U波段鰭線單平衡混頻器的設(shè)計(jì)方案解析

　1 引言
　　毫米波集成電路具有體積小、重量輕、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在通信、精確制導(dǎo)、雷達(dá)、射電天文等技術(shù)領(lǐng)域。其中U波段所指的頻率范圍為40～60 GHz，大氣對(duì)該頻段的電磁波具有很強(qiáng)吸收特性，因此這個(gè)頻段一般被用于多路分集的隱蔽網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)。在毫米波頻段，由于鰭線避免了矩形波導(dǎo)所要求的嚴(yán)格機(jī)械加工公差，并具有微帶線那樣的平面電路制作上的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛使用。
　　本文介紹了兩種U波段鰭線混頻器的設(shè)計(jì)和性能。使用的二極管為Alpha公司的DMK2790，電路制作在一塊厚度為0.127 mm的RT-Duroid 5880 軟基片上。運(yùn)用場(chǎng)分析軟件Ansoft HFSS10和阻抗匹配原理進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，獲得了較好的混頻特性。
　　2 二極管的變頻損耗
　　變頻損耗是混頻器最重要的技術(shù)指標(biāo)。一般混頻器的變頻損耗包括三個(gè)部分：
　　?（1）
　　式中，L1為失配損耗，它取決于混頻器射頻端口和中頻端口的匹配程度；L2為二極管的結(jié)電容Cj和串聯(lián)阻抗Rs等引起的結(jié)損耗；L3為理想二極管的固有損耗。
　　在本振充分激勵(lì)二極管的情況下，變頻損耗除去L1的部分可以近似表示為
　　（2）
　　式中，Rb為二極管的反向電阻，Zo’為從半導(dǎo)體結(jié)處看的源阻抗值，fc為二極管的截止頻率，3.9 dB為介質(zhì)抑制諧波產(chǎn)生的損耗，最后一項(xiàng)的取值大約為0.5 dB?？梢姡O管的截止頻率與混頻器的最小變頻損耗有極大的關(guān)系，截止頻率越高，混頻器可能達(dá)到的最小變頻損耗就越小，并且混頻器的寬帶性能也越好。根據(jù)表1中DMK2790二極管的SPICE參數(shù)可得，其截止頻率為
　　?（3）
　　應(yīng)用公式（2）計(jì)算得，在工作頻率為45 GHz 時(shí)，二極管的最小變頻損耗約為5.5 dB。
　　對(duì)于給定的二極管，結(jié)損耗L2為一定值，而固有損耗L3主要取決于鏡頻的端接條件和二極管導(dǎo)納的非線性度。因此電路設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是減小失配損耗L1。
　　表1 DMK2790的SPICE參數(shù)
　　Is
　　AmpRs
　　WnTD
　　SCJ0
　　pFM
　　0.5E-1241.051E-110.050.26
　　EG
　　eVVJ
　　eVFCBv
　　VISV
　　A
　　1.430.8220.54.01E-05
　　3 鰭線混頻器結(jié)構(gòu)一
　　第一種鰭線混頻器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，為鰭線共面線結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，鰭線和共面線構(gòu)成的180o混合結(jié)提供了單平衡混頻器的電路基礎(chǔ)。兩個(gè)二極管反向并聯(lián)于平衡結(jié)上，由于鰭線電場(chǎng)與懸置共面線的電場(chǎng)相互正交，兩二極管對(duì)射頻信號(hào)呈現(xiàn)同相串聯(lián)，而對(duì)本振信號(hào)呈現(xiàn)反相并聯(lián)，這種關(guān)系同時(shí)還提供了射頻與本振之間的相互隔離。本振功率由標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)（WR-19）輸入，通過反面的單脊鰭線漸變過渡到縫隙很小的鰭線，再耦合到正面的懸置帶線，最后過渡到懸置共面線將電場(chǎng)加到二極管對(duì)上；射頻信號(hào)通過波導(dǎo)到對(duì)脊鰭線漸變過渡，將信號(hào)加到兩個(gè)二極管上，為了減小鰭線口的反