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U波段鳍线单平衡混频器的设计

作者:时间:2017-06-03来源:网络收藏

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/347538.htm

1 引言

毫米波集成电路具有体积小、重量轻、频带宽等优点,已广泛应用在通信、精确制导、雷达、射电天文等技术领域。其中所指的频率范围为40~60 GHz,大气对该频段的电磁波具有很强吸收特性,因此这个频段一般被用于多路分集的隐蔽网络和系统。在毫米波频段,由于避免了矩形波导所要求的严格机械加工公差,并具有微带线那样的平面电路制作上的优点,因此被广泛使用。

本文介绍了两种混频器的设计和性能。使用的二极管为Alpha公司的DMK2790,电路制作在一块厚度为0.127 mm的RT-Duroid 5880 软基片上。运用场分析软件Ansoft HFSS10和阻抗匹配原理进行综合设计,获得了较好的混频特性。

2 二极管的

是混频器最重要的技术指标。一般混频器的包括三个部分:

(1)

式中,L1为失配损耗,它取决于混频器射频端口和中频端口的匹配程度;L2为二极管的结电容Cj和串联阻抗Rs等引起的结损耗;L3为理想二极管的固有损耗。

在本振充分激励二极管的情况下,变频损耗除去L1的部分可以近似表示为

(2)

式中,Rb为二极管的反向电阻,Zo为从半导体结处看的源阻抗值,fc为二极管的截止频率,3.9 dB为介质抑制谐波产生的损耗,最后一项的取值大约为0.5 dB。可见,二极管的截止频率与混频器的最小变频损耗有极大的关系,截止频率越高,混频器可能达到的最小变频损耗就越小,并且混频器的宽带性能也越好。根据表1中DMK2790二极管的SPICE参数可得,其截止频率为

(3)

应用公式(2)计算得,在工作频率为45 GHz 时,二极管的最小变频损耗约为5.5 dB。

对于给定的二极管,结损耗L2为一定值,而固有损耗L3主要取决于镜频的端接条件和二极管导纳的非线性度。因此电路设计的主要任务是减小失配损耗L1。

表1 DMK2790的SPICE参数

Is

Amp

Rs

W

n

TD

S

CJ0

pF

M

0.5E-12

4

1.05

1E-11

0.05

0.26

EG

eV

VJ

eV

FC

Bv

V

ISV

A

1.43

0.82

2

0.5

4.0

1E-05

3 混频器结构一

第一种鳍线混频器的电路结构如图1所示,为鳍线共面线结构。在该结构中,鳍线和共面线构成的180o混合结提供了的电路基础。两个二极管反向并联于平衡结上,由于鳍线电场与悬置共面线的电场相互正交,两二极管对射频信号呈现同相串联,而对本振信号呈现反相并联,这种关系同时还提供了射频与本振之间的相互隔离。本振功率由标准波导(WR-19)输入,通过反面的单脊鳍线渐变过渡到缝隙很小的鳍线,再耦合到正面的悬置带线,最后过渡到悬置共面线将电场加到二极管对上;射频信号通过波导到对脊鳍线渐变过渡,将信号加到两个二极管上,为了减小鳍线口的反

图1 鳍线共面线结构混频器

射并兼顾体积,选取了余弦平方过渡,过渡段的长度为9 mm。由于二极管的阻抗实部很小,为使鳍线与二极管的阻抗匹配,鳍线的缝宽应尽量小,在RT-Duroid 5880软基片上工艺能实现的最小缝宽为0.1 mm,对应的鳍线特性阻抗约为125欧姆;产生的中频信号经一个七节切比雪夫高低阻抗线低通滤波器输出,该低通滤波器的作用是通过中频信号而隔离本振和射频信号。

使用三维场仿真软件Ansoft HFSS10对各无源部分进行单独仿真优化后,制做了该混频器的实物,如图2所示,外形尺寸为30×30×30 mm3。用一个的倍频器的输出信号做为混频器的本振,将本振频率固定于46 GHz,本振功率约为13 dBm,射频在40~50 GHz的范围内变化,混频器的变频损耗特性如图3所示。

图2 鳍线共面线结构混频器实物

图3 鳍线共面线结构混频器的变频损耗

从图3可以看到,该混频器在40~50 GHz的范围内变频损耗小于11.5 dB,在中频为2 GHz左右时,变频损耗达到最小值5.8 dB,基本已接近变频损耗的理论最小值。本振到射频的隔离度大于20 dB。

4 鳍线混频器结构二

第二种鳍线混频器的电路结构如图4所示,为鳍线悬置微带线结构。由鳍线和悬置微带线构成的180o混合结提供了的电路基础。同样,两个混频二极管反向并联于鳍线和悬置微带线之间。鳍线电场与悬置微带线的电场相互正交。本振功率通过一个波导到悬置微带的探针过渡耦合到悬置微带上,然后经过悬置微带线带通滤波器加到两二极管上,该带通滤波器具有通过本振信号而抑制中频信号的作用;射频信号同样经过波导对脊鳍线渐变过渡后加到二极管上;中频信号由悬置微带线高低阻抗线低通滤波器引出。

图4 鳍线悬置微带线结构混频器

该混频器的实物如图5所示,外形尺寸为30×30×40 mm3。本振固定在40 GHz,混频器的变频损耗特性如图6所示,该混频器在40~50 GHz的范围内变频损耗小于10.3 dB。本振到射频的隔离度大于18 dB。

图5 鳍线悬置微带线结构混频器实物

图6 鳍线共面线结构混频器的变频损耗

5 结论

本文设计并制作了两种U波段鳍线,取得了较好了混频性能。射频在40~50 GHz范围内变化时,鳍线共面线结构的混频器变频损耗小于11.5 dB,鳍线悬置微带线结构的混频器变频损耗小于10.3 dB。



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