課題：有源微波電路

1、 無源混頻器超寬帶的研究 學(xué)校：華北電力大學(xué) 專業(yè)：通信與信息系統(tǒng) 姓名：孟憲蓋 學(xué)號(hào)：2132215028 指導(dǎo)教師：李永倩摘 要在無線通信領(lǐng)域，微波通信由于自身優(yōu)勢(shì)而成為近來關(guān)注和研究的對(duì)象。由于通信傳輸速率的提高，勢(shì)必需要增大帶寬。而寬帶接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)需要超寬帶的、射頻與中頻交疊的混頻器。因此，有必要在滿足混頻器的主要技術(shù)指標(biāo)上，研究如何增大工作帶寬。在本文中，對(duì)比以往的混頻器設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)超寬帶微波混頻器采用雙雙平衡混頻器電路結(jié)構(gòu)，由2個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管環(huán)形管堆和巴倫共同構(gòu)成。巴倫采用了雙面微帶漸變線巴倫形式。雙雙平衡混頻器解決了射頻和中頻交疊的問題，顯示了良好的寬頻帶特性、隔離特性和高中

2、頻輸出特性。關(guān)鍵詞：微波 雙雙平衡混頻器 雙面微帶漸變線巴倫ABSTRACTIn the field of wireless communications, microwave communications has became the target of recent attention and study for its own advantage. To improve the communication transfer rate,it is bound to increase bandwidth. And the realization of wideband receiver ne

3、ed the mixer to be ultra-widebanded, RF and IF overlaped. Therefore, after realizeing the main technical indicators,how to increase the operating bandwidth has became the next target of study. In the used herein, contrasting to the characteristics of the conventional design of the mixer, super mixer

4、 adapts the structure of double-double balanced mixer circuit , constitued with the two Schottky barrier annular diode stack and a balun. Barron uses a form of sided-microstrip and gradient-line balun. The double-double balanced mixer solves the problem of overlapping between RF and IF, and displays

5、 good wideband characteristics, isolation characteristics and high-IF output characteristics. Keywords: Microwave double-double balanced mixer sided-microstrip and gradient-line balun一 緒論1.1研究背景微波混頻器在微波通信系統(tǒng)中實(shí)際上起到頻譜搬移的功能，即將較高頻率的射頻信號(hào)經(jīng)過非線性器件變換成較低頻率的中頻信號(hào)，所以在微波系統(tǒng)中混頻器是至關(guān)重要的部件。在微波通信、雷達(dá)、遙控、遙感、偵察與電子對(duì)抗等微波應(yīng)用領(lǐng)域

6、，混頻器都有不可替代的作用。微波混頻器由于處于系統(tǒng)承上啟下，“厚此薄彼”的環(huán)節(jié)。一方面的優(yōu)勢(shì)往往以另一方面的損失為代價(jià)?；祛l器的變頻損耗越大，系統(tǒng)的噪聲也就會(huì)越大；定向耦合器中的耦合系數(shù)過大，會(huì)使微波信號(hào)進(jìn)入本振端，造成干擾，過小，會(huì)使本振輸入功率較小。所以，有必要研究更好特性的混頻器設(shè)計(jì)，以達(dá)到符合實(shí)際要求。1.2發(fā)展概況由于微波混頻器是利用變阻二極管或肖特基勢(shì)壘二極管等非線性器件來實(shí)現(xiàn)變頻的一種微波電路，在二十世紀(jì)六十年代微波半導(dǎo)體發(fā)展之前，鮮有進(jìn)展。按混頻器所用的非線性器件的性質(zhì)，可以將其分為有源混頻器和無源混頻器。采用二極管作非線性器件的混頻器稱為無源混頻器，目前通信中多數(shù)混頻器是無源

7、混頻器加放大器的組合，算不上真正的有源混頻器。微波混頻器有4種基本電路結(jié)構(gòu)：單端混頻器、平衡混頻器、雙平衡混頻器、雙雙平衡混頻器(也叫三平衡混頻器)。本文主要介紹的是利用肖特基勢(shì)壘二極管作非線性器件的無源混頻器電路。在滿足微波混頻器基本設(shè)計(jì)要求（低噪聲、大動(dòng)態(tài)范圍和低變頻損耗）之外，如何增大工作帶寬，成為無源微波混頻器的重點(diǎn)。1.3論文工作二 混頻器分類 采用晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管作為非線性器件的混頻器稱為有源器件混頻器，有源混頻器能夠提供好的帶寬特性，但是其噪聲也會(huì)因此升高，線性度也比較低，因此它適用于較低的動(dòng)態(tài)范圍。采用二極管作非線性器件的混頻器稱為無源器件混頻器，又稱電阻性混頻器。無源混頻器具

8、有較低的噪聲，其線性度也較好，但是其帶寬較窄，適用于更高要求的接收機(jī)設(shè)計(jì)。2.1單端混頻器單端混頻器是最簡單的一種混頻器，根據(jù)功率混合電路（定向耦合器）的不同，有波導(dǎo)、同軸、微帶等多種結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)由功率混合電路、阻抗匹配電路、二極管及管座和中頻輸出電路等組成。 圖2-1 微帶型單端混頻器電路結(jié)構(gòu)示意圖工作原理：射頻信號(hào)從左端輸入，經(jīng)定向耦合器和阻抗匹配電路加到二極管上；本振功率由定向耦合器的另一端輸入也加到二極管上，定向耦合器完成本振和信號(hào)功率混合。通過對(duì)平行耦合線定向耦合器的研究知道，輸入信號(hào)雖然電平很低，但由于耦合的影響，信號(hào)功率不能全部經(jīng)直通臂加到二極管上,部分會(huì)耦合到耦合壁而被負(fù)載吸

9、收。由網(wǎng)絡(luò)的互易性知，本振由隔離臂加入,其功率一部分耦合加到二極管,另一部分損耗在匹配負(fù)載上。定向耦合器的設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)兼顧耦合度和隔離度的要求：耦合過緊,隔離度差,信號(hào)功率被匹配負(fù)載吸收的就多；耦合過松,雖然減少了信號(hào)損失,但本振功率就需要加大,一般耦合度取10dB。阻抗匹配電路完成信號(hào)和本振輸入電路與二極管的匹配,為使信號(hào)功率最大進(jìn)入二極管,應(yīng)以信號(hào)頻率為中心頻率設(shè)計(jì)阻抗匹配段。射頻短路線采用低阻抗開路線，輸出中頻信號(hào)，對(duì)本振和射頻信號(hào)相當(dāng)于高阻抗短路線。但當(dāng)中頻電流反向時(shí)，在二極管輸入端會(huì)出現(xiàn)中頻信號(hào)干擾本振和射頻信號(hào)，因此加高阻線以使中頻信號(hào)接地，而對(duì)本振和射頻信號(hào)開路無影響。單端混頻器的

10、電性能較差,在中頻端可能出現(xiàn)的互調(diào)(IM)分量如下: m,n=0,1,2,3.可以看出，單端混頻器對(duì)IM抑制較差，另外單端混頻器的隔離度!噪聲系數(shù)較差,有動(dòng)態(tài)范圍小。2.2 單平衡混頻器單平衡混頻器充分地利用信號(hào)和本振功率,使兩管混頻后的中頻疊加輸出。增加混頻管,同時(shí)也就增加了混頻器的動(dòng)態(tài)范圍。平衡電橋使本機(jī)振蕩器的噪聲抵消,從而改善噪聲性能，電橋又使信號(hào)與本振達(dá)到良好隔離,因此平衡混頻器是最普遍采用的形式。圖2-2 單平衡混頻器結(jié)構(gòu)示意圖 一般情況下,中頻很低，有信號(hào)頻率fs本振頻率，電橋臂長度為，是本振和信號(hào)平均頻率的微帶波長?；祛l管與電橋之間的匹配電路將混頻管阻抗匹配到50，電橋四個(gè)臂的

11、特性阻抗均是50，從而實(shí)現(xiàn)分支電橋與混頻管之間的阻抗匹配，達(dá)到信號(hào)與本振功率輸入到混頻管最大。設(shè)二極管所在支路的信號(hào)和本振電壓分別為: 時(shí)變電導(dǎo)和電流中頻電流為： 二極管所在支路的信號(hào)和本振電壓分別為: 時(shí)變電導(dǎo)和電流中頻電流為： 中頻電流為： 相對(duì)單端混頻器，單平衡混頻器的優(yōu)勢(shì)：1、由于肖特基二極管是電壓控制電流，電流式子里含有中頻分量，通過反向二極管的設(shè)計(jì)就抵消了本振中的相位噪聲；2、輸出中頻的諧波分量，m=1,2,3.。被抵消了，從而對(duì)的干擾分量減少了，有利于優(yōu)化噪聲系數(shù)。2.3混合環(huán)平衡混頻器圖 為混合環(huán)平衡混頻器。信號(hào)和本振分別以相位差分配到2只二極管上,故這類混頻器又稱反相型平衡混

12、頻器。各臂特性阻抗均為圖2-3 混合環(huán)平衡混頻器設(shè)二極管和上的信號(hào)電壓為： （2-20）本振電壓為： （2-21） （2-22）在二極管上的時(shí)變電導(dǎo)和中頻電流分別為： （2-23）在二極管上的時(shí)變電導(dǎo)和中頻電流分別為： （2-24）負(fù)載上的中頻電流為： （2-25）將中頻電流寫成指數(shù)形式如下：為偶數(shù)時(shí)， ；為奇數(shù)時(shí)，對(duì)于端口駐波比來說，不論是信號(hào)口還是本振口，兩管反射將迭加,因此端口駐波比較差。2.4 雙平衡混頻器雙平衡混頻器又稱環(huán)形管堆式混頻器，4只混頻管的電氣性能、分布參數(shù)以及結(jié)構(gòu)尺嚴(yán)格一致。信號(hào)和本振電壓分別通過巴倫加到二極管上，將非平衡信號(hào)變成平衡信號(hào)，中頻信號(hào)由本振巴倫的次級(jí)中心抽頭

13、引出。雙平衡混頻器具有較高的隔離度，由于采用了寬頻帶巴倫，混頻器頻帶只取決于巴倫帶寬。另一主要優(yōu)點(diǎn)是其混頻產(chǎn)物只有單端混頻器混頻產(chǎn)物的四分之一。圖2-4 雙平衡混頻器結(jié)構(gòu)示意圖每個(gè)二極管上的電壓：兩端： 兩端：兩端： 兩端：總的電流 設(shè)，對(duì)于有，均為負(fù)值，對(duì)于有 同理，有總電流當(dāng)或?yàn)榕紨?shù)時(shí)，即所有信號(hào)和本振的偶次諧波組合分量都被抵消了，剩下的只有奇次諧波組合分量。三 混頻器的主要技術(shù)指標(biāo)3.1 變頻損耗射頻信號(hào)通過混頻器要產(chǎn)生功率的損耗，中頻輸出端口的功率要小于射頻端口輸入的功率。變頻損耗是輸入功率信號(hào)變頻到中頻信號(hào)后功率損失消耗的大小的度量。為電路適配損耗，輸入輸出端口未能匹配到50而產(chǎn)生的

14、功率損失；為混頻二極管管芯的結(jié)損耗，結(jié)損耗主要由二極管管芯等效電路中電阻和結(jié)電容分壓和起旁路作用引起的。為凈變頻損耗，是組合分量引起的能量損耗。圖3-1 肖特基二極管等效電路圖3.2 噪聲系數(shù) 線性網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)F定義為，其中是線性網(wǎng)絡(luò)的衰減，即變頻損耗。噪聲系數(shù)是表征混頻器性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。但是在混頻器和中頻放大器級(jí)聯(lián)中，其中是中頻放大器的噪聲系數(shù)，是混頻器的變頻損耗。在有低噪聲放大器的接收機(jī)中，其噪聲系數(shù)主要取決于低噪聲放大器的噪聲系數(shù)。3.3 隔離度 混頻器的端口隔離度包括LO-RF，LO-IF，RF-IF隔離度。隔離度定義是原有功率與本振或信號(hào)泄漏到其他端口的功率之比。LO-RF

15、隔離度為。在下變頻器中，若隔離度不好，可能從接收機(jī)信號(hào)端反向輻射或從天線反發(fā)射,造成對(duì)其他電設(shè)備干擾。在上變頻器中，中頻信號(hào)要上變頻到微波高頻信號(hào)，要求本振到中頻的隔離度達(dá)到 80100dB。上變頻器中本振功率通常比中頻功率大10dB 以上，若本振射頻隔離度低于 20dB，則泄露到射頻的本振功率等于甚至大于射頻功率。RF-LO隔離度為，在共用本振的多通道接收系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)通道的信號(hào)泄漏到另一通道時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生交叉干擾。3.4 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍是混頻器正常工作時(shí)的微波輸入功率范圍。其下限是與基底噪聲電平相比擬的功率，又叫可辨輸入信號(hào)電平，取決于混頻器的噪聲電平。其上限是ldB壓縮點(diǎn)，超過ldB壓縮

16、點(diǎn)混頻器會(huì)失去有效工作能力，甚至被燒毀。3.5 線性度 圖3-2 1dB壓縮點(diǎn)及三階截?cái)帱c(diǎn) 1dB 壓縮點(diǎn)以及三階截?cái)帱c(diǎn)都可以作為衡量線性度的指標(biāo)。工程當(dāng)中，一般更為常用地采用三階截?cái)帱c(diǎn)作為衡量線性度的指標(biāo)。三階交調(diào)系數(shù)引申的交調(diào)失真對(duì)模擬微波通信來說，會(huì)產(chǎn)生鄰近信道的串?dāng)_，對(duì)數(shù)字微波通信來說，會(huì)降低系統(tǒng)的頻譜利用率，并使誤碼率惡化；因此容量越大的系統(tǒng)，要求IP3越高，IP3越高表示線性度越好和更少的失真。三階截?cái)帱c(diǎn)與本振功率及偏壓有關(guān)，本振功率越高則三階截?cái)帱c(diǎn)越高。3.6 鏡頻抑制度當(dāng)有用射頻信號(hào)與鏡頻干擾信號(hào)以相同功率輸入至接收機(jī)，二者產(chǎn)生的中頻信號(hào)幅度的比值就是鏡頻抑制度。鏡頻抑制度反映

17、了一個(gè)混頻器對(duì)鏡頻干擾信號(hào)削弱能力，鏡頻干擾信號(hào)通過混頻器后會(huì)得到衰減，鏡頻抑制度反映了對(duì)鏡頻干擾信號(hào)衰減的程度。解決鏡頻影響采用高中頻，即利用輸出中頻頻率和鏡頻頻率之差設(shè)計(jì)放大器通頻帶，由于首次輸出中頻頻率還高，所以需要二次或者三次變頻。另一種方法就是在低噪聲放大器后面加抑制鏡頻濾波器，將鏡頻的衰減保持在20dB以上。從而阻止噪聲混頻成中頻。3.7本振功率本振功率不同，混頻二極管中的電流不同，會(huì)使混頻器的端口阻抗發(fā)生變化，影響匹配效果。本振功率越大，1dB 壓縮點(diǎn)越高，混頻器動(dòng)態(tài)范圍變大，三階截?cái)帱c(diǎn)越高，線性度越高。本振功率越大，噪聲系數(shù)越高，泄露到其他端口的功率也越多。 3.8 端口駐波比

18、 根據(jù)端口駐波比S與反射系數(shù)的關(guān)系知，混頻器的輸入端口駐波比與反射系數(shù)有關(guān)，反射系數(shù)會(huì)帶來輸入信號(hào)的再次混頻。而端口輸入駐波比與端口的阻抗匹配有關(guān)，本振功率變化帶來的混頻器工作狀態(tài)影響阻抗匹配。四 巴倫 巴倫具有多種結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)頻率來進(jìn)行選擇。在低頻段，它只不過是一個(gè)具有中心抽頭的變壓器。在微波頻段,為了滿足平衡一非平衡的變換，魔T、環(huán)行器及三分貝定向藕合器等均可當(dāng)成巴倫使用。目前用得最多的是微帶漸變線巴倫、馬春德巴倫、共面微帶線巴倫等?，F(xiàn)在，超寬帶巴倫更是放大器、混頻器等寬帶器件中的關(guān)鍵元件，它的性能直接影響著這些器件的性能。在超寬帶雙雙平衡混頻器中，信號(hào)、本振和中頻端各采用一個(gè)寬帶巴倫，

19、雙雙平衡混頻器的性能好壞主要取決于各端口巴倫設(shè)計(jì)的好壞，所以設(shè)計(jì)寬帶巴倫是本項(xiàng)目的核心之一。4.1 巴倫的工作原理 巴倫將信號(hào)在不平衡電路結(jié)構(gòu)和平衡電路結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,將不平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為平衡信號(hào)。平衡電路中的平衡指存在兩路大小相等、方向相反的信號(hào)。按照天線理論，在天線領(lǐng)域中，偶極子天線屬于平衡型天線，而同軸電纜則屬于不平衡傳輸線。如果將其直接連接,就會(huì)影響天線的輻射，因此需要在天線和電纜之間加入平衡非平衡轉(zhuǎn)換器一巴倫。巴倫不僅可以起到阻抗變換的作用，而且可以實(shí)現(xiàn)某些天線饋電的不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換。圖4-1 巴倫低頻電路示意圖 巴倫初級(jí)的一端接地，是不平衡端口。巴倫次級(jí)2和次級(jí)3兩端都不接地，對(duì)

20、地都具有高阻抗，因而次級(jí)是平衡端口。當(dāng)次級(jí)兩端都接有負(fù)載電阻時(shí)，對(duì)地產(chǎn)生的電壓大小相等方向相反，即，從初級(jí)向負(fù)載方向看，改變變壓器的變化比n可使輸入電阻與信號(hào)源電阻相等，而實(shí)現(xiàn)匹配。4.2.同軸線巴倫圖4-2 (a)同軸線巴倫的結(jié)構(gòu)圖 (b)同軸線巴倫的等效電路圖 在圖a中，長的同軸線中長的外導(dǎo)體不接地，左端為平衡端口，右端為不平衡端口。左端平衡端口中，內(nèi)導(dǎo)體受外導(dǎo)體屏蔽，故對(duì)地阻抗較高。端對(duì)地阻抗取決于口與地之間的傳輸線的阻抗。假設(shè)同軸線特性阻抗為，則其阻抗為，式中，是工作波長。在圖b中，1端輸入電壓，2,3端電壓矢量，有，式中，為信號(hào)中心波長。但當(dāng)時(shí)，上式不為-1，平衡度破壞。假設(shè)，在端接

21、長度為的短路線，其對(duì)地的特征阻抗也為，。實(shí)際中并不能無限寬的展寬頻帶。4.3 雙面微帶漸變線巴倫 圖（a）中在介質(zhì)基片兩面光刻腐蝕出兩條金屬帶，上面金屬帶按一定規(guī)律變化，成為喇叭狀的阻抗?jié)u變線段，下面金屬帶是均勻不變寬度?；瑧抑糜诤畜w半高中間位置。圖（b）的左端是不平衡輸入端口，為非標(biāo)準(zhǔn)微帶線結(jié)構(gòu)；右端口的上下兩條金屬條帶相對(duì)于基片對(duì)稱，是平衡端口。漸變線巴倫是通過漸變線的緩慢變化將非平衡端口的阻抗變化到平衡端口的阻抗。圖4-3 雙面微帶漸變線巴倫 (a)巴倫盒體 (b)巴倫基片另外，輸入端口1基材下面的金屬條帶連接到盒子上接地，上面的金屬條（畫實(shí)線者）帶可以和同軸輸入的中心導(dǎo)體相連接。因巴

22、倫要通過下面左端的金屬帶焊接在盒子上，所以下面左端的金屬帶（畫虛線者）比上面的金屬帶要寬很多。2端口和3端口為平衡輸出端口，和環(huán)行混頻二極管堆的臂相連接。為獲得寬頻帶內(nèi)阻抗?jié)u變轉(zhuǎn)換，漸變線段采用阻抗的指數(shù)漸變形式，可在較短的長度內(nèi)獲得寬頻帶低反射的阻抗變換性能。該雙面微帶漸變線巴倫可滿足混頻器218Ghz寬帶的要求。5 超寬帶雙雙混頻器5.1 超寬帶雙雙混頻器原理雙平衡混頻器拓寬了本振、射頻工作帶寬，中頻帶寬拓寬由于采用與頻率相關(guān)的電容電感而處理不明顯，抑制互調(diào)分量能力較差。因此引入了雙雙平衡混頻器。 雙雙平衡混頻器的變頻部分一般可以用2個(gè)環(huán)行或星型管堆和巴倫相連接構(gòu)成。在此采用了2個(gè)環(huán)行管堆

23、。圖中，LO和RF均采用2個(gè)獨(dú)立的漸變微帶巴倫接到環(huán)行管堆。LO和RF信號(hào)均為不平衡信號(hào)，通過漸變微帶巴倫的不平衡平衡轉(zhuǎn)換，輸入到環(huán)行二極管管堆。另外，中頻IF輸出端口與環(huán)行管堆間的高頻磁芯線圈作為耦合，實(shí)現(xiàn)平衡不平衡轉(zhuǎn)換，即中頻IF輸出的是不平衡信號(hào)，由IF輸出端口有一線接地可分析得知。 圖5-1 雙雙混頻器電路圖5.2 超寬帶雙雙混頻器優(yōu)勢(shì)（1） 工作帶寬更寬 LO、RF、IF三個(gè)信號(hào)可在218GHz頻率范圍內(nèi)變化，一者得力于雙面微帶漸變線巴倫的設(shè)計(jì)，二者得力于肖特基勢(shì)壘混頻二極管組成的混頻器，頻率范圍可以做得很寬，可以達(dá)幾個(gè)甚至幾十個(gè)倍頻程，在此頻率范圍采用了硅材料的二極管。（2） 隔離度更好 圖5-2 雙雙混頻器原理圖 射頻RF和中頻IF交迭輸入至微波雙雙平衡混頻器，本身就避免了二者的互相干擾，在圖 中，雙雙平衡混頻器的本振端口和射頻端口均交叉地與上、下兩二極管環(huán)路銜接。當(dāng)本振是正半周時(shí)，上環(huán)只有和管導(dǎo)通，下環(huán)則有和導(dǎo)通。本振輸入通過巴倫與、形成通路，射頻輸入通過相應(yīng)的巴倫與、形成通路，兩個(gè)通路沒有相交。當(dāng)本振是負(fù)半周時(shí)，上環(huán)只有和管導(dǎo)通，下環(huán)只有、管導(dǎo)通。本振通過巴倫與、形成