基于自振荡混频的X波段单器件收发电路设计分析

基于自振荡混频的X波段单器件收发电路设计分析

作为通信系统中的两个关键的电路单元，混频器和振荡器起着至关重要的作用。在无线通信中，混频器与振荡器的设计直接关系到整个电路是否具有高性能与高稳定性的品质。

在接收前端电路中，混频器作为实现频率搬移的器件，将由天线所接收到的射频(Radio Frequency，RF)信号与振荡器所提供的本地振荡(Local Oscillation，LO)信号源进行线性的频率变换，从而得到方便处理的中频(Intermediate Frequency，IF)信号。

而在发射前端电路中，混频器将低频的基带信号与振荡器提供的本地振荡信号进行频率搬移后变换为所需的高频信号。

振荡器与混频器充当着的频率搬移组合电路被广泛的运用在雷达、遥感、通信等领域中。

针对上述问题，学者们经过研究提出了一种基于单个器件既可以产生振荡信号又具备混频功能的电路组件。

这种电路组件被称为自振荡混频器(SOM)，其通过对电路的设计，来增强管子自身的非线性效应，并使管子产生自振荡信号，可与输入的射频信号进行混频从而产生中频信号。

这相当于将振荡器与混频器的功能集合于一体。其原理图如下图2所示。

基于单个器件同时进行信号的产生和频率转换的电路设计

基于单个器件同时进行信号的产生和频率转换的电路设计可以追溯到1915年，当时就有学者在文献中记录： 可采用真空管来设计一种即产生振荡频率、又能与输入的射频功率进行频率合成的系统。

上世纪 50 年代是无线电通信发展的早期，由于自振荡混频技术的使用可以减少无线电接收机中有源器件的使用数量，因此一般采用二极管进行设计的自振荡混频电路被广泛地应用于无线电接收系统中。

1960年初，随着固态器件的出现和逐步发展，有关自振荡混频技术的需求逐渐减少。

随着有源器件制作工艺的不断发展，场效应管(FET)的出现以及其相比于二极管更易于集成的特性，使得FET更多地被应用于自振荡混频电路中。

自振荡混频技术也因此重新引起了人们的关注。

自本世纪以来，由于自振荡混频技术在实现无线通信系统的低成本、小功耗等设计方面具有一定的研究意义与发展前景，该技术得以再次被重视与研究，并进一步地发展且被应用在更多的领域中。

基波频率为1.9GHz，输入射频频率为5.79GHz 时可达到最高转换增益为11.5dB。该三次谐波电路实物图和转换增益随输入射频频率变换的仿真与测试图如下图4所示。

除此之外， 为了进一步提高自由振荡信号与射频信号的隔离度，平衡结构的自振荡混频器也被设计出来。

该结构的自振荡混频器主要由两个对称放置的相同晶体管以及微带线构成，其中两个晶体管的栅极由一条微带线连接起来。

为了实现较低的相位噪声，采用了谐振频率为5.2GHz的H槽缺陷接地结构(DGS)建立了一款平结构自振荡混频器。

该电路可产生4.77GHz的振荡信号，当输入信号为5.2GHz时，可产生430MHZ的信号，此时可实现的转换增益达到1dB。该电路正反面实物图如下图5(a)、(b)所示。

近几年来，由于其低功耗与低成本的优势，自振荡混频技术被应用于雷达、通信等多个领域，使其得以进一步的发展。

通过合平面贴片天线和开槽方形贴片谐振器(SSPR)，使得电路具有高群延迟峰值的双极带通滤波器的特性。

测得本振频率为10.676GHz，输出中频信号的频率为6.3MHZ，此时变频增益为4.45dB，该电路可用做多普勒雷达进行短距离的运动探测。该自振混频器如下图6所示：

测试表明，自振荡信号为10.86GHz，当输入的射频信号频率为10GHz时，测得的变频增益高达10dB。该电路可用于低成本低功耗的无线通信系统。

相比于国外，国内对于自振荡混频技术的研究起步较晚，所以相关研究进展相对较为缓慢。但是近年来，在国内该技术又开始引起了重视并逐步发展着。

在1GHz的带宽内该电路的平均变频增益可达到2.2dB。该K波段自振荡混频器电路实物如下图7所示。

综合国内外发展趋势来看，低成本，高性能的射频电路一直是学者们旨在研究重要方向。而国内目前主要重点研究的方向为非平衡结构的自振荡混频器电路。

自振荡混频技术的理论基础

自振荡混频技术就是将振荡器与混频器的功能集成在一个单一的电路上。当没有射频信号输入时，自振荡混频电路相当于一个振荡器。因此在针对自振荡混频技术进行研究时，首先是要对自振荡性能进行研究，然后再对混频性能进行研究。

1.微波振荡器的原理

一般把无需加上外部信号激励，就能将直流电能转变为具有一定频率特性的交流信号输出的非线性器件称为振荡器。

振荡器是毫米波接收与发射系统中的重要组成部分其性能指标的优劣影响着整个系统的稳定性。振荡器按照输出波形的不同，可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。

按反馈结构的不同，振荡器可分为串联反馈振荡器和并联反馈振荡器；按工作原理来讲，振荡器一般被分为反馈式振荡器和负阻式振荡器。

2.反馈式振荡器的工作原理

并联反馈振荡器的设计基于反馈振荡原理，其电路网络模型如图9所示。

图中显示，电路结构中主要包含了正向增益为G的放大网络和反馈系数H的反馈网络，其中反馈网络由环路的固定相移和谐振器组成。

根据巴克豪森豪森判据(Barkhausen Criterion)和奈奎斯特准则(Nyquist Criterion)反馈式振荡器能够稳定振荡的三个必要条件有：

(1)开环增益 Af(jo)大于1；

(2)环路的相位为2nΠ(n-0,1,2,3...)，且振荡频点处的相频特性为负斜率；

(3)仿真时，奈奎斯特圆图在振荡频率附近用半径很小的半圆沿顺时针围绕点。

由于振荡器是一个非线性网络较为复杂，且满足上述三个条件的电路，仍然无法保证起振。有关振荡器的精确设计是有一定难度的，精确分析振荡点的频率是较为复杂的。

在仿真时，可能会发现多个频点均满足上述三个条件，一般而言相位条件最优的频点是实际最有可能产生振荡的地方。

3.负阻式振荡器的工作原理

线性电阻和非线性电阻都属于正电阻器件。一般可知流过正电阻的电流越大，那么两端的压降也会越大，这意味着消耗的功率也越多。

与之相反，负阻器件可以将直流功量可以产生功率供给外部电路。负阻具有能量变换特性，负阻式振荡器主要是利用负阳器件的这一特性来抵消电路中的正阻器件所产生的损耗，当达到动态平衡时，振荡便会产生。

振荡电路中的有源器件(包括雪崩二极管、Gunn效应二极管、晶体三极管等)充当着负阻角色。

与只需在直流偏置状态下便可产生负阻的二极管器件不同，晶体三极管如BJT、FET、pHEMT等则不仅需要在直流偏置的状态下，还需要加上反馈网络，才能使具有负阻特性。

一般将有源器件采用二极管的负阻式振荡电路称为单端口负阻式振荡电路，采用三极管的则称为双端口负阻式振荡电路。

4.自振荡混频电路的分析求解方法

自振荡混频器可以等效为一个非线性电路网络。由于非线性电路网络工作时具有定的复杂度，所以需要由相关的非线性的分析方法对其进行分析。

经过研究后，常见的非线性网络分析方法由如下几种： 幂级数法、Vlterra级数法、时域积分法以及谐波平衡(Harmonic Balance，HB)法等。

这些方法各有适用的电路网络， 因此需要根据实际仿真的电路特性来进行选择。

幂级数法与Volterra级数法对于弱非线性电路网络的分析比较精确，但是对于求解大信号激励下的强非线性电路网络却无能为力，该方法求解强非线性电路时，无论是速度还是精确度都达不到要求。

时域积分法进行求解分析时，则对仿真模型的精确度要求非常高。

而谐波平衡法是一种通过在时域和频域上不断交替轮换来计算非线性电路网络，最终求得平衡解的方法。

其是使用最简便且有效的求解非线性电路的工具，而且应用范围不仅包括弱非线性电路网络，也同样适用于强非线性电路网络。

综合考虑上述各个分析求解方法各自的适用领域，采用谐波平衡法对设计的自振荡混频电路进行分析是最合适的。

采用谐波平衡法分析电路的基本思路为：找到一组能够使非线性电路网络中的线性与非线性子电路方程得到相同电流的端口电压波形或谐波电压分量，最后进行求解。

谐波平衡分析法的实质就是对非线性电路网络建立相关的谐波平衡方程并求解。

参考文献：

[1].《现代微波滤波器的结构与设计》

[2].《微波自振混频技术研究》

[3].《V波段高距离分辨率组件》