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U波段鳍线单平衡混频器的设计方案解析
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2017-11-14
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1 引言
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。
2 二极管的变频损耗
变频损耗是混频器最重要的技术指标。一般混频器的变频损耗包括三个部分：
（1）
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。
在本振充分激励二极管的情况下，变频损耗除去L1的部分可以近似表示为
（2）
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
（3）
应用公式（2）计算得，在工作频率为45 GHz 时，二极管的最小变频损耗约为5.5 dB。
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。
表1 DMK2790的SPICE参数
Is
AmpRs
WnTD
SCJ0
pFM
0.5E-1241.051E-110.050.26
EG
eVVJ
eVFCBv
VISV
A
1.430.8220.54.01E-05
3 鳍线混频器结构一
第一种鳍线混频器的电路结构如图1所示，为鳍线共面线结构。在该结构中，鳍线和共面线构成的180o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，为了减小鳍线口的反
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。
2 二极管的变频损耗
变频损耗是混频器最重要的技术指标。一般混频器的变频损耗包括三个部分：
（1）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。
在本振充分激励二极管的情况下，变频损耗除去L1的部分可以近似表示为
（2）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
（3）应用公式（2）计算得，在工作频率为45 GHz 时，二极管的最小变频损耗约为5.5 dB。
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。
表1 DMK2790的SPICE参数
Is
AmpRs
WnTD
SCJ0
pFM
0.5E-1241.051E-110.050.26
EG
eVVJ
eVFCBv
VISV
A
1.430.8220.54.01E-05
3 鳍线混频器结构一
第一种鳍线混频器的电路结构如图1所示，为鳍线共面线结构。在该结构中，鳍线和共面线构成的180o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，为了减小鳍线口的反
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