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1、中北大学 2007 届毕业设计说明书第 1 页 共 64 页1 1 绪论绪论W 频段分谐波混频器是 3mm 射频接收系统的重要组件， 其各项指标直接影响整个射频接收系统性能，研制性能良好的分谐波混频器成为提高整个系统性能的必然要求。1.11.1 本课题的研究背景和意义本课题的研究背景和意义1.1.1 研究背景自 1873 年 Maxwell 发表电磁学通论以来，人们为充分利用电磁资源，在拓宽频谱方面做了大量工作。40 年代至今，微波在电子武器发展过程中，包括军用和民用系统中都是最为活跃和最富成果的应用技术之一1。制导、雷达、导航、电子战、通信以及众多的民用系统已涉及国民经济的各个部门。从技术和
2、工艺角度来看，微波技术目前已十分成熟，尤其是本世纪 70 年代和 80 年代期间发生的一场重大变革，又把微波技术推向了一个新的高峰。这就是，固态器件和微波集成电路的发展导致了微波元部件乃至整个微波系统的小型化和轻量化2。其中作为传输媒介的平面传输线的应用，在减小电路之间的寄生影响和电路多余接口方面起到了明显的推动作用。1.1.2 研究意义近 10 多年来，用户剧增使微波频谱出现拥挤，加之精确武器系统的发展要求，就促使人们把系统的工作频率向上延伸，从而导致毫米波（Millimeter Wave）频率的利用。毫米波是波长介于 1-10mm 的电磁波谱，对应频率范围 300-30GHz。在电磁波谱中
3、，毫米波低端与微波相连，高端与红外、光波相接，其领域兼容微波、光波两门技术学科的理论和技术，所以逐渐发展成为一门知识密集和技术密集的综合性分支学科。毫米波的特点是波束窄、保密和抗干扰能力强、容量大、容易实现图像、数字兼容，数模兼容。毫米波技术在通信、雷达、制导、遥测遥感、电子对抗、频谱学及生物效应等多种领域得到越来越广泛的应用3。毫米波半导体器件及平面传输线构成的毫米波集成电路以其小型化、重量轻、耗能少的优点，因毫米波技术的进步而迅速发展。随着计算机技术的广泛运用及半导体技术的飞速发展，微波毫米波电路在理论上有了长足的进步，性能优良的微波毫米波器件也不断出现。在各类毫米波系统中，其接收机部分通
4、常都采用图 1.1 所示的超外差方案，接收机中的第一级主要由混频器承担。中北大学 2007 届毕业设计说明书第 2 页 共 64 页图 1.1 毫米波接收系统的基本组成作为超外差接收机中的关键部件，混频器性能的优劣直接关系到整个系统工作的好坏。为减小接收系统的体积并提高其性能，现代雷达与制导、电子对抗、通信、射电天文、遥感遥测系统的工作频率已逐步扩展到毫米波频段4。由此也对毫米波混频器的性能提出了越来越高的要求，研究低成本、高性能的毫米波混频器便成为一个非常重要的课题。1.21.2 混频器的国内外研究现状及发展前景混频器的国内外研究现状及发展前景1.2.1 国内研究现状通过查阅大量参考文献，最
5、近的十几年里，随着半导体技术和单片集成技术的发展，国内外出现了大量关于毫米波谐波混频器的报道。相比较而言，国内起步比较晚，也没有一套成熟的软件可直接用于 MMIC 的完整设计。电子科技大学的郭正平制作的Ka 波段四次谐波混频器采用的是微带结构。在射频 30GHz，本振 7.65GHz 时的变频损耗为 20.6dB。西安电子电信技术研究所上海分所的张广宇、李运、周晨阳研制的 K 频段次谐波混频器当射频频率 1824GHz，变频损耗为 111dB。西安空间无线电技术研究所的和新阳先生和禹旭敏先生研究并制作的 K 波段微带四次谐波混频器，在射频取 25.5GHz，本振选用 6.3575GHz 的锁相
6、频率源时，获得的最小变频损耗为 9dB。电子科技大学的赵霞研制的 Ka 频段微带四次谐波混频器在射频频率为 34.234.5GHz，本振频率为 8.5258.775GHz，中频频率为 100MHz 时，变频损耗低于 10.5dB，其中最优处为 8.5dB5。1.2.2 国外研究现状国外在谐波混频器这一领域的研究更加深入，并且有一些专门用于设计混频器的CAD 软件。90 年代初，Kenji Itohetal.提出了一种适合制作 MMIC 的新颖的谐波混频器电路结构。此混频器结构非常简单，是由一个反平行二极管对和一些开路、短路的终端构成。这种电路结构的优点有：减小变频损耗；信号与中频的阻抗易于匹配
7、；RF、LO、IF 相中北大学 2007 届毕业设计说明书第 3 页 共 64 页互之间易隔离；抑制本振所固有的边带噪声6。此偶次谐波混频器的电路结构还具有体积小，成本低等特点。40GHz 单片二次谐波混频器能获得 9.5dB 的变频损耗（IF 为600MHz）和 75dB 的本振泄露抑制。1.2.3 发展前景近年来为了对付毫米波雷达的威胁，满足毫米波对抗技术的要求，国外开展了一系列新型毫米波接收机的研究工作，其发展趋势是小型化、轻量化、宽带化、固体化、集成化。其工作频段已逐渐由 Ka 频段上升到 W 频段7。为此，研究 W 频段的混频器具有具有重要的理论和工程价值。1.31.3 W W 频段
8、分谐波混频器的整体结构和思路频段分谐波混频器的整体结构和思路1.3.1 W 频段分谐波混频器的整体结构框图W 频段分谐波混频器的整体结构如下图所示：图 1.2 W 频段分谐波混频器整体结构示意图波导微带转换波导微带转换波导微带转换波导微带转换 低通滤波器低通滤波器混频二极管对混频二极管对 及匹配网络及匹配网络镜频抑制带通镜频抑制带通 滤波器滤波器低噪声放大器低噪声放大器Hairpin 型带型带 通滤波器通滤波器94.240-94.752GHz45.680-45.936GHz94.240-94.752GHz94.240-94.752GHz2.88GHzW 频段分谐波混频频段分谐波混频2.88GH
9、z2.88GHz2.88GHz中频单元中频单元中北大学 2007 届毕业设计说明书第 4 页 共 64 页1.3.2 设计思路波导-微带转换器提供信号由波导到微带电路过渡的匹配连接，拟采用微带探针耦合结构，具有结构简单、匹配良好等优点。分谐波混频器射频 94.25GHz94.752GHz，本振频率为 45.6845.936GHz，中频2.88GHz，分析混频器内部产生的主要组合频率分量反射系数相位变化对变频损耗的影响，经 Agilent ADS 谐波平衡法对分谐波混频器各电路参数仿真优化， 变频损耗约 14分贝。中频低噪声放大器拟采用 Infineon 公司 SiGe 晶体管 BPF640 设
10、计，单管中频增益14dB,噪声系数小于 0.7dB。本文基于理论分析,应用 AgilentAdvanced Design System 进行微带电路设计， 波导-微带转换设计应用了 Ansoft HFSS 三维电磁场仿真软件。中北大学 2007 届毕业设计说明书第 5 页 共 64 页2 2 波导波导- -微带转换设计微带转换设计在微波导行系统中，不同类型的传输系统互相直接连接时，由于阻抗匹配问题，将产生很大的反射，为了在矩形波导与微带两种传输系统传输射频信号，需要波导-微带转换器用以实现阻抗匹配。2.12.1 波导波导- -微带转换实现结构微带转换实现结构2.1.1 波导-同轴-微带结构同轴
11、线的内导体延伸一适当长度 D，作为天线在宽壁正中插入矩形波导。为使能量单方向传输，将波导一端短路，短路线与探针距离为 L,适当调节 D 和 L，使得同轴线特性阻抗等于探针在连接面输入阻抗。在同轴-微带转换侧，通常使内导体直径等于微带线宽，即可实现波导-微带转换。2.1.2 脊波导过渡采用单脊波导，等效阻抗约为 80 90，通过一段空气微带过渡，使匹配性能提高；具体结构如下图所示：图 2.1 单脊波导-微带变换器结构图2.1.3 微带探针耦合结构在矩形波导宽壁上开一窄槽，为减小其对波导内的场强分布影响，槽缝尺寸应尽可能的小。微带线经该槽缝延伸至波导内，延伸部分为介质及其上金属导带线，作为探针从波
12、导耦合传输能量；在此探针部分与微带传输线间经常应用四分之一波长阻抗变换器以实现阻抗匹配。中北大学 2007 届毕业设计说明书第 6 页 共 64 页图 2.2 微带探针耦合结构图具体结构如图 2.2 所示：调整探针长度 D 及其与短路面距离 L 以确定探针在连接面处输入阻抗；其结构简单，容易实现，本设计实际采用该结构实现波导-微带转换。2.22.2 矩形波导导波分析矩形波导导波分析矩形波导的横截面为封闭的金属框，因此在其横截面上不存在与静态电磁场相同的场分布，即，因此沿波导纵向（z 方向）只能传播 TE 波或 TM 0, 022HETT波，而不能传播 TEM 波。 在此仅列出矩形波导中常用模式
13、 TE10 的场强：zk yxzxeykxkHH)cos()cos(0。zk yx TzxxxeykxkHkkkjH)cos()sin(02。 。zk yx TzxyxeykxkHkkkjH)sin()cos(02。 。zk yx Ty xxeykxkHkkwjE)sin()cos(02。 。（2.1）zk yx TxyxeykxkHkkwjE)cos()sin(02。 。中北大学 2007 届毕业设计说明书第 7 页 共 64 页0。zE.)2 , 1 , 0(.),2 , 1 , 0(nbnkmamkyx222222,zTTyxkkkkkk其电场在矩形波导横截面上分布如下图所示：图 2.3
14、 矩形波导横截面电场如果用电力线表示的分布，则电力线应在宽边中心分布最密，两边逐渐稀疏，yE。其密度按正弦变化，由上可知，在宽边中心沿平行于电力线插入探针可馈入馈出电磁场能量。当电磁波(为电磁波波长,为矩形波导截止波长)时，电磁波在矩形波导内c 传输。 222 bn amc（2.2）m 和 n 分别代表沿 x 轴和沿 y 轴方向分布的半波数；a，b 为矩形波导的长宽尺寸。模的截止波长为；模的截止波长为；模的截止波长为10TEac220TEac01TE。bc2模单模工作的条件是：10TEa1,放大器自激。当 Rin0 时，1 时，放大器工作不稳定，1 时绝对稳定：112112* 22112 22
15、SSSSSs（4.3）112112* 11222 11SSSSSl根据 Vds=3V，Id=40mA, ATF-33x143 的 S 参数模型，得出稳定性判别圆图及 系数曲线如下：图 4.1 输入输出稳定性判别圆图中北大学 2007 届毕业设计说明书第 37 页 共 64 页图 4.2 K 定系数及 系数曲线由图可知，工作频段内为潜在不稳定，须附加稳定电路改善其稳定性。(2)电路稳定性改善手段为了改善二端口网络的稳定性，考虑从不稳定原因出发改善稳定性。1)当 Rin1,放大器自激。可以认为不稳定端口存在等效负阻，考虑在不稳in定端口添加串并联电阻补偿负阻（由于串联电阻将产生附加热噪声，输入端口
16、热噪声会被放大，影响电路噪声指标，宜避免在输入端添加串联电阻）14。图 4.3 增加串并联电阻提高稳定性中北大学 2007 届毕业设计说明书第 38 页 共 64 页图 4.4 增加串并联电阻后输入输出稳定性判别圆由图 4.4 可知此时二端口网络处于绝对稳定状态，需要说明的是输出端口虽然通过串联电阻提高了 值，由于其产生附加热噪声及阻抗功率损耗，牺牲了噪声系数和网络增益指标。2)通过增加网络内部负反馈抵消正反馈效应；考虑在 FET 源极添加电感实现串联负反馈。图 4.5 S 极串联反馈电感中北大学 2007 届毕业设计说明书第 39 页 共 64 页图 4.6 S 极串联不同反馈电感后稳定系数曲线由上图可知通过增加串联反馈电感
