8mm波段鰭線混頻器的研究?

張 巍 葛 婷 楊鶴猛

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 廣州 510623）（2.南京理工大學(xué)電子工程系 南京 210094）

（3.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司 天津 300000）

1 引言

隨著通信技術(shù)的日益發(fā)展，毫米波頻段在雷達(dá)通信、導(dǎo)彈精確制導(dǎo)、射電天文等系統(tǒng)中的運(yùn)用逐漸受到重視?，F(xiàn)代通信電路系統(tǒng)迫切需要提高可靠性，這就要求毫米波集成電路必須具有體積小、重量輕、頻帶寬等特點(diǎn)［1］。

混頻器作為變頻器件，常常在通信系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)頻率變換。國(guó)內(nèi)外早已對(duì)混頻器進(jìn)行了研究?；祛l器最早由Armstrong 于1924 年成功地研制出［2］。近些年來(lái)，有很多關(guān)于混頻器的研究，比如，宋翔和年夫順等設(shè)計(jì)出了一種頻率在75GHz～105GHz 的單面對(duì)稱雙鰭線平衡混頻器，其變頻損耗小于12dB［3］；楊曉帆等研制了一種鰭線懸置微帶寬帶單平衡混頻器，其變頻損耗小于9.5dB［4］。由于國(guó)內(nèi)外對(duì)于8mm 波段混頻器的研究相對(duì)較少，因而，對(duì)8mm 波段混頻器的研究意義重大。在毫米波頻段，鰭線具有色散弱、單模頻帶寬、低損耗、加工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，常常被用于毫米波電路中。與微帶線相比，它還能與矩形主模波導(dǎo)的兼容。并能夠像微帶線那樣在平面電路制作上［5］。

本文設(shè)計(jì)并制作了一種8mm 波段鰭線混頻器，使用M/A-COM 公司生產(chǎn)的MA4E2037 作為混頻二極管，電路集成在一塊介質(zhì)基板上，介質(zhì)材料為F4BM220，其厚度為0.2mm。運(yùn)用電磁仿真軟件Ansoft HFSS和ADS進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

2 混頻器的基本原理

混頻器是一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)的變頻器件，它通過(guò)非線性器件將某一信號(hào)的頻率變換到另外一頻率上。由于混頻后會(huì)產(chǎn)生各次諧波等其他頻率的分量，需要用合適的濾波器將所要頻率的信號(hào)選取出來(lái)，這就是混頻器的工作原理。本振源、非線性器件、輸入輸出電路和濾波電路是混頻器的主要組成部分，在毫米波混頻器電路中，肖特基勢(shì)壘二極管常作為其混頻元件。

肖特基勢(shì)壘二極管具有高頻性能好、工作穩(wěn)定和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。其等效電路圖如圖1 所示。管芯部分可等效為一個(gè)由結(jié)電容Cj和結(jié)電阻Rj并聯(lián)形成的阻容網(wǎng)絡(luò)。除此以外，二極管的封裝也會(huì)引入了一些寄生參量，包括串聯(lián)電阻Rs、引線電感Ls和管殼的寄生電容Cp，這些寄生參量對(duì)于肖特基勢(shì)壘二極管電性能的影響通常不可忽略。

當(dāng)二極管的工作狀態(tài)改變時(shí)，Cj的大小也會(huì)改變，一般Cj取值在零點(diǎn)零幾皮法到一個(gè)皮法之間。當(dāng)二極管兩端的電壓改變時(shí)，結(jié)電阻Rj會(huì)隨之改變。二極管正向?qū)〞r(shí)，一般Rj只有幾歐姆；當(dāng)二極管反向時(shí)，Rj可以達(dá)到兆歐姆甚至更高［6］。串聯(lián)電阻Rs一般呈現(xiàn)極弱的非線性；引線電感Ls很小，一般只有幾納亨；寄生電容Cp很小，一般只有幾分之一皮法，它們都會(huì)對(duì)混頻電路的性能造成影響［7］。因此，在設(shè)計(jì)混頻電路時(shí)，肖特基勢(shì)壘二極管的寄生參量需要充分考慮。

實(shí)際應(yīng)用中，二極管一般都有一個(gè)截止頻率，可以通過(guò)下式計(jì)算得到：

3 鰭線混頻器的設(shè)計(jì)

本文采用單平衡混頻器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鰭線混頻器，它使用兩個(gè)二極管作為混頻管。與單端混頻器相比，它能夠改善混頻器各端口間的隔離度和混頻器的變頻損耗。主要運(yùn)用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 和ADS 進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)矩波導(dǎo)BJ320分別對(duì)本振端口和射頻端口進(jìn)行饋電。

3.1 混頻二極管的建模分析

表1 MA4E2037二極管的主要參數(shù)

本文選用M/A-COM 公司生產(chǎn)的MA4E2037 作為混頻二極管，它是一種梁式引線混頻二極管，其尺寸僅為0.26mm×0.21mm。表1 是MA4E2037 的管芯參數(shù)，根據(jù)式（1）可以計(jì)算出該管芯的截止頻率大約為2000GHz。

混頻二極管MA4E2037的ADS仿真模型如圖2所示。一般單只二極管承受的功率大約為10dBm，在ADS中分別設(shè)置大信號(hào)功率為10dBm，小信號(hào)功率為-10dBm。最終得出本振頻率在35GHz時(shí)二極管的等效阻抗為23-j50Ω。

圖2 二極管阻抗的仿真模型

3.2 懸置帶線濾波器

相對(duì)于微帶線，懸置帶線具有低損耗、低色和高頻等特性，它特別適合工作在高頻場(chǎng)合，尤其是毫米波頻段，其傳輸主模與微帶線一樣，為準(zhǔn)TEM模。另外，懸置帶線還具有良好的單模傳輸特性，因而在傳輸信號(hào)的過(guò)程中，可以有效地抑制高次模的傳輸。

在鰭線混頻器電路中，由于混頻后除了中頻信號(hào)的存在，還產(chǎn)生了其他各次諧波的分量，為了輸出中頻，需要設(shè)計(jì)一個(gè)懸置帶線低通濾波器取出中頻信號(hào)，濾除射頻（RF）、本振（LO）等其他頻率的信號(hào)。另外，為了抑制中頻信號(hào)泄漏到本振端口并且只讓本振信號(hào)通過(guò)，提高鰭線混頻器射頻（RF）和本振（LO）之間的隔離度，需要設(shè)計(jì)一個(gè)懸置帶線帶通濾波器。

在設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)，本文選用帶內(nèi)衰減為0.2dB 的等波紋七階切比雪夫低通濾波器，并且采用階躍阻抗濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，仿真模型如圖3所示。通過(guò)仿真并優(yōu)化，最終可以得到懸置帶線低通濾波器的仿真結(jié)果，如圖4 所示。結(jié)果表明：濾波器的截止頻率為16GHz，通帶內(nèi)衰減為0.2dB，回波損耗大于20dB，插入損耗大于25dB 的頻段為30GHz～40GHz。另外，低通濾波器的輸入和輸出端口的帶線阻抗均為50Ω。

圖3 低通濾波器HFSS仿真模型

圖4 低通濾波器HFSS仿真模型

在設(shè)計(jì)帶通濾波器時(shí)，本文選用端耦合懸置帶線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，而且制作成本低，易于集成［8］，其仿真模型如圖5所示。通過(guò)仿真并優(yōu)化，最終可以得到懸置帶線帶通濾波器的仿真結(jié)果，如圖6 所示。結(jié)果表明在0～9GHz內(nèi)，回波損耗小于0.2dB；在30GHz～36GHz 內(nèi)，回波損耗大于15dB，插入損耗小于0.2dB。

圖5 帶通濾波器HFSS仿真模型

圖6 帶通濾波器HFSS仿真模型

3.3 鰭線過(guò)渡

在鰭線混頻器電路中，為了將矩波導(dǎo)BJ320 端口輸入的信號(hào)饋到懸置帶線上，需要在矩波導(dǎo)和懸置帶線間進(jìn)行過(guò)渡［9］。本文在過(guò)渡段采用鰭線來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)渡，鰭線具有低色散、單模頻帶寬、低損耗等特點(diǎn)。通常人們會(huì)采用漸變曲線去實(shí)現(xiàn)鰭線過(guò)渡，常用的鰭線漸變函數(shù)有很多，比如，指數(shù)線漸變、拋物線漸變。本文在鰭線漸變段采用正弦平方漸變形式，這就是：其中：w(z)為鰭縫的槽寬，w為鰭縫的最小槽寬，b為矩波導(dǎo)的窄邊寬度，L 為過(guò)渡段長(zhǎng)度。一般過(guò)渡段的長(zhǎng)度應(yīng)為λ/4 的整數(shù)倍，鰭線過(guò)渡段仿真模型如圖7 所示。通過(guò)仿真優(yōu)化，可以得到其仿真結(jié)果，如圖8 所示?？芍涸?0GHz～40GHz 內(nèi)，該鰭線過(guò)渡的插入損耗小于0.1dB，回波損耗大于25dB。另外，腔體采用矩波導(dǎo)BJ320。

圖7 鰭線過(guò)渡仿真模型

3.4 單平衡混頻器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的鰭線混頻器采用單平衡懸置帶線結(jié)構(gòu)，如圖9 所示。它主要由低通濾波器、帶通濾波器、混頻二極管、鰭線過(guò)渡和射頻本振端的饋電波導(dǎo)構(gòu)成。本振信號(hào)由波導(dǎo)饋入到懸置帶線上，再通過(guò)帶通濾波器進(jìn)入混頻二極管；射頻信號(hào)由波導(dǎo)饋入經(jīng)鰭線過(guò)渡到混頻二極管上；中頻信號(hào)經(jīng)低通濾波器輸出。在此電路中，由于鰭線電場(chǎng)與懸置帶線的電場(chǎng)相互正交，這就要求兩個(gè)混頻二極管對(duì)射頻（RF）信號(hào)呈現(xiàn)串聯(lián)，而對(duì)本振（LO）信號(hào)呈現(xiàn)并聯(lián)，使得射頻和本振之間相互隔離，因而兩個(gè)混頻二極管必須反向并聯(lián)于鰭線和懸置帶線之間。

圖8 鰭線過(guò)渡的仿真結(jié)果

為了使得射頻輸入端有良好的回波特性，本文在鰭線過(guò)渡段挖掉多個(gè)連續(xù)凹槽［10］，利用鰭線的不連續(xù)性對(duì)混頻二極管進(jìn)行阻抗匹配，使得在32GHz～38GHz 內(nèi)，鰭線混頻器射頻端口的回波損耗能夠大于10dB。

圖9 鰭線單平衡混頻器結(jié)構(gòu)

4 測(cè)試結(jié)果

本文所設(shè)計(jì)的鰭線混頻器實(shí)物如圖10 所示，混頻器電路集成在一塊厚度為0.2mm，介電常數(shù)為2.2 的F4BM220 介質(zhì)基板上，并使用MA4E2037 作為混頻二極管，饋電波導(dǎo)為矩波導(dǎo)BJ320，中頻經(jīng)SMA 接頭輸出，外形尺寸為56.8mm×33mm×19mm，并將波導(dǎo)到懸置微帶的過(guò)渡做成可調(diào)以保證本振端良好的回波特性。

圖10 混頻器實(shí)物圖

混頻器各性能指標(biāo)測(cè)試環(huán)境如圖11 所示，經(jīng)過(guò)檢查和調(diào)試，本振信號(hào)頻率為35 GHz，射頻功率為-10dBm，本振功率為10dBm時(shí)，測(cè)得的混頻器變頻損耗結(jié)果如圖12 所示。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：在32.5GHz～37GHz 射頻范圍內(nèi)，變頻損耗基本小于10dB。在此次實(shí)驗(yàn)中，我們還測(cè)得本振端與射頻端之間的隔離度大于30dB。

圖11 混頻器實(shí)物圖

圖12 混頻器的變頻損耗測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并制作了一種8mm 波段鰭線混頻器，混頻性能良好。本振信號(hào)頻率為35GHz 時(shí)，在32.5GHz～37GHz射頻范圍內(nèi)，鰭線混頻器的變頻損耗基本小于10dB，本振端與射頻端之間的隔離度大于30dB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鰭線混頻器性能良好，能夠滿足毫米波通信系統(tǒng)的實(shí)用要求。