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U波段鳍线单平衡混频器的设计解析

  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U波段所指的频率范围为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,由于鳍线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U波段鳍线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。

  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。

  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

  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。

  第一种鳍线所示,为鳍线共面线结构。在该结构中,鳍线o混合结提供了单平衡混频器的电路基础。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 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U波段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。

  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所示,为鳍线悬置微带线结构。由鳍线o混合结提供了单平衡混频器的电路基础。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。

  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。

  本文设计并制作了两种U波段鳍线单平衡混频器,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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