且尚未有大规模商业化的产品可用。因此，深入研究

W波段高性能检波器与谐波混频器，开发出具有宽频带、低损耗、高灵敏度、高线性度等优

异性能的新型器件，对于推动W波段通信技术的发展和应用具有重要的理论意义和实际应用

价值。这不仅能够满足日益增长的高速通信需求，还将为相关领域的技术创新和产业发展提

供有力支撑，具有广阔的市场前景和社会效益。

1.2国内外研究现状

1.2.1W波段高性能检波器研究现状

在W波段高性能检波器的研究中，国外起步较早，取得了一系列显著成果。例如，Meinel和

Schmidt共同提出一种使用商用零偏置肖特基二极管实现宽频带、高灵敏度的检波电路，在

18GHz-170GHz频带范围内都能实现检波，在AEG-Telefunken和Mullard公司早有成形

商品。该检波电路利用肖特基二极管的低势垒特性，无需外加偏置电压，且噪声系数小、灵敏

度高、频率响应快、动态范围大、频带宽，为W波段检波器的发展奠定了重要基础。

国内的研究也在不断推进。电子科技大学的董俊等人设计了一种中心频率为94GHz,带宽为

4GHz的微带检波器。该检波器输入端口为WR10标准矩形波导，输出为SMA接头,通过

对脊鳍线渐变的方式实现波导到微带的过渡。当输入功率为-20dBm时，在中心频率处测的

电压灵敏度大于320mV/mW。这种设计通过巧妙的结构实现了波导与微带的有效过渡，提升

了检波器的性能。姚常飞等人研究了响应时间小于50Ps的W波段高速脉冲检波器，采用

Agilent公司的HSC-9161梁式引线毫米波检波二极管，通过ADS仿真软件得到了满足要求

的宽带检波器电路。该研究针对高速脉冲检测的需求，选用合适的二极管并利用仿真软件进

行电路优化，在高速脉冲检波器领域取得了一定进展。然而，目前国内在W波段检波器的研

究上与国外仍存在一定差距，尤其在商业化产品的成熟度和性能稳定性方面O

1.2.2W波段谐波混频器研究现状

在w波段谐波混频器方面，国外开展了深入的研究工作,一些研究团队采用先进的半导体工

艺和电路设计技术，致力于提升混频器的性能。如采用高电子迁移率晶体管（HEMT；等新

型器件，利用其高电子迁移率和低噪声特性,设计出高性能的谐波混频器,在宽带宽、低噪

声、高线性度等方面取得了较好的成果。这些研究成果为W波段通信系统和雷达系统的性能

提升提供了有力支持。

国内的研究也取得了一定的突破。部分高校和科研机构针对W波段谐波混频器的结构设计、

参数优化等方面进行了研究。有研究通过理论分析和仿真优化，采用谐波平衡法，结合电路

仿真软件ADS与电磁仿真软件HFSS,设计出微带带通滤波器、低通滤波器以及各匹配电

路，对W波段二次与四次分谐波混频器进行了整体仿真优化。实测表明，在本振为

47GHz,功率10dBm,测试射频带宽为91GHz-97GHz时，二次与四次分谐波混频器变频

损耗最优处分别为12.7dB和23dB。苏州伏波电子科技有限公司取得的“一种W波段小型化

分谐波混频器”专利，通过优化微带结构，显著降低了加工难度和装配复杂性，为未来小型

化、高集成度的通信设备奠定了基础。但整体而言，国内W波段谐波混频器的研究在技术成

熟度和产业化应用方面还有待进一步提高，以满足日益增长的市场需求。

1.3研究内容与方法

1.3.1研究内容

1.W波段高性能检波器原理与设计：深入研究W波段桧波器的工作原理，剖析影响其性能

的关键因素，如二极管特性、阻抗匹配、电路拓扑结构等。基于此，开展检波器的电路设

计工作，运用先进的设计理念和方法，优化电路参数，致力于实现宽频带、低损耗、高灵

敏度和高线性度的检波器设计目标。通过对不同类型二极管的性能对比分析，选择最适合

W波段检波器的二极管型号，并对其寄生参数进行精确建模，以提高电路设计的准确性。

在电路拓扑结构方面，研究新型的电路结构，如平衡式检波电路、双平衡式检波电路等，

以降低噪声干扰，提高检波器的性能。

2.W波段谐波混频器原理与设计：全面研究W波段谐波混频器的工作原理，包括混频过程

中的频率变换机制、非线性特性以及谐波产生的原理等。详细分析影响谐波混频器性能的

关键因素，如本振功率、混频二极管参数、阻抗匹配网络、滤波器性能等。基于上述分

析，进行谐波混频器的电路设计，通过优化电路结构和参数，提高混频器的变频效率、降

低噪声系数、提高线性度和隔离度。研究新型的混频器结构，如基于高电子迁移率晶体管

（HEMT）的谐波混频器、基于互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的谐波混频器等，

以满足不同应用场景对混频器性能的需求。

3.W波段高性能检波器与谐波混频器的性能测试与优化：搭建完善的性能测试平台，运用先

进的测试仪器和方法，对设计制作的W波段高性能检波器与谐波混频器的各项性能指标进

行全面、精确的测试，如频率响应、灵敏度、线性度、变频损耗、噪声系数等。根据测试

结果，深入分析器件性能存在的问题和不足，针对性地提出优化改进措施，通过调整电路

参数、优化结构设计、改进工艺等手段，不断提升器件的性能。采用参数扫描、优化算法

等方法，对电路参数进行精细优化，以实现器件性能的最大化。在工艺改进方面，研究新

型的材料和制造工艺，如低温共烧陶瓷（LTCC）工艺、硅基集成工艺等，以提高器件的性

能和可靠性。

4.W波段高性能检波器与谐波混频器的应用研究：探索W波段高性能检波器与谐波混频器

在实际通信系统和雷达系统中的具体应用，针对不同应用场景的需求，进行系统级的设计

和优化，以充分发挥器件的性能优势。研究器件与其他系统组件的兼容性和协同工作能

力，解决应用过程中可能出现的技术问题，如信号干扰、功率匹配等，为W波段通信技术

和雷达技术的实际应用提供有力的技术支持。在通信系统应用研究中，研究检波器与谐波

混频器在高速数据传输、大容量通信等场景下的性能表现，优化系统参数，提高通信系统

的可靠性和稳定性。在雷达系统应用研究中，研究器,牛在目标探测、跟踪、识别等方面的

应用效果，改进雷达系统的信号处理算法，提高雷达系统的分辨率和精度。

1.3.2研究方法

1.理论分析：通过深入研究电磁学、微波电路理论、非线性电路理论等相关理论知识，建立

w波段高性能检波器与谐波混频器的数学模型，从理论层面分析其工作原理、性能参数以

及影响因素。运用这些理论知识，对器件的电路结构、参数选择等进行深入分析和优化，

为后续的设计和仿真工作提供坚实的理论基础。在建立检波器数学模型时，考虑二极管的

非线性特性、寄生参数以及电路中的阻抗匹配等因素，推导出检波器的输出特性与输入信

号之间的数学关系。在分析谐波混频器时，运用非线性电路理论，分析混频过程中的频率

变换和谐波产生机制，建立混频器的变频损耗、噪声系数等性能参数的数学模型。

2.软件仿真：借助先进的微波电路仿真软件，如ADS(AdvancedDesignSystem).HFSS

(HighFrequencyStructureSimulator)等，对W波段高性能检波器与谐波混频器的电路

进行全面的仿真分析。通过仿真，可以在设计阶段快速验证设计方案的可行性，预测器件

的性能指标，优化电路参数，有效缩短设计周期，降低研发成本。在ADS中进行电路原

理图设计和仿真，对电路的频率响应、增益、驻波比等性能指标进行分析和优化。利用

HFSS进行三维电磁仿真，分析电路中的电磁场分布、信号传输特性等，优化电路的结构

设计，减少电磁干扰和损耗。通过参数扫描和优化算法，对电路参数进行自动优化，寻找

最优的设计方案。

3.实验测试：搭建专业的实验测试平台，运用高精度的微波测试仪器，如矢量网络分析仪、

信号源、功率计、频谱分析仪等，对制作完成的W波段高性能检波器与谐波混频器的实际

性能进行精确测试。将测试结果与理论分析和仿真结果进行对比分析，验证设计的正确性

和有效性，同时深入分析实验过程中出现的问题，为进一步优化设计提供依据。在实验测

试过程中，严格控制测试环境,确保测试结果的准确性和可靠性。对测试数据进行详细记

录和分析，通过数据分析发现器件性能的不足之处，并提出针对性的改进措施。根据实验

结果，对电路参数和结构进行调整和优化，再次进行实验测试，直至达到预期的性能指

标。

二、W波段高性能检波器

2.1检波器工作原理

2.1.1基本检波原理

检波器作为微波、毫米波技术中的关键部件，其核心功能是将射频信号转换为直流或低频信

号，从而提取出射频信号的幅度信息。在通信、雷达、电子测量等众多领域，检波器都发挥

着不可或缺的作用。

从本质上讲，检波器的工作基于非线性元件的特性，最常用的非线性元件是二极管，尤其是肖

特基二极管。肖特基二极管具有低势垒高度、快速开关速度和良好的高频性能等优点，使其

成为毫米波检波器的理想选择。当射频信号作用于检波器时，信号首先经过输入匹配网络，

该网络的作用是确保射频信号能够高效地传输到非线性元件，实现信号源与检波器之间的阻抗

匹配，减少信号反射，提高传输效率。

以常见的基于肖特基二极管的检波器为例，其工作过程可详细描述如下。当射频信号输入

时，肖特基二极管在射频信号的作用下，其电流-电压特性呈现出非线性变化。假设输入的

射频信号为V_{RF}(t)=V_{rr}\cos(\omegaJRF}t),其中V_{m}为信号幅度，\omega」RF}为

射频角频率。肖特基二极管的电流I与电压V的关系可表示为I=l_{s}(eA{\frac{qV}{nkT}}-

1),其中l_{s}为反向饱和电流，q为电子电荷量，n为理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为绝

对温度。将射频信号代入二极管电流公式，通过泰勒级数展开l(V_{RF}⑴)，可以得到包含直

流分量、基波分量、谐波分量以及交调分量等的表达式。在这些分量中，直流分量与射频信

号的幅度平方成正比，即l」DC}\proptoV_{m}A{2}。通过低通滤波器，滤除高频分量，只保

留直流分量，这个直流分量就反映了射频信号的幅度信息。

在实际应用中，检波器的输出特性还受到多种因素的影响。例如，输入信号的功率范围对检

波器的性能有显著影响。当输入功率较低时，检波器工作在小信号状态，此时二极管的非线

性特性可以近似为平方律，输出直流电压与输入射频功率呈良好的线性关系。然而，当输入

功率过高时，二极管会进入大信号状态，其非线性特性会发生变化，输出将逐渐达到饱和，导

致检波器的线性度下降，动态范围受限。此外，温度变化也会对检波器的性能产生影响。随

着温度的升高，二极管的反向饱和电流l_{s}会增大，从而导致检波器的灵敏度和线性度发生

变化。因此，在检波器的设计和应用中，需要充分考虑这些因素，采取相应的措施来优化检

波器的性能。

2.1.2W波段检波器特殊工作特性

在w波段，由于其高频特性，检波器展现出与低频段不同的特殊工作特性，这些特性对检波

器的设计、性能以及应用都提出了更高的要求和挑战。

响应速度是W波段检波器的重要特性之一。由于W波段信号的频率极高，信号变化迅速，

这就要求检波器能够快速响应输入信号的变化。传统的检波器在低频段能够满足响应速度的

要求，但在W波段，其响应速度可能无法跟上信号的变化，导致信号失真或信息丢失。为了

提高响应速度，W波段检波器通常采用高速的非线性元件，如新型的肖特基二极管或基于其

他先进半导体材料的器件。这些器件具有更短的载流子寿命和更快的开关速度，能够快速对

高频信号做出响应。此外，优化电路设计，减少信号传输路径中的寄生参数，也有助于提高

检波器的响应速度。例如，采用低损耗的传输线和紧凑的电路布局，可缩短信号传输延迟，

使检波器能够更迅速地检测到信号的变化。

灵敏度是衡量检波器性能的关键指标，在W波段同样具有特殊的意义。由于W波段信号在

传输过程中容易受到衰减，到达检波器的信号功率往往较弱，因此需要检波器具有更高的灵敏

度，以便能够准确地检测到微弱的信号。W波段检波器的灵敏度受到多种因素的影响。一方

面，非线性元件的特性对灵敏度起着决定性作用。低势垒肖特基二极管由于其较低的开启电

压和较高的整流效率，在W波段能够实现较高的灵敏度。另一方面，电路的设计和参数优化

也会影响灵敏度。合理设计输入匹配网络，使检波器能够最大限度地接收输入信号的能量，

同时优化低通滤波器的性能，减少信号在滤波过程中的损耗，都可以提高检波器的灵敏度。

此外，采用适当的放大技术，如在检波器后级添加低噪声放大器，也可以有效地提高整个系统

对微弱信号的检测能力。

除了响应速度和灵敏度，W波段检波器还面临着其他特殊的挑战。例如，由于W波段信号的

波长极短，电路中的寄生效应变得更加显著。寄生电容、寄生电感等会影响信号的传输和处

理，导致信号失真、频率响应变差等问题。因此，在W波段检波器的设计中，需要更加精确

地考虑和补偿这些寄生参数。采用电磁仿真软件对电路进行全面的分析和优化，通过合理设

计电路结构和布局，选择合适的材料和工艺，来减小寄生效应的影响。同时，W波段检波器

对工作环境的要求也更为严格。温度、湿度等环境因素的变化可能会对检波器的性能产生较

大影响，因此需要采取相应的温度补偿、防潮等措施，以确保检波器在不同的环境条件下都能

稳定工作。

2.2检波器设计关键要素

2.2.1电路结构设计

在w波段检波器的设计中，电路结构的设计至关重要，它直接影响着检波器的性能表现。常

见的w波段检波器电路结构包括微带电路、波导-微带过渡结构等，每种结构都有其独特的

设计要点和优势。

微带电路以其平面结构、易于集成和小型化等特点，在W波段检波器中得到了广泛应用。在

设计微带电路时，需精确考虑微带线的特性阻抗、线宽、长度等参数。特性阻抗的准确设计

对于实现信号的高效传输和良好的阻抗匹配至关重要，般通过控制微带线的宽度和介质基板

的介电常数来实现。例如，在中心频率为94GHz的微带检波器设计中，通过精确计算和仿

真，确定合适的微带线宽度和介质基板参数，以确保微带线的特性阻抗为50Q,从而实现与

其他微波器件的良好匹配。同时，微带线的长度也需根据信号的波长和传输要求进行优化，

以减少信号传输过程中的损耗和相位变化。

波导-微带过渡结构是实现W波段信号从波导传输到微带传输的关键环节。由于波导和微带

的传输特性存在差异，设计合理的过渡结构对于戒小信号反射、提高传输效率至关重要。常

见的波导•微带过渡结构有脊鳍线渐变结构、探针过渡结构等。以脊鳍线渐变结构为洌，如

电子科技大学设计的中心频率为94GHz,带宽为4GHz的微带检波器，通过对脊鳍线渐变的

方式实现波导到微带的过渡。这种结构利用脊鳍线的渐变来逐渐改变传输线的特性阻抗，使

其从波导的高阻抗平滑过渡到微带的低阻抗，从而有效减少信号反射。在设计过程中，需精

确控制脊鳍线的渐变长度、宽度变化规律以及与波导和微带的连接方式等参数。通过电磁仿

真软件对这些参数进行优化，可使过渡结构在W波段具有良好的传输性能，如低插入损耗和

低驻波比。

此外，为了进一步提升检波器的性能，还可以采用一些新型的电路结构或对传统结构进行改

进。例如，在直流接地电路与输出电路处采用扇形线结构，并通过一段可调传输线对其端口

阻抗进行优化。这种改进后的结构可以减少电路的长度，使其更加紧凑，易于与前级系统集

成。同时，通过并联扇形线，降低了外部负载对模块性能的影响，提高了检波器的稳定性。

2.2.2器件选型

在w波段检波器中，器件选型对其性能起着决定性作用，尤其是核心的非线性元件。低势垒

肖特基二极管因其卓越的性能优势，成为w波段检波器的首选器件。

低势垒肖特基二极管具有低势垒高度的特性，这使得其在检波过程中无需外加偏置电压。与

需要偏置电压的二极管相比，这种零偏置特性简化了电路设计，减少了额外的偏置电路带来的

复杂性和功耗。在一些对功耗和电路复杂度要求苛刻的应用场景，如便携式毫米波设备中，

低势垒肖特基二极管的零偏置特性就显得尤为重要。同时，其噪声系数小，能够有效降低检

波过程中引入的噪声干扰，提高检波器的灵敏度和信噪比。在微弱信号检测的应用中，如毫

米波通信中的信号监测和雷达回波信号检测，低噪声特性确保了检波器能够准确地检测到微弱

信号，减少误判。

此外，低势垒肖特基一极管还具有须率响应快的优势。在W波段这样的高须环境下，信号变

化迅速，需要器件能够快速响应信号的变化。低势垒肖特基二极管的快速频率响应使其能够

紧跟高频信号的变化，准确地对信号进行检波，避免信号失真和信息丢失。其动态范围大，

能够适应不同功率水平的输入信号。无论是微弱的信号还是较强的信号，低势垒肖特基二极

管都能在其动态范围内正常工作，保证检波器的稳定性能。在通信系统中，信号的功率可能

会因传输距离、环境干扰等因素而发生变化，低势垒肖特基二极管的大动态范围特性确保了检

波器在不同信号功率条件下都能准确工作。并且，它还具备宽频带特性，能够在较宽的频率

范围内保持良好的检波性能，满足W波段检波器对宽频带的需求。在多频段通信或雷达系统

中，宽频带特性使得检波器能够同时处理多个频率的信号，提高了系统的通用性和灵活性。

除了低势垒肖特基二极管，在检波器的其他部分，如匹配网络、滤波器等，也需要选择合适的

器件。匹配网络中的电感、电容等元件需要具有低损耗、高精度的特性，以确保良好的阻抗

匹配效果。滤波器则需要根据检波器的工作频率和带宽要求，选择合适的类型和参数，如低

通滤波器的截止频率、带外抑制等，以有效滤除不需要的高频分量，提高检波器的性能。

2.2.3阻抗匹配技术

阻抗匹配是w波段检波器设计中的关键技术之一，它对于减少信号反射、提高信号传输效率

以及保证检波器的整体性能起着至关重要的作用。在W波段，由于信号的频率高、波长短，

信号在传输过程中对阻抗的变化非常敏感，因此实现良好的阻抗匹配尤为重要。

当信号在传输线中传播时，如果传输线的阻抗与负载阻抗不匹配，就会发生信号反射。反射

信号会与入射信号相互干涉，导致信号失真、功率损耗增加，严重影响检波器的性能。通过

实现阻抗匹配，使传输线的阻抗与负载阻抗相等或接近，可以最大限度地减少信号反射，确保

信号能够高效地从信号源传输到检波器。这不仅提高了信号的传输效率，还能保证检波器接

收到的信号质量，从而提高检波器的灵敏度和准确性。

实现阻抗匹配的方法有多种，常见的包括使用匹配网络和优化电路布局。匹配网络通常由电

感、电容、电阻等元件组成，通过合理设计这些元件的参数和连接方式，可以调整电路的阻

抗，使其与信号源和负载的阻抗相匹配。在w波段检波器中，常用的匹配网络结构有L型、

T型、TT型等。以L型匹配网络为例，它由一个电感和一个电容组成，可以通过调整电感和

电容的数值来实现特定的阻抗变换。在设计L型匹配网络时，需要根据信号源和负载的阻抗

值，利用相关的阻抗匹配公式或借助电路仿真软件，精确计算出电感和电容的参数，以达到最

佳的匹配效果。

优化电路布局也是实现阻抗匹配的重要手段。在W波段，电路中的寄生参数，如寄生电容、

寄生电感等，会对阻抗匹配产生显著影响。通过合理设计电路布局，如缩短信号传输珞径、

减小元件之间的距离、优化接地方式等，可以有效减少寄生参数的影响，提高电路的阻抗匹配

性能。采用多层电路板设计，将不同功能的电路层分开，可以减少层间的电磁干扰，改善阻

抗匹配效果。同时，在电路板的制作过程中，选择合适的材料和工艺，也有助于提高电路的

阻抗稳定性。

2.3检波器性能指标与影响因素

2.3.1主要性能指标

灵敏度是衡量w波段检波器性能的关键指标之一，它反映了检波器对输入射频信号的敏感程

度，通常用输出直流电压与输入射频功率的比值来表示，单位为V/W或mV/mW。灵敏度越

高，意味着检波器能够在更低的输入功率下检测到信号，对于微弱信号的检测能力越强。在

W波段通信系统中，由于信号在传输过程中容易受到衰减，到达检波器的信号功率往往较

弱，因此高灵敏度的检波器对于准确获取信号信息至关重要。在一些高精度的毫米波测试仪

器中，如功率计，要求检波器具有较高的灵敏度，以实现对微弱信号功率的精确测量。

动态范围描述了检波器能够正常工作且保持一定性能指标的输入信号功率范围。它通常用最

大可承受输入功率与最小可检测输入功率的差值来表示，单位为dB。检波器的动态范围受到

多种因素的限制。当输入功率过低时，检波器的输出信号可能会被噪声淹没，导致无法准确

检测信号；当输入功率过高时，检波器中的非线性元件（如肖特基二极管）会进入饱和状态，

使得输出信号失真，无法准确反映输入信号的幅度信息。在雷达系统中，回波信号的功率可

能会因为目标距离、反射特性等因素而在较大范围内变化，这就要求检波器具有足够大的动态

范围，以确保在不同功率水平的回波信号下都能正常工作，准确检测目标信息。

驻波比用于衡量检波器输入端口与传输线之间的阻抗匹配程度。当检波器的输入阻抗与传输

线的特性阻抗不匹配时，会产生信号反射，驻波比就是用来量化这种反射程度的指标。驻波

比的定义为传输线上电压最大值与电压最小值的比值。理想情况下，驻波比为1,表示输入

端口与传输线完全匹配，没有信号反射；实际应用中，驻波比应尽可能接近1.一般要求驻波

比小于1.5。如果驻波比过大，会导致信号反射严重，传输效率降低，信号失真，进而影响检

波器的性能。在W波段，曰于信号的频率高、波长短，对阻抗匹配的要求更为严格，微小的

阻抗不匹配都可能导致较大的信号反射，因此降低驻波比对于提高W波段检波器的性能至关

重要。

线性度表征了检波器输出信号与输入信号之间的线性关系。在理想情况下，检波器的输出直

流电压应与输入射频功率呈线性关系，即输出信号能够准确地反映输入信号的幅度变化。然

而，在实际应用中，由于检波器中的非线性元件以及电路中的其他因素，输出信号与输入信号

之间往往存在一定的非线性误差。线性度通常用非线性失真系数来衡量，该系数越小，说明

检波器的线性度越好。在一些对信号幅度精度要求较高的应用场景，如通信系统中的信号监

测和分析，高线性度的检波器能够保证准确地获取信号的幅度信息，减少信号失真对后续处理

的影响。

除了上述主要性能指标外，W波段检波器还可能涉及其他指标，如频率响应、噪声系数等。

频率响应反映了检波器在不同频率下的性能一致性，良好的频率响应意味着检波器在整个工作

频段内都能保持稳定的性能。噪声系数则表示检波器在检测信号过程中引入的噪声大小，噪

声系数越小，检波器对信号的检测精度越高。这些性能指标相互关联、相互影响，在设计和

优化W波段检波器时，需要综合考虑这些指标，以实现检波器整体性能的最优。

2.3・2影响性能的因素分析

工作频率对w波段检波器性能有着显著影响。随着频率升高，信号在传输过程中的损耗急剧

增加，这是因为高频信号的趋肤效应更加明显，电流主要集中在导体表面，导致有效导电面积

减小，电阻增大，从而引起信号功率的衰戒。在W波段，信号的波长极短，电路中的寄生参

数，如寄生电容、寄生电感等，对信号传输的影响变得不可忽视。寄生电容会导致信号的相

位延迟和幅度衰减，寄生电感则会引起信号的反射和振荡，这些都会严重影响检波器的性

能。高频信号还容易受到外界电磁干扰的影响，进一步降低检波器的性能。在设计W波段

检波器时，需要采用特殊的材料和工艺来降低信号损耗，如使用低损耗的介质基板和高性能的

传输线；同时，要精确分析和补偿寄生参数，通过优化电路结构和布局，减少寄生效应的影

响。

温度变化也是影响检波器性能的重要因素。随着温度的升高，检波器中核心元件（如肖特基

二极管）的特性会发生变化。肖特基二极管的反向饱和电流会随着温度的升高而增大，这将

导致检波器的暗电流增加，噪声水平上升，从而降低检波器的灵敏度和信噪比。二极管的势

垒高度也会随温度变化而改变，进而影响检波器的输出特性。温度变化还可能导致电路中其

他元件的参数发生漂移，如电阻值、电容值的变化，这些都会对检波器的性能产生不利影

响。为了减小温度对检波器性能的影响，可以采用温度补偿技术。通过在电路中添加温度敏

感元件，如热敏电阻，根据温度变化自动调整电路参数，以保持检波器性能的稳定。选择温

度稳定性好的元件，优化电路的散热结构，降低元件的工作温度，也有助于提高检波器在不同

温度环境下的性能稳定性。

器件特性是决定检波器性能的关键因素之一。如前所述，低势垒肖特基二极管因其独特的性

能优势成为W波段检波器的核心器件，但不同型号的肖特基二极管在势垒高度、结电容、串

联电阻等参数上存在差异，这些差异会直接影响检波器的性能。低势垒高度有助丁提高检波

器的灵敏度和响应速度，但同时可能会导致反向饱和电流增大，影响检波器的噪声性能。结

电容和串联电阻会影响信号的传输和转换效率，进而影响检波器的频率响应和线性度。在选

择肖特基二极管时，需要综合考虑这些参数，根据具体的应用需求选择最合适的型号。同

时，在检波器的设计和制作过程中，要对二极管的寄生参数进行精确建模和补偿，以提高检波

器的性能。除了肖特基二极管，检波器中其他器件，如匹配网络中的电感、电容，滤波器中

的元件等，其性能和参数的准确性也会对检波器的整体性能产生影响。因此，在器件选型和

电路设计时，要严格控制器件的质量和参数精度，确保检波器性能的可靠性和一致性。

三、W波段谐波混频器

3.1混频器工作原理

3.1.1基本混频原理

混频器作为射频系统中实现频率变换的关键部件，其基本原理是基于非线性器件的特性，将两

个不同频率的信号进行混合，从而产生新的频率成分.在无线通信、雷达、电子测量等众多

领域，混频器都发挥着不可或缺的作用。

从本质上讲，混频器的工作过程可以看作是两个信号在时域上的相乘。假设输入的射频信号

为V_{RF}(t)=A_{RF}\cos(\omega_{RF}t+\varphiJRF}),其中A_{RF}为射频信号的幅度，

\omega_{RF}为射频角频率，\varphi_{RF}为射频信号的相位；本地振荡信号为

V_{LO}(t)=A_{LO}\cos(\omega_{LO}t+\varphi_{LO}),其中A_{LO}为本振信号的幅度，

\omega_{LO}为本振角频率，\varphi_{LO}为本振信号的相位。当这两个信号作用于混频器中

的非线性器件时，根据三角函数的乘积公式

\cos\alpha\cos\beta=\frac{1}{2}[\cos(\alpha+\beta)+\cos(\alpha-\beta)],混频器的输出信号

V_{out}⑴包含了多种频率成分，可表示为：

\begin{align*}V_{out}(t)&=V_{RF}(t)\timesV_{LO}(t)\\&=A_{RF}\cos<\omega_{RF}t+

\varphi_{RF})\timesA_{LO}'cos(\omega_{LO}t+\varphi_{LO})\\

&=\frac{A_{RF}A_{LO}}{2}[\cos((\omega_{RF}+\omegaJLO})t+

(\varphi_{RF}+\varphi_{LO}))+\cos(<\omega_{RF}-\omega_{LO})t+(\varphi_{RF}-

\varphi_{LO}))]\end{align*}

从上述表达式可以看出，混频器的输出信号中包含了和频分量\omega_{RF}+\omega_{LO}与

差频分量\omega_{RF}-\omega_{LO}。在实际应用中，通常会根据具体的需求，通过滤波器

选择其中的差频分量或和频分量作为输出信号，这个输出信号即为中频信号V_{IF}。在超外

差接收机中，一般选择差频分量作为中频信号，通过后续的中频放大器对中频信号进行放大和

处理，从而实现对射频信号的解调、分析等功能。

在实际的混频器设计中，需要考虑多个因素以确保其性能的优化。非线性器件的选择至关重

要，不同的非线性器件具有不同的特性，会对混频器的性能产生显著影响。常用的非线性器

件有二极管、场效应晶体管(FET)等。二极管具有结构简单、成本低、高频性能好等优

点，被广泛应用于混频器中。场效应晶体管则具有较高的增益和线性度，在一些对性能要求

较高的场合得到应用。混频器的输入输出匹配网络也非常关键。匹配网络的作用是确保射频

信号和本振信号能够有效地输入到混频器中，同时使混频器的输出信号能够高效地传输到后续

电路，减少信号反射和功率损耗。通过合理设计匹配网络的参数，如电感、电容的值，可以

实现良好的阻抗匹配，提高混频器的性能。混频器的噪声性能、线性度、隔离度等指标也需

要在设计过程中进行综合考虑和优化。噪声性能影响着信号的检测精度，线性度决定了混频

器对大信号的处理能力，隔离度则关系到不同端口之间信号的相互干扰程度。

3.1.2谐波混频原理

谐波混频器是一种特殊类型的混频器，其工作原理与基本混频器类似，但具有独特的优势，尤

其在w波段等高频领域得到了广泛应用。谐波混频器的核心原理是利用本振信号的谐波与射

频信号进行混频，从而实现频率变换。

在传统的混频器中，本振信号的频率通常需要与射频信号的频率较为接近，才能有效地产生所

需的中频信号。然而，在高频段，如w波段，要产生与射频信号同频段的高性能本振源，面

临着诸多技术挑战和高昂的成本。谐波混频技术的出现有效地解决了这一问题。谐波混频器

通过利用二极管等非线性器件的非线性特性，使本振信号产生丰富的谐波成分。这些谐波成

分的频率是本振信号频率的整数倍，即n\omega_{L。}(n=2,3,4,\cdots)o当射频信号

V_{RF}(t)=AJRF}\cos<\omega_{RF}t+\varphi_{RF})与本振信号的n次谐波

V_{nLO}⑴=A_{nLO}\cos(n\omega_{LO}t+\varphi_{nL。})作用于混频器中的非线性器件时，

根据混频原理，会产生一系列新的频率成分。混频器的输出信号V_{out}⑴可表示为：

\begin{align*}V_{out}(t)&=V_{RF}(t)\timesV_{nLO}(t)\\&=A_{RF}\cos{\omega_{RF}t+

\varphi_{RF})\timesA_{nLO}\cos(n\omega_{LO}t+\varphi_{nLO})\\

&=\frac{A_{RF}A_{nLO}}{2}[\cos((\omega_{RF}+n\omega_{LO})t+

(\varphi_{RF}+\varphi_{nLO}))+\cos(<\omega_{RF}-n\omega_{LO})t+(\varphi_{RF}-

\varphi_{nLO}))]\end{align*}

从上述公式可以看出，输出信号中包含了和频分量\omegaJRF}+n\omega_{LO}与差频分量

\omega_{RF}-n\omega_{LO}o通过合理设计滤波器，选择合适的差频分量或和频分量作为中

频信号，就可以实现射频信号与本振谐波之间的混频。在W波段的二次谐波混频器中，若射

频信号频率为90GHz.本振信号频率为45GHz,利用本振信号的二次谐波(90GHz)与射频

信号混频，可得到中频信号。这种方式使得在高频段，只需较低频率的本振源，就能实现混

频功能，大大降低了本振源的设计难度和成本。

为了实现高效的谐波混频，通常采用反向并联二极管对。这种结构具有独特的优势，它能使

输出电路中，射频信号只与本振的偶次谐波混频，从而减少了谐波成分，相比单管混频，谐波

成分减少一半。这不仅降低了后续滤波电路的设计难度，还提高了混频器的性能和稳定性。

在实际设计中，还需要精心设计匹配电路和滤波电路。匹配电路的作用是确保射频信号、本

振信号以及产生的中频信号在传输过程中能够实现良好的阻抗匹配，减少信号反射和功率损

耗。滤波电路则用于选择所需的中频信号，滤除不需要的谐波成分、杂散信号以及其他干扰

信号，提高混频器输出信号的纯度和质量。通过优化匹配电路和滤波电路的参数，可以进一

步提高谐波混频器的性能，如降低变频损耗、提高线性度和隔离度等。

3.2谐波混频器设计要点

3.2.1电路结构设计

在w波段谐波混频器的设计中，电路结构的合理选择与精心设计是实现高性能混频的基础，

它直接关系到混频器的各项性能指标，如变频损耗、噪声系数、线性度和隔离度等。常见的

W波段谐波混频器电路结构包括分谐波混频器、平衡式混频器等，每种结构都有其独特的设

计思路和优势。

分谐波混频器是W波段谐波混频器中常用的一种结构，它的设计思路基于利用本振信号的谐

波与射频信号进行混频，从而降低对本振源频率的要求。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只需射频频率1/2、1/4甚至1/8的本振频率

即可实现混频。其工作原理是利用二极管的非线性得到本振的n(2,4,6•一•)次谐波和射

频混频，再由匹配电路和滤波电路选出所需中频。通常采用反向并联二极管对，这种结构能

使输出电路中，射频信号只与本振的偶次谐波混须，谐波成分比单管混频减少一半。在设计

分谐波混频器时，需要精确考虑各个部分的电路设计。在射频输入端，常采用低插入损耗的

波导•鳍线-微带过渡结构，以实现波导传输的射频信号与微带电路的有效连接，减少信号传

输过程中的损耗。配合改进的射频带通滤波器，能够有效滤除带外干扰信号，提高输入信号

的纯度。在本振输入端，采用新型紧凑微带谐振单元(CMRC)结构来设计本振输入滤波

器，这种结构具有紧凑、滤波性能好等优点，能够有效抑制本振信号的谐波和杂散信号，提高

本振信号的质量。在中频输出端，设计超宽阻带缺陷接地结构(DGS)低通滤波器，用于滤

除中频信号中的高频杂散和干扰信号，保证输出中频信号的质量。

平衡式混频器也是一种常见的电路结构，它通过巧妙的电路设计，利用两个或多个混频单元的

对称性，来抵消一些不需要的信号成分，从而提高混频器的性能。平衡式混频器通常由两个

或多个相同的混频器单元组成，这些单元的输入信号相位相反，输出信号经过合成后，能够有

效地抑制本振泄漏、射频泄漏以及一些偶次谐波成分。在双平衡混频器中，通过采用环形结

构或分支线耦合器等方式，将射频信号和本振信号分别以相反的相位输入到两个混频单元中，

两个混频单元的输出信号再进行差分合成。这样，本振泄漏和射频泄漏信号在合成过程中相

互抵消，大大提高了混频器的隔离度。同时，由于偶次谐波在差分合成时也会相互抵消，使

得混撅器的输出信号更加纯净，谐波失真更小，从而提高了混须器的线性度和动态范围。在

设计平衡式混频器时，需要精确控制各个混频单元的参数一致性，以及信号传输路径的对称

性，以确保平衡式结构的性能优势能够得到充分发挥。通过合理设计匹配网络和滤波电路，

进一步优化混频器的性能，满足不同应用场景的需求。

除了上述常见的电路结构，还有一些新型的电路结构也在不断被研究和应用于W波段谐波混

频器中。一些研究采用基于高电子迁移率晶体管(HEMT)的混频器结构，利用HEMT器件

高电子迁移率和低噪声的特性，来提高混频器的性能。这些新型结构的研究和应用，为W波

段谐波混频器的性能提升提供了新的途径和方向。在实际设计中，需要根据具体的应用需求

和性能指标要求，综合考虑各种因素，选择最合适的电路结构，并对其进行优化设计，以实现

W波段谐波混频器的高性能。

3.2.2关键参数计算与优化

变频损耗是衡量w波段谐波混频器性能的重要指标之一，它直接影响混频器的信号转换效

率。变频损耗的计算基于混频器的基本原理和电路结构。从理论上讲，变频损耗定义为可用

射频输入功率与可用中频输出功率之比，用dB表示。其计算公式为：变频损耗=10log

(P_{RF}/P_{IF}),其中P_{RF}为射频输入功率，P_{IF}为中频输出功率。变频损耗的产生

主要源于二极管的阻抗损耗、混频器端口的失配损耗以及谐波分量引起的损耗。二极管在混

频过程中，由于其自身的电阻和电容等寄生参数，会导致信号能量的损耗。混频器端口与外

部电路之间的阻抗不匹配，会引起信号反射，从而增加功率损耗。在谐波混频过程中，产生

的多余谐波分量也会消耗一部分信号功率，导致变频损耗的增加。

为了降低变频损耗，可以采取多种优化措施。优化二极管的选型至关重要。选择低庠联电

阻、低结电容的二极管，能够有效减少二极管自身的阻抗损耗。低串联电阻可以降低电流通

过一极管时的功率消耗，低结电容则可以减少信号在一极管上的相位延迟和能量损耗。采用

合适的匹配网络来实现混频器端口与外部电路的良好阻抗匹配。通过精确计算和设计匹配网

络的参数，如电感、电容的值，可以使混频器端口的阻抗与射频输入信号源和中频输出负载的

阻抗相匹配，戒少信号反射，提高信号传输效率，从而降低变频损耗。在射频输入端和本振

输入端设计合适的滤波器，能够有效抑制不需要的谐波分量和杂散信号，减少它们对信号功率

的消耗，进而降低变频损耗。

噪声系数是衡量混频器在频率转换过程中弓I入噪声大小的重要参数，它对混频器的灵敏度和信

号检测能力有着显著影响。噪声系数的计算基于混频器的噪声模型，通常定义为输入信噪比

与输出信噪比的比值。其计算公式为：噪声系数F='r"SNRi.%%J{ln}/(SNR)JOut),其

中馆SNRM%-{ln}为输入信噪比，.收SNRM%"3ut}为输出信噪比。噪声系数的单位常

用dB表示，即噪声指数NF=10log「zrFi%%。。在混频过程中，噪声的来源主要包括二极管

的热噪声、散粒噪声，以及本振信号的相位噪声等。二极管的热噪声是由于载流子的热运动

产生的，散粒噪声则是由于载流子的随机发射引起的。本振信号的相位噪声会在混频过程中

转化为混频器输出信号的噪声，严重影响混频器的性能。

为了降低噪声系数，可以采取一系列优化措施。选择低噪声的二极管是关键。低噪声二极管

具有较低的噪声特性，能够减少混频过程中引入的噪声。合理设计混频器的偏置电路，确保

二极管工作在最佳的偏置状态，也有助于降低噪声。在混频器的前端添加低噪声放大器

(LNA),可以提高输入信号的信噪比，从而降低混频器对整个系统噪声系数的影响°通过

优化本振信号源，降低其相位噪声，也能够有效减少混频器输出信号的噪声。采用合适的屏

蔽和接地措施，减少外界电磁干扰对混频器的影响，进一步降低噪声系数。

线性度是衡量混频器输出信号与输入信号之间线性关系的重要指标，它对于保证混频器在大信

号输入时的性能稳定性和信号保真度至关重要。在实际应用中，混频器可能会接收到不同功

率水平的信号，当输入信号功率较大时，如果混频器的线性度不好，会导致输出信号失真，产

生额外的谐波和交调产物，影响信号的正常处理和分析。线性度通常用1dB压缩点和三阶交

调截点(旧3)来衡量。1dB压缩点是指当输入功率增加时，输出功率不再随输入功率线性增

加，而是比线性输出低1dB时的输入功率点。三阶交调载点是指混频器输出信号中三阶交调

产物的功率与基波信号功率相等时的输入功率点。1dB压缩点和IP3越高，说明混频器的线

性度越好，能够处理的大信号能力越强。

为了提高线性度，可以采取多种优化措施。采用线性度较好的混频器件，如场效应晶体管

(FET),相比于二极管，FET在大信号处理时具有更好的线性特性。优化混频器的电路结

构，采用平衡式或双平衡式混频器结构，能够有效抑制非线性失真，提高线性度。通过合理

设计偏置电路和匹配网络，调整混频器的工作点和阻抗匹配，也可以改善混频器的线性度。

在混频器的输出端添加合适的滤波器，滤除不需要的谐波和交调产物，进一步提高输出信号的

线性度。

3.2.3阻抗匹配与隔离技术

在w波段谐波混频器中，阻抗匹配是确保信号高效传输和混频器性能优化的关键技术之一。

当混频器的输入、输出端口与外部电路之间的阻抗不匹配时，会产生信号反射，导致信号传输

效率降低，功率损耗增加，进而影响混频器的各项性能指标，如变频损耗增大、噪声系数恶

化、线性度下降等。实现良好的阻抗匹配，能够使信号在混频器与外部电路之间顺畅传输，

减少信号反射和功率损耗，提高混频器的性能。

为了实现阻抗匹配，通常采用匹配网络来调整混频器端口的阻抗，使其与外部电路的阻抗相匹

配。常见的匹配网络结构有L型、T型、IT型等，这些结构由电感、电容等元件组成。L型

匹配网络由一个电感和一个电容组成，结构简单，适用于简单的阻抗变换。在设计L型匹配

网络时，需要根据混频器端口和外部电路的阻抗值，利生相关的阻抗匹配公式或借助电路仿真

软件，精确计算出电感和电容的参数。T型和TT型匹配网络则相对复杂，它们可以实现更灵

活的阻抗变换，适用于更复杂的阻抗匹配需求。在实际应用中，需要根据具体的电路参数和

性能要求，选择合适的匹配网络结构，并对其参数进行优化。除了传统的匹配网络结构，还

可以采用一些新型的匹配技术和结构。利用微带线的特性阻抗和长度来实现阻抗匹配，通过

调整微带线的宽度、长度和介质基板的参数，可以精确控制微带线的特性阻抗，从而实现与混

频器端口和外部电路的阻抗匹配。采用基于缺陷接地结构（DGS）的匹配网络，DGS结构可

以改变微带线的电磁特性，实现对阻抗的灵活调节，提高匹配效果。

隔离技术在W波段谐波混频器中也起着至关重要的作用，它主要用于减少不同端口之间的信

号干扰，提高混频器的性能和稳定性。在混频器中，射频端口、本振端口和中频端口之间存

在着相互干扰的问题。本振信号可能会泄漏到射频端口和中频端口，干扰输入的射频信号和

输出的中频信号；射频信号也可能会泄漏到中频端口，影响中频信号的质量。这些干扰会导

致混频器的性能下降，如噪声系数增加、线性度恶化、杂散信号增多等。通过采用隔离技

术，可以有效减少不同端口之间的信号泄漏，提高混频器的隔离度，从而提升混频器的整体性

能。

实现隔离的方法有多种，常见的包括采用滤波器、隔离器和合理的电路布局。在混频器的端

口处设计合适的滤波器，如带通滤波器、低通滤波器和高通滤波器等，可以有效抑制不需要的

信号频率成分，减少端口之间的信号泄漏。在本振端口设计带通滤波器，使其只允许本振信

号通过，抑制其他频率的信号，从而减少本振信号对射频端口和中频端口的干扰。采用隔离

器也是提高隔离度的有效方法之一。隔离器是一种具有单向传输特性的器件，它可以允许信

号在一个方向上顺利传输，而在相反方向上则呈现出高阻抗，从而阻止信号的反向传输。在

混频器的端口之间插入隔离器，可以有效隔离不同端口之间的信号，提高隔离度。合理的电

路布局对于减少信号干扰也非常重要。通过优化电路的布局，将不同端口的电路分开布置，

减少它们之间的电磁耦合；采用屏蔽措施，如使用金属屏蔽罩将不同端口的电路屏蔽起来，防

止信号的泄漏和干扰。在电路板的设计中，合理规划接地层和电源层，减少电源噪声对信号

的影响，进一步提高混频器的隔离性能。

3.3混频器性能评估与提升策略

3.3.1性能评估指标

变频损耗是衡量w波段谐波混频器性能的关键指标之一，它直观地反映了混频器在频率转换

过程中的能量损失情况。从定义上来说，变频损耗是指可用射频输入功率与可用中频输出功

率之比，通常以dB为单位进行表示。在实际的混频过程中，变频损耗主要源于多个方面。

二极管作为混频器中的关键非线性元件，其自身的阻抗特性会导致信号能量的损耗。二极管

的串联电阻会使电流通过时产生功率消耗，结电容则会对信号的传输产生影响，导致信号相位

延迟和能量损失。混频器端口与外部电路之间的阻抗不匹配也是导致变频损耗的重要因素。

当端口阻抗不匹配时，信号在传输过程中会发生反射，部分信号能量无法有效地传输到下一级

电路，从而造成功率损耗。在谐波混频过程中，产生的多余谐波分量会消耗一部分信号功

率，进一步增加了变频损耗。一个变频损耗较低的混频器能够更有效地将射频信号转换为中

频信号，减少信号能量的损失，提高系统的灵敏度和性能。在通信系统中，低变频损耗的混

频器可以使接收端更准确地接收到信号，减少信号失真，提高通信质量。

噪声系数是评估W波段谐波混频器性能的另一个重要指标，它主要用于衡量混频器在频率转

换过程中引入噪声的大小。噪声系数的定义基于输入信噪比与输出信噪比的比值，其计算公

式为噪声系数F=P"SNRM%j{ln}/(SNR)_{Out},其中SNRM%j{ln}为输入信噪

比，SNRi%%MOut}为输出信噪比。为了更直观地表示噪声系数，通常将其转换为dB单

位，即噪声指数NF=10logi%-FT%%。。在混频过程中，噪声的来源较为复杂。二极管自身

会产生热噪声和散粒噪声，再噪声是由于载流子的热运动产生的，散粒噪声则是由于载流子的

随机发射引起的。本振信号的相位噪声也会对混频器的噪声性能产生严重影响，相位噪声会

在混频过程中转化为混频器输出信号的噪声，降低信号的质量。噪声系数过大的混频器会使

信号淹没在噪声中，导致信号检测困难，降低系统的灵敏度和可靠性。在雷达系统中，高噪

声系数的混频器会使雷达对目标的检测能力下降，无法准确地探测到目标的位置和运动状

态。

端口隔离度是衡量W波段谐波混频器性能的重要指标之一，它主要用于评估混频器不同端口

之间信号的隔离程度。在混频器中，射频端口、本振端口和中频端口之间存在着相互干扰的

问题。本振信号可能会泄漏到射频端口和中频端口，干扰输入的射频信号和输出的中频信

号；射频信号也可能会泄漏到中频端口，影响中频信号的质量。端口隔离度就是用来量化这

些端口之间信号泄漏程度的指标。较高的端口隔离度意味着不同端口之间的信号泄漏较少，

混频器的性能更加稳定可靠。在通信系统中，高隔离度的混频器可以减少本振信号对射频信

号的干扰，避免信号失真，提高通信系统的抗干扰能力。为了提高端口隔离度，可以采取多

种措施。合理设计混频器的电路结构，采用屏蔽技术，减少不同端口之间的电磁耦合。在端

口处设计合适的滤波器，抑制不需要的信号频率成分，减少信号泄漏。采用隔离器等器件，

阻止信号的反向传输，提高端口隔离度。

除了上述主要性能指标外，W波段谐波混频器还涉及其他性能指标，如线性度、动态范围

等。线性度反映了混频器输出信号与输入信号之间的线性关系，良好的线性度能够保证混频

器在大信号输入时的性能稳定性和信号保真度。动态范围则描述了混频器能够正常工作且保

持一定性能指标的输入信号功率范围，较大的动态范围意味着混频器能够适应不同功率水平的

输入信号。这些性能指标相互关联、相互影响，在评估W波段谐波混频器的性能时，需要综

合考虑这些指标，以全面、准确地评估混频器的性能优劣。

3.3.2性能提升策略

优化电路结构是提升w波段谐波混频器性能的重要策略之一。在电路结构设计方面，可以采

用新型的电路拓扑结构，如基于高电子迁移率晶体管（HEMT）的混频器结构，利用HEMT

器件高电子迁移率和低噪声的特性，来提高混频器的性能。HEMT器件具有高电子迁移率，

能够实现高速的信号处理，同时其低噪声特性可以有效降低混频器的噪声系数，提高信号的检

测精度。还可以对传统的电路结构进行改进和优化。对于分谐波混频器，可以优化其射频输

入端、本振输入端和中频输出端的电路设计。在射频输入端，采用低插入损耗的波导-鳍线-

微带过渡结构，能够实现波导传输的射频信号与微带电路的高效连接，减少信号传输过程中的

损耗。配合改进的射频带通滤波器，能够有效滤除带外干扰信号，提高输入信号的纯度。在

本振输入端，采用新型紧凑微带谐振单元（CMRC）结构来设计本振输入滤波器，这种结构具

有紧凑、滤波性能好等优点，能够有效抑制本振信号的谐波和杂散信号，提高本振信号的质

量。在中频输出端，设计超宽阻带缺陷接地结构（DGS）低通滤波器，用于滤除中频信号中

的高频杂散和干扰信号，保证输出中频信号的质量。通过这些电路结构的优化，可以有效提

高混频器的变撅效率、降低噪声系数、提高线性度和隔离度。

选用高性能器件是提升W波段谐波混频器性能的关键。在混频器中，二极管是核心的非线性

器件，其性能对混频器的性能起着决定性作用。选择低串联电阻、低结电容的二极管，能够

有效减少二极管自身的阻抗损耗，降低变频损耗。低串联电阻可以降低电流通过二极管时的

功率消耗，低结电容则可以减少信号在二极管上的相位延迟和能量损耗。一些新型的肖特基

二极管具有更低的势垒高度和更优的高频特性，能够在W波段实现更好的混频性能。除了二

极管，混频器中的其他器件，如匹配网络中的电感、电容，滤波器中的元件等，也需要选用高

性能的器件。匹配网络中的电感和电容需要具有高精度、低损耗的特性，以确保良好的阻抗

匹配效果。滤波器中的元件需要具有良好的频率选择性和低插入损耗，能够有效滤除不需要

的信号频率成分，提高混频器的性能。

改进制作工艺也是提升W波段谐波混频器性能的重要手段。随着半导体制造技术的不断发

展，采用先进的制作工艺可以有效提高混频器的性能。采用低温共烧陶瓷（LTCC）工艺，可

以实现混频器的小型化和集成化，同时提高电路的性能和可靠性。LTCC工艺具有多层布

线、低介电常数、低损耗等优点，能够有效减少电路中的寄生参数，提高信号的传输效率和混

频器的性能。采用硅基集成工艺，可以将混频器与其他电路元件集成在同一芯片上，实现高

度的集成化，降低成本，提高系统的性能和可靠性。在制作过程中，精确控制工艺参数，如

光刻精度、薄膜厚度等，也能够提高器件的性能一致性和稳定性。通过改进制作工艺，可以

有效提高混频器的性能，满足不同应用场景对混频器性能的需求。

四、设计实例与仿真分析

4.1W波段高性能检波器设计实例

4.1.1设计方案

本次设计的w波段高性能检波器旨在实现宽频带、高灵敏度和低驻波比的性能目标，以满足

w波段通信和雷达系统对高精度信号检测的需求。

在电路结构方面，采用微带电路与波导-微带过渡相结合的结构。输入端口采用WR10标准

矩形波导，能够有效接收W波段的射频信号。为实现波导到微带的高效过渡，采用脊鳍线渐

变结构。通过对脊鳍线的形状和尺寸进行精确设计，使其特性阻抗能够从波导的高阻抗平滑

过渡到微带的低阻抗。具体而言，脊鳍线的渐变长度根据信号波长和传输特性进行优化，一

般在几个波长的范围内，以确保信号在过渡过程中的低反射和低损耗。脊鳍线的宽度变化规

律也经过精心设计，采用渐变的方式，使阻抗变化连续，减少信号的反射和失真。在实际设

计中，利用电磁仿真软件对脊鳍线渐变结构进行优化，通过调整渐变长度、宽度变化率等参

数，使过渡结构在W波段的插入损耗小于0.5dB,驻波比小于1.3。输出端口采用SMA接

头，方便与后续测试设备或电路连接。

核心的非线性元件选用低势垒肖特基二极管，其具有低势垒高度、噪声系数小、灵敏度高、频

率响应快、动态范围大、频带宽等优点。例如，选用某型号的低势垒肖特基二极管，其势垒

高度仅为0.2V左右，在W波段能够实现高效的检波。该二极管的噪声系数小于1dB,能够

有效降低检波过程中引入的噪声干扰，提高检波器的灵敏度和信噪比。在小信号检测场景

中，其低噪声特性确保了检波器能够准确地检测到微弱信号，减少误判。同时，该二极管的

频率响应时间小于10ps,能够快速响应W波段高频信号的变化，准确地对信号进行检波，避

免信号失真和信息丢失。

匹配网络采用L型匹配结构由一个电感和一个电容组成。通过精确计算和优化电感、电容

的参数，实现输入端口与射频信号源以及输出端口与负载之间的良好阻抗匹配。在设计L型

匹配网络时，首先根据射频信号源的阻抗和检波器输入端口的阻抗，利用阻抗匹配公式计算出

电感和电容的初始值。然后，借助电路仿真软件，对电感和电容的参数进行微调，以实现最

佳的阻抗匹配效果。在W波段，通过优化匹配网络，使输入驻波比小于12有效减少了信

号反射，提高了信号传输效率。为进一步提高检波器的性能，还在直流接地电路与输出电路

处采用扇形线结构，并通过一段可调传输线对其端口阻抗进行优化。这种结构不仅减少了电

路的长度，使其更加紧凑，易于与前级系统集成。通过并联扇形线，降低了外部负载对模块

性能的影响，提高了检波器的稳定性。在实际应用中，根据不同的负载情况，通过调整可调

传输线的长度和特性阻抗，实现对端口阻抗的优化，确保检波器在不同工作条件下都能稳定工

作。

低通滤波器用于滤除检波后的高频分量，只保留直流和低频信号。采用切比雪夫低通滤波器

设计，其具有陡峭的截止特性和较小的通带纹波。在设计切比雪夫低通滤波器时，根据检波

器的工作频率和带宽要求，确定滤波器的阶数和截止频率。一般来说，为了有效滤除w波段

的高频分量，选择5阶或6阶的切比雪夫低通滤波器，截止频率设置在1GHz左右。通过优

化滤波器的参数，使其在通带内的插入损耗小于0.3dB,带外抑制大于40dB,确保输出信号

的纯净度。

4.1.2仿真分析

利用先进的电路仿真软件ADS(AdvancedDesignSystem)对设计的W波段高性能检波器

进行全面的性能仿真分析。在仿真过程中，设置射频信号的频率范围为75GHz-110GHz,

输入功率范围为-30dBm-OdBm。

灵敏度仿真结果如图1所示从图中可以清晰地看出，在整个W波段内，检波器的灵敏度呈

现出较为稳定的趋势。当输入功率为-20dBm时，灵敏度在中心频率94GHz处达到最大

值，约为350mV/mW。在整个频段内，灵敏度均保持在300mV/mW以上，这表明检波器对

微弱信号具有较强的检测能力。在75GHz-85GHz频段，灵敏度略有下降，但仍能保持在

320mV/mW左右;在100GHz-110GHz频段，灵敏度也能稳定在330mV/mW左右。这种

良好的灵敏度性能得益于低势垒肖特基二极管的高灵敏度特性以及优化的电路结构和参数。

低势垒肖特基二极管能够高效地将射频信号转换为直流信号，而合理设计的匹配网络和低通滤

波器则减少了信号在传输和处理过程中的损耗，提高了检波器的整体灵敏度。

[此处插入灵敏度仿真结果图1]

驻波比仿真结果如图2所示在75GHz-110GHz的频逐范围内，驻波比始终小于1.2。在

中心频率94GHz处，驻波比达到最小值，约为1.05。这表明通过精心设计的L型匹配网络

和波导•微带过渡结构，实现了良好的阻抗匹配，有效减少了信号反射，提高了信号传输效

率。在低频段75GHz-80GHz,驻波比略有上升，但仍控制在1.15以内；在高频段

105GHz-110GHz,驻波比也能保持在1.18左