W波段八次諧波混頻器設(shè)計(jì)講解教程

1 引言

混頻器是微波通信、射電天文學(xué)、雷達(dá)、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(guān)重要的部件。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，毫米波頻段通常采用超外差接收機(jī)，混頻器作為第一級(jí)就成為關(guān)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(shù)難度大，采用諧波混頻技術(shù)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(shí)現(xiàn)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(lián)二極管對，它使輸出電路中，射頻信號(hào)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(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(hào)混頻得到中頻輸出。由于諧波次數(shù)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(jié)構(gòu)提出了更加嚴(yán)格的要求。圖2是只有反向并聯(lián)二極管對，沒有任何濾波匹配結(jié)構(gòu)時(shí)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(shí)中頻端頻譜

可見，電路中由二極管非線性產(chǎn)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(lián)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(jīng)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(shè)計(jì)及仿真

本設(shè)計(jì)采用RT/duroid 5880 高頻基片，基片厚0.127mm，介電常數(shù)2.2。二極管選用DMK2308是砷化鎵肖特基反向并聯(lián)二極管管對，它主要應(yīng)用于20～100GHz，具有低結(jié)電容和低串聯(lián)電阻。

3.1 波導(dǎo)－微帶過渡設(shè)計(jì)

波導(dǎo)－微帶過渡裝置的基本要求：1） 低傳輸損耗和高反射損耗；2） 有足夠的頻帶寬度；3） 便于設(shè)計(jì)加工。本文選用對脊鰭線過渡結(jié)構(gòu)。

圖3 波導(dǎo)-微帶鮨線過渡

對脊鰭線的兩個(gè)金屬鰭按照余弦平方逐漸漸變成微帶線：

這里W（x）是漸變線寬，標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ900窄邊寬b=1.27mm，50歐姆微帶線寬w=0.38mm，漸變段總長L=6.5mm。

制作在基片正反面的兩個(gè)漸變鰭線構(gòu)成了一圓弧形諧振區(qū)，諧振區(qū)內(nèi)的金屬塊用來抑制諧振，確保衰減極點(diǎn)偏離有用頻帶。調(diào)整諧振區(qū)長度，使衰減極點(diǎn)落在84GHz（本振7次諧波），這樣既使衰減諧振極點(diǎn)避開設(shè)計(jì)頻段90GHz～100GHz，同時(shí)還抑制了本振的7次諧波。對脊鰭線上下兩邊間斷的通孔條帶用來支撐基片，并能阻斷縱向電流的傳播，從而降低損耗。插入損耗的仿真結(jié)果如下：

圖4 波導(dǎo)－微帶過渡

由圖衰減極點(diǎn)落在84GHz，在90GHz～100GHz范圍內(nèi)，插入損耗小于0.2dB，實(shí)現(xiàn)了射頻信號(hào)由波導(dǎo)到微帶的過渡。

3.2 射頻帶通濾波器設(shè)計(jì)

對于射頻輸入端，要求通過射頻信號(hào)90GHz～100GHz，中心頻率94Ghz。主要抑制中頻2GHz，本振12GHz，本振奇次諧波36GHz、60GHz、84GHz、108GHz等，射頻與偶次本振的諧波22GHz、46GHz、70GHz等。

常用的平行耦合帶通濾波器通帶窄、帶內(nèi)損耗大。若要展寬通帶，需要增加耦合階數(shù)，而這又增加了通帶內(nèi)插入損耗。優(yōu)化的三階平行耦合帶通濾波器在90GHz～100GHz范圍內(nèi)插入損耗達(dá)到2～8dB，已不滿足設(shè)計(jì)要求。

這里對平行耦合帶通濾波器進(jìn)行改進(jìn)，如圖5。耦合線由橫向伸展改為縱向伸展，既增加了平行線相互之間的耦合，減小了通帶內(nèi)的插入損耗，同時(shí)還使濾波器結(jié)構(gòu)更加的緊湊，減小了尺寸，降低對尺寸加工誤差敏感度。

圖5 改進(jìn)型帶通濾波器結(jié)構(gòu)圖

通過仿真，耦合線寬越細(xì)、耦合縫隙越小，則通帶頻帶越低，通帶插入損耗越小，考慮到現(xiàn)有加工精度，耦合線寬和耦合縫隙都取0.15mm。耦合線越長，則通帶頻帶也越低，通帶插入損耗越小，為通過90GHz～100GHz，耦合線長取0.54mm。仿真結(jié)果如下：

圖6 射頻帶通濾波器仿真結(jié)果

90GHz～100GHz范圍內(nèi)通帶插入損耗小于2dB，比平行耦合濾波器有很大改善。

3.3 中頻低通濾波器設(shè)計(jì)

對于中頻輸出端，要求通過中頻2GHz。主要抑制本振12GHz，射頻94GHz，本振奇次諧波36GHz、60GHz、84GHz、108GHz等，射頻與偶次本振的諧波22GHz、46GHz、70GHz等。傳統(tǒng)的開路短截線低通濾波器和階躍阻抗低通濾波器阻帶窄，寄生通帶多，幾乎無法達(dá)到本文設(shè)計(jì)要求。這里采用缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS，Defected Ground Structure），通過在接地板上刻蝕缺陷的圖形，增加傳輸線等效分布電容和分布電感，設(shè)計(jì)出一種通帶平坦、阻帶超寬、結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良的DGS低通濾波器。整個(gè)結(jié)構(gòu)15.4mm*5mm。

圖7 DGS低通濾波器結(jié)構(gòu)圖

HFSS全波仿真結(jié)果如下：

圖8 中頻低通濾波器仿真結(jié)果

可見，它通帶帶寬有6GHz，帶內(nèi)回波損耗大于20dB。對10GHz以后的頻率都有20dB以上的衰減，抑制了本振、射頻以及其它各閑散頻率，很好的實(shí)現(xiàn)了本文中頻低通濾波器的設(shè)計(jì)要求。

3.4 本振低通濾波器設(shè)計(jì)

對本振輸入端，應(yīng)該通過本振12GHz，阻止射頻94GHz，本振奇次諧波36GHz、60GHz、84GHz、108GHz等，射頻與偶次本振的諧波22GHz、46GHz、70GHz等。這里采用緊湊微波諧振單元（CMRC）低通濾波器，如圖9：

圖9 CMRC低通濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖中，多根水平細(xì)微帶線增加了電路的等效電感，其相互之間縫隙耦合增加了傳輸線的等效電容，使得整個(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)，使得電路又具有寬阻帶的效果。整個(gè)電路結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，只有6.4mm*1.8mm，對尺寸加工誤差不敏感。仿真結(jié)果如下：

圖10 CMRC低通濾波器仿真結(jié)果

它對本振信號(hào)只有0.36dB的損耗，對本振的三、五、七、九次諧波和射頻信號(hào)都有20dB以上的抑制。

4 整體電路設(shè)計(jì)

最后，結(jié)合HFSS和ADS，優(yōu)化設(shè)計(jì)整體電路，仿真得變頻損耗隨射頻輸入頻率變化結(jié)果如圖11：

圖11 W波段八次諧波混頻器變頻損耗

由圖，30dB以下變頻損耗帶寬約為92.5GHz～99GHz，最低變頻損耗為24.1dB。

5 總結(jié)

本文介紹了諧波混頻器的基本原理，分析八次諧波混頻器非線性電路中的閑散頻率，據(jù)此分別設(shè)計(jì)了寬帶波導(dǎo)-微帶鰭線過渡、改進(jìn)型低損耗帶通濾波器，超寬阻帶DGS低通濾波器，CMRC慢波結(jié)構(gòu)濾波器，得到一種性能良好的W波段八次諧波混頻器。本振12GHz固定不變，射頻信號(hào)在92.5～99GHz變化時(shí)，變頻損耗都小于30dB，最低變頻損耗24.1dB。實(shí)驗(yàn)研究工作正在進(jìn)行中。