U波段鰭線單平衡混頻器的設(shè)計(jì)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?，二極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，由于鰭線電場與懸置共面線的電場相互正交，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

圖1 鰭線共面線結(jié)構(gòu)混頻器

射并兼顧體積，選取了余弦平方過渡，過渡段的長度為9 mm。由于二極管的阻抗實(shí)部很小，為使鰭線與二極管的阻抗匹配，鰭線的縫寬應(yīng)盡量小，在RT-Duroid 5880軟基片上工藝能實(shí)現(xiàn)的最小縫寬為0.1 mm，對(duì)應(yīng)的鰭線特性阻抗約為125歐姆；產(chǎn)生的中頻信號(hào)經(jīng)一個(gè)七節(jié)切比雪夫高低阻抗線低通濾波器輸出，該低通濾波器的作用是通過中頻信號(hào)而隔離本振和射頻信號(hào)。

使用三維場仿真軟件Ansoft HFSS10對(duì)各無源部分進(jìn)行單獨(dú)仿真優(yōu)化后，制做了該混頻器的實(shí)物，如圖2所示，外形尺寸為30×30×30 mm3。用一個(gè)U波段的倍頻器的輸出信號(hào)做為混頻器的本振，將本振頻率固定于46 GHz，本振功率約為13 dBm，射頻在40～50 GHz的范圍內(nèi)變化，混頻器的變頻損耗特性如圖3所示。

圖2 鰭線共面線結(jié)構(gòu)混頻器實(shí)物

圖3 鰭線共面線結(jié)構(gòu)混頻器的變頻損耗

從圖3可以看到，該混頻器在40～50 GHz的范圍內(nèi)變頻損耗小于11.5 dB，在中頻為2 GHz左右時(shí)，變頻損耗達(dá)到最小值5.8 dB，基本已接近變頻損耗的理論最小值。本振到射頻的隔離度大于20 dB。

4 鰭線混頻器結(jié)構(gòu)二

第二種鰭線混頻器的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，為鰭線懸置微帶線結(jié)構(gòu)。由鰭線和懸置微帶線構(gòu)成的180o混合結(jié)提供了單平衡混頻器的電路基礎(chǔ)。同樣，兩個(gè)混頻二極管反向并聯(lián)于鰭線和懸置微帶線之間。鰭線電場與懸置微帶線的電場相互正交。本振功率通過一個(gè)波導(dǎo)到懸置微帶的探針過渡耦合到懸置微帶上，然后經(jīng)過懸置微帶線帶通濾波器加到兩二極管上，該帶通濾波器具有通過本振信號(hào)而抑制中頻信號(hào)的作用；射頻信號(hào)同樣經(jīng)過波導(dǎo)對(duì)脊鰭線漸變過渡后加到二極管上；中頻信號(hào)由懸置微帶線高低阻抗線低通濾波器引出。

圖4 鰭線懸置微帶線結(jié)構(gòu)混頻器

該混頻器的實(shí)物如圖5所示，外形尺寸為30×30×40 mm3。本振固定在40 GHz，混頻器的變頻損耗特性如圖6所示，該混頻器在40～50 GHz的范圍內(nèi)變頻損耗小于10.3 dB。本振到射頻的隔離度大于18 dB。

圖5 鰭線懸置微帶線結(jié)構(gòu)混頻器實(shí)物

圖6 鰭線共面線結(jié)構(gòu)混頻器的變頻損耗

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并制作了兩種U波段鰭線單平衡混頻器，取得了較好了混頻性能。射頻在40～50 GHz范圍內(nèi)變化時(shí)，鰭線共面線結(jié)構(gòu)的混頻器變頻損耗小于11.5 dB，鰭線懸置微帶線結(jié)構(gòu)的混頻器變頻損耗小于10.3 dB。