一文帶你深入了解采用CMRC結(jié)構(gòu)的Ka波段 四次諧波混頻器設(shè)計(jì)

1 引言

毫米波混頻器是毫米波通信、測(cè)量、雷達(dá)、電子對(duì)抗等系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵部件。當(dāng)系統(tǒng)使用頻率進(jìn)入毫米波頻段后，對(duì)應(yīng)的基波混頻器的本振源制作難度較大，成本較高。從降低成本、利用現(xiàn)有成熟技術(shù)的角度考慮，采用諧波混頻可以降低本振的工作頻率，而且可得到相當(dāng)于基波平衡混頻器的噪聲性能，在毫米波頻段被廣泛應(yīng)用。

2 諧波混頻器原理

諧波混頻主要是利用二極管的非線性得到本振的n（2，4，6……）次諧波和射頻混頻，再由匹配電路，濾波電路選出所需中頻。通常采用反向并聯(lián)二極管對(duì)，使輸出電路中，射頻只與本振的偶次諧波混頻，諧波成分比單管混頻減少一半，而幅度卻比單管大一倍。奇次本振只在管對(duì)內(nèi)部，輸出電路中沒有本振的奇次諧波，這樣既簡化了電路，減少了噪聲，同時(shí)大大降低了變頻損耗。整體原理框圖如下：

圖1 諧波混頻原理框圖

3 緊湊微波諧振單元（CMRC）濾波器

低通濾波器是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，傳統(tǒng)微帶低通濾波器采用高低阻抗線或開路線結(jié)構(gòu)，受傳輸線最高阻抗的限制，它們阻帶窄，寄生通帶影響大。針對(duì)這些缺點(diǎn)，現(xiàn)代微帶低通濾波器著重研究光子帶隙（PBG）或缺陷地（DGS）兩種結(jié)構(gòu)，通過這些結(jié)構(gòu)具有的等效電容和等效電感，實(shí)現(xiàn)了非常高的阻抗，從而大大提高了濾波器的性能，同時(shí)還具有寬帶阻和慢波特性。

根據(jù)傳輸線理論，無耗線的波速

，L、C是單位長度的分布串聯(lián)電感、分布并聯(lián)電容。通過增大L、C就能減小波速v，得到慢波特性。

對(duì)于慢波結(jié)構(gòu)，頻率f變化時(shí)，由于波速v較小，波長λ相對(duì)變化小，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響小。另一方面，對(duì)于同一頻率，慢波結(jié)構(gòu)的波長λ小，則相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸也小。CMRC低通濾波器的幾何結(jié)構(gòu)如圖2：

圖2 CMRC低通濾波器

它包括兩端50歐匹配線，中間一根長水平傳輸線，八根水平耦合線和四根垂直補(bǔ)償線，這些細(xì)線大大增強(qiáng)了電感，而平行線之間的縫隙又增大了傳輸線的電容。電容電感的增加使得這個(gè)結(jié)構(gòu)具有慢波特性，而且這些各種不同的電容電感產(chǎn)生了多個(gè)傳輸零點(diǎn)，使得電路具有寬阻帶的效果。等效電路如圖3。

圖3 CMRC濾波器等效電路

這里電感L1、L2、L3代表橫向細(xì)微帶，L4、L5代表縱向細(xì)微帶。電容C1、C2表示微帶線之間的耦合電容，C3、C4、C5表示微帶與地之間的電容。

4 電路設(shè)計(jì)及仿真

本設(shè)計(jì)采用RT/duroid 5880 高頻基片，基片厚0.254mm，介電常數(shù)2.2。它采用增強(qiáng)型聚四氟乙烯材料，具有低損耗、低吸濕、同向性、頻率一致性以及良好的抗腐蝕性，廣泛應(yīng)用于毫米波電路設(shè)計(jì)。二極管選用DMK2308是砷化鎵肖特基反向并聯(lián)二極管管對(duì)，它主要應(yīng)用于20～100GHz，具有低結(jié)電容和低串聯(lián)電阻。

射頻中心頻率freq_RF=37.5GHz，射頻功率P_RF=-10dBm;本振中心頻率freq_LO=9.6GHz，本振功率P_LO=10dBm。

4.1 波導(dǎo)-微帶過渡設(shè)計(jì)

目前常用的波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)有：階梯脊波導(dǎo)過渡、鰭線過渡、耦合探針過渡等。它們帶寬都較寬（10%～20%帶寬內(nèi)回波損耗在15dB以下），插入損耗小。階梯脊波導(dǎo)過渡加工復(fù)雜;耦合探針過渡波導(dǎo)出口方向與電路平行，不滿足很多系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求;鰭線過渡可視為準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)，直接印刷在基片上，簡單方便。本文就是采用雙面鮨線過渡結(jié)構(gòu)，如圖4：

圖4 波導(dǎo)～微帶鮨線過渡

漸變方式采用余弦平方結(jié)構(gòu)：

這里W（z）是漸變線寬，b是波導(dǎo)窄邊寬度（3.556mm），w是50歐微帶線寬度（0.76mm），L是漸變段總長（13mm）。圖中右下方的120度金屬弧塊是為了降低諧振頻率，確保其落在有用通帶之外。上下兩邊的通孔條帶是為了阻斷縱向電流，減小通帶損耗。三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS仿真結(jié)果如圖5：

圓弧塊使鰭線過渡的諧振點(diǎn)落在30GHz以下，確保其偏離有用頻段34GHz～40GHz。在30GHz～40GHz帶寬內(nèi)，鰭線過渡段插入損耗小于0.15dB，回波損耗在20dB左右，使射頻信號(hào)由波導(dǎo)幾乎無損耗的過渡到微帶部分。

圖5 波導(dǎo)-微帶過渡

4.2 中頻低通濾波器設(shè)計(jì)

對(duì)于中頻輸出端，應(yīng)該通中頻IF（=4*LO-RF=900MHz）。主要阻止本振（9.6GHz）、射頻（37.5GHz）、本振奇次諧波（3LO=28.8GHz、5LO=48GHz）、射頻與偶次本振的諧波（RF-2LO=18.3GHz）。

為了更好的實(shí)現(xiàn)上面的要求，這里選用了兩個(gè)CMRC級(jí)聯(lián)的形式，如圖6

圖6 兩級(jí)CMRC中頻端濾波器

第一級(jí)中間窄帶長度選7.6mm，它在9.6GHz處有20dB的抑制。第二級(jí)中間窄帶長度選2.6mm，它對(duì)15GHz～100GHz的頻率都有比較好的抑制。級(jí)聯(lián)后HFSS仿真結(jié)果如圖7

圖7 中頻端濾波器仿真結(jié)果

級(jí)聯(lián)后過渡帶更加陡峭，對(duì)要求阻斷的頻點(diǎn)有了更好的抑制。與傳統(tǒng)高低阻抗濾波器相比，尺寸減小了15mm，對(duì)28.8GHz、37.5GHz更多抑制了20dB左右。而且高低阻抗線設(shè)計(jì)的濾波器在0～50GHz范圍內(nèi)約有3、4個(gè)寄生通帶，影響了整個(gè)系統(tǒng)的帶寬，而本設(shè)計(jì)完全消除了這些寄生通帶。

4.3 本振濾波器設(shè)計(jì)

在本振輸入端，應(yīng)該通本振（9.6GHz），阻射頻（37.5GHz）、本振奇次諧波（3LO=28.8GHz、5LO=48GHz）、射頻與偶次本振的諧波（RF-2LO=18.3GHz）。

同中頻低通濾波器設(shè)計(jì)類似，也采用兩個(gè)CMRC級(jí)聯(lián)形式，其中一級(jí)長度也選2.6mm，二級(jí)長度選1.6mm，級(jí)聯(lián)后HFSS仿真結(jié)果如下：

圖8 本振端濾波器仿真結(jié)果

它對(duì)20GHz以后的頻率都有了20dB以上的抑制，很好滿足了設(shè)計(jì)的要求。

5 整體電路設(shè)計(jì)

最后，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的整體電路如圖9。電路左側(cè)為射頻輸入，右側(cè)為本振輸入，中頻由上端輸出。

圖9 整體電路加工圖

結(jié)合HFSS和ADS，仿真得變頻損耗隨射頻輸入頻率變化結(jié)果如圖10：

圖10 Ka波段四次諧波混頻器變頻損耗

由圖可見，15dB以下變頻損耗帶寬約有4.5GHz，最低變頻損耗為7.2dB。

6 總結(jié)

本文介紹了諧波混頻器的基本原理，分析了CMRC結(jié)構(gòu)的慢波、寬帶阻特性，據(jù)此設(shè)計(jì)出一種性能良好的Ka波段寬頻帶四次諧波混頻器。變頻損耗在15dB以內(nèi)的帶寬有4.5GHz。在射頻頻率37.5GHz，本振功率10dBm，中頻頻率900MHz時(shí)，變頻損耗為7.2dB。實(shí)驗(yàn)研究工作正在進(jìn)行中。