基于180°混合網(wǎng)絡(luò)及十字耦合器的平衡混頻器設(shè)計(jì)

施鱈凇 朱曉維

【摘? 要】設(shè)計(jì)了一種基于180°混合網(wǎng)絡(luò)的Q波段平衡混頻器。該混合網(wǎng)絡(luò)由90°定向耦合器以及90°延時(shí)線構(gòu)成，其中耦合器采用基片集成波導(dǎo)的十字型結(jié)構(gòu)來(lái)減小布板面積，延時(shí)線采用微帶結(jié)構(gòu)來(lái)最大程度簡(jiǎn)化電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該種混合網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)定向耦合器相比，能夠大幅度提高中頻與射頻的隔離度，用以實(shí)現(xiàn)單平衡中的較寬帶寬。

【關(guān)鍵詞】平衡混頻器;基片集成波導(dǎo);定向耦合器;混合網(wǎng)絡(luò)

1? ?引言

隨著微波毫米波電路技術(shù)的逐步發(fā)展，多普勒雷達(dá)測(cè)速、測(cè)距技術(shù)已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于軍工及民用場(chǎng)合。作為其射頻收發(fā)系統(tǒng)中的核心部件之一，混頻器的設(shè)計(jì)往往決定了整個(gè)鏈路系統(tǒng)的性能指標(biāo)，尤其當(dāng)工作頻率處于毫米波段。傳統(tǒng)的平衡混頻器可以在單層板上由微帶線及各種結(jié)構(gòu)的定向耦合器[1-3]組合而成。

本文提出了一種基于十字型SIW（Substrate Integrated Waveguide，基片集成波導(dǎo)）耦合器的單平衡混頻器，根據(jù)中頻電流的疊加原理將傳統(tǒng)的耦合器用180°混合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行替換，最終達(dá)到了理想的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果。

2? ?混頻理論分析

由傳統(tǒng)的90°耦合器構(gòu)成的單平衡結(jié)構(gòu)，中頻輸出的等效電流為兩管的疊加（如式 （1）所示），其中Uscosωst為射頻輸入信號(hào)，ULcosωLt為本振信號(hào)，

g（ωt）=g0+2gncosnωt為二極管在本振信號(hào)激勵(lì)下的等效導(dǎo)納，其電流方向及混頻器結(jié)構(gòu)如圖1所示：

從公式（1）可以看出，該結(jié)構(gòu)的中頻輸出包含有射頻和本振的泄漏信號(hào)，這意味著射頻到中頻的隔離度并不理想，這會(huì)影響混頻器的變頻帶寬。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以將耦合器替換為180°混合網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)相似的分析方法，可以得到中頻電流表達(dá)式為：

可以看出中頻電流中只有混頻分量，從而大大提升了端口之間的隔離度。

3? ?耦合器設(shè)計(jì)

如前文所述，混合網(wǎng)絡(luò)由SIW耦合器及微帶延時(shí)線構(gòu)成，其中耦合器的設(shè)計(jì)為整個(gè)混頻電路的關(guān)鍵。在Q波段的高頻信號(hào)下，微帶結(jié)構(gòu)的耦合器不僅帶寬窄，而且受限于加工精度，很容易出現(xiàn)頻偏等問(wèn)題。而SIW結(jié)構(gòu)雖然尺寸較大，但能很好地避免這兩種情況，并且由于類(lèi)矩形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)特性，SIW是射頻與中頻間天然的隔離器，因此本文采用SIW十字耦合器結(jié)構(gòu)，在提高帶寬和隔離度的同時(shí)能最大限度地縮小布板面積。圖2為SIW耦合器結(jié)構(gòu)，圖3為基于SIW耦合器的混頻器版圖。

4? ?仿真及測(cè)試結(jié)果

混頻器的測(cè)試結(jié)果如圖4到圖7所示。當(dāng)中心頻率為33 GHz時(shí)，15 dB變頻損耗帶寬為3.3 GHz，最低損耗為9.3 dB。通帶內(nèi)射頻與本振的隔離度大于15 dB。當(dāng)本振功率大于10 dBm時(shí)，變頻損耗趨于穩(wěn)定，混頻器的輸入1 dB壓縮點(diǎn)近似為4.8 dBm。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于SIW十字耦合器的單平衡混頻器。測(cè)試結(jié)果表明，該Q波段混頻器在15 dB變頻損耗下的相對(duì)帶寬為10%。帶內(nèi)隔離度大于15 dB，同時(shí)具有良好的線性度。由于電路中的匹配結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，能夠很靈活地調(diào)整混頻器的工作頻帶，因此可以廣泛應(yīng)用于毫米波雷達(dá)系統(tǒng)中。

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