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W波段八次谐波混频器设计解析
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2017-11-14
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1 引言
混频器是微波通信、射电天文学、雷达、等离子物理、遥控、遥感、电子对抗，以及许多微波测量系统中至关重要的部件。在现代通信系统中，毫米波频段通常采用超外差接收机，混频器作为第一级就成为关键部分。由于在毫米波频段，同频段高性能的本振源成本高，技术难度大，采用谐波混频技术是解决此问题的有效途径，只需射频频率1/2、1/4甚至1/8的本振频率即可实现混频。
2 谐波混频器原理
谐波混频主要是利用二极管的非线性得到本振的n（2，4，6……）次谐波和射频混频，再由匹配电路，滤波电路选出所需中频。通常采用反向并联二极管对，它使输出电路中，射频信号只与本振的偶次谐波混频，谐波成分比单管混频减少一半，而幅度却比单管大一倍。奇次本振只在管对内部，输出电路中没有本振的奇次谐波，这样既简化了电路，减少了噪声，同时大大降低了变频损耗。整体电路原理框图如下：
图1 谐波混频原理框图
八次谐波混频器是利用本振的八次谐波与射频信号混频得到中频输出。由于谐波次数较高，电路中需要回收的闲散频率比亚谐波混频器、四次谐波混频器都要多很多，对各滤波匹配结构提出了更加严格的要求。图2是只有反向并联二极管对，没有任何滤波匹配结构时的中频输出端频谱。本振频率12GHz，本振功率12dBm。射频频率94GHz，射频功率-10dBm。中频频率为8*LO-RF=2GHz。
图2 无匹配、滤波时中频端频谱
可见，电路中由二极管非线性产生的谐波分量主要包括：
1）本振的奇次谐波（m4~m7）：36GHz、60GHz、84GHz、108GHz等；
2）射频与偶次本振混频的谐波（m8~m10）：22GHz、46GHz、70GHz等。
为了回收利用这些谐波分量，降低变频损耗，在反向并联二极管管对左右两边各加上两节短截线（如图1）：开路线A对奇次本振都短路，可以回收第一类谐波；短路线D对偶次本振都短路，可以回收第二类谐波（RF≈8LO）；开路线B、C对这些谐波分量也有一定的回收。经过仿真，仅仅加上短截线后变频损耗减少了15dB，具有明显效果。
3 电路设计及仿真
本设计采用RT/duroid 5880 高频基片，基片厚0.127mm，介电常数2.2。二极管选用DMK2308是砷化镓肖特基反向并联二极管管对，它主要应用于20～100GHz，具有低结电容和低串联电阻。
混频器是微波通信、射电天文学、雷达、等离子物理、遥控、遥感、电子对抗，以及许多微波测量系统中至关重要的部件。在现代通信系统中，毫米波频段通常采用超外差接收机，混频器作为第一级就成为关键部分。由于在毫米波频段，同频段高性能的本振源成本高，技术难度大，采用谐波混频技术是解决此问题的有效途径，只需射频频率1/2、1/4甚至1/8的本振频率即可实现混频。
2 谐波混频器原理
谐波混频主要是利用二极管的非线性得到本振的n（2，4，6……）次谐波和射频混频，再由匹配电路，滤波电路选出所需中频。通常采用反向并联二极管对，它使输出电路中，射频信号只与本振的偶次谐波混频，谐波成分比单管混频减少一半，而幅度却比单管大一倍。奇次本振只在管对内部，输出电路中没有本振的奇次谐波，这样既简化了电路，减少了噪声，同时大大降低了变频损耗。整体电路原理框图如下：
图1 谐波混频原理框图
八次谐波混频器是利用本振的八次谐波与射频信号混频得到中频输出。由于谐波次数较高，电路中需要回收的闲散频率比亚谐波混频器、四次谐波混频器都要多很多，对各滤波匹配结构提出了更加严格的要求。图2是只有反向并联二极管对，没有任何滤波匹配结构时的中频输出端频谱。本振频率12GHz，本振功率12dBm。射频频率94GHz，射频功率-10dBm。中频频率为8*LO-RF=2GHz。
图2 无匹配、滤波时中频端频谱
可见，电路中由二极管非线性产生的谐波分量主要包括：
1）本振的奇次谐波（m4~m7）：36GHz、60GHz、84GHz、108GHz等；
2）射频与偶次本振混频的谐波（m8~m10）：22GHz、46GHz、70GHz等。
为了回收利用这些谐波分量，降低变频损耗，在反向并联二极管管对左右两边各加上两节短截线（如图1）：开路线A对奇次本振都短路，可以回收第一类谐波；短路线D对偶次本振都短路，可以回收第二类谐波（RF≈8LO）；开路线B、C对这些谐波分量也有一定的回收。经过仿真，仅仅加上短截线后变频损耗减少了15dB，具有明显效果。
3 电路设计及仿真
本设计采用RT/duroid 5880 高频基片，基片厚0.127mm，介电常数2.2。二极管选用DMK2308是砷化镓肖特基反向并联二极管管对，它主要应用于20～100GHz，具有低结电容和低串联电阻。
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