W波段八次諧波混頻器設計解析

1 引言
　　混頻器是微波通信、射電天文學、雷達、等離子物理、遙控、遙感、電子對抗，以及許多微波測量系統(tǒng)中至關重要的部件。在現代通信系統(tǒng)中，毫米波頻段通常采用超外差接收機，混頻器作為第一級就成為關鍵部分。由于在毫米波頻段，同頻段高性能的本振源成本高，技術難度大，采用諧波混頻技術是解決此問題的有效途徑，只需射頻頻率1/2、1/4甚至1/8的本振頻率即可實現混頻。
　　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。通常采用反向并聯二極管對，它使輸出電路中，射頻信號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。奇次本振只在管對內部，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，同時大大降低了變頻損耗。整體電路原理框圖如下：
　　
　　圖1 諧波混頻原理框圖
　　八次諧波混頻器是利用本振的八次諧波與射頻信號混頻得到中頻輸出。由于諧波次數較高，電路中需要回收的閑散頻率比亞諧波混頻器、四次諧波混頻器都要多很多，對各濾波匹配結構提出了更加嚴格的要求。圖2是只有反向并聯二極管對，沒有任何濾波匹配結構時的中頻輸出端頻譜。本振頻率12GHz，本振功率12dBm。射頻頻率94GHz，射頻功率-10dBm。中頻頻率為8*LO-RF=2GHz。
　　
　　圖2 無匹配、濾波時中頻端頻譜
　　可見，電路中由二極管非線性產生的諧波分量主要包括：
　　1）本振的奇次諧波（m4~m7）：36GHz、60GHz、84GHz、108GHz等；
　　2）射頻與偶次本振混頻的諧波（m8~m10）：22GHz、46GHz、70GHz等。
　　為了回收利用這些諧波分量，降低變頻損耗，在反向并聯二極管管對左右兩邊各加上兩節(jié)短截線（如圖1）：開路線A對奇次本振都短路，可以回收第一類諧波；短路線D對偶次本振都短路，可以回收第二類諧波（RF≈8LO）；開路線B、C對這些諧波分量也有一定的回收。經過仿真，僅僅加上短截線后變頻損耗減少了15dB，具有明顯效果。
　　3 電路設計及仿真
　　本設計采用RT/duroid 5880 高頻基片，基片厚0.127mm，介電常數2.2。二極管選用DMK2308是砷化鎵肖特基反向并聯二極管管對，它主要應用于20～100GHz，具有低結電容和低串聯電阻。