CN102394568B

CN102394568B - 一种w波段宽带混频器

Info

Publication number: CN102394568B
Application number: CN 201110318157
Authority: CN
Inventors: 林先其; 靳俊叶; 苏鹏; 樊勇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-10-19
Also published as: CN102394568A

Abstract

一种W波段宽带混频器，属于毫米波器件技术领域。本发明在现有的混频器基本结构基础上，采用一些创新性结构特征，在目前的加工精度范围内可以有效拓展混频器的变频带宽，降低变频损耗，增大端口间隔离度。这些创新性结构特征包括：1)本振信号能量耦合结构采用相互交错但不相重叠的非对称耦合结构；2)中频滤波器采用尺寸和开口方向均不相同的三个开口环谐振单元级联而成的低通滤波器；3)中频端采用小尺寸矩形腔屏蔽；4)本振端和射频端增加匹配缝隙和反射金属片等等。

Description

一种W波段宽带混频器

技术领域

本发明属于毫米波器件技术领域，涉及射频带宽跨越整个W波段的毫米波宽带混频器。

背景技术

随着无线通信用户剧增导致微波频谱出现拥挤，加之精密武器系统的发展需求，促使系统工作频率延伸至毫米波频段。毫米波在无线通信领域中的应用被广泛研究，在现代毫米波通信系统中，混频器的性能对整个接收机来说至关重要。因此，对W波段宽带混频器的研究，成为是毫米波技术的一个重要课题。

W波段属于三毫米波的范围，这个频段的电磁波在传播过程中辐射与散射现象明显，所以该波段的器件一般不能暴露在外部环境中，而是需要制作在腔体内部，以减少传输过程中的能量损耗。混频器包含三个端口，即本振输入端口、射频信号输入端口和中频输出端口。能量从波导到混频二极管的传输需要经过一系列的过渡结构，如经过鳍线将电磁波能量从腔体结构过渡到平面电路中，再经过鳍线到槽线、槽线到悬置微带等过渡结构，最终在混频二极管所在位置实现本振与射频的混频。各种过渡结构所采用的形式目前已有较成熟的研究，在相同电路尺寸设计具有最小的反射系数是其研究的重点。为使过渡性能良好，混频器设计者采用的过渡技术是目前研究较多且已发展成熟的结构，同时考虑到各个不连续结构处反射，各种匹配技术被用来达到良好的阻抗匹配。由于传输与过渡及匹配结构的不同，所以混频器的具体实现电路形式也各不相同。

混频器的最终目的是使本振与射频信号良好地加载到混频二极管上，并利用二极管的非线性效应产生变频，同时要保证三个端口之间具有良好的隔离。因此，将本振与射频信号以很小的反射进行传输以及提高端口间隔离度的要求成为混频器设计的关键。随着频率的升高，各种性能良好的电路设计相对复杂，目前，关于微波频段混频器技术研究已经相对较成熟，但毫米波及W频段混频器技术仍有待进一步研究与实践。另外，已有的W波段混频器常常是在该波段的部分频带范围内有较好的性能，而工作频率覆盖整个W波段的宽带混频器还不多见。现有的一种W波段混频器电路结构(见Wei Zhao，Yong Zhang，and MingzhouZhan.“Design and Performance of a W-Band Microstrip Rat-Race Balanced Mixer”.ICMMT 2010Proceedings)，它采用一个传统的具有五个端口的混合环结构和两只DMK2790砷化镓肖特基二极管实现了单平衡混频器。射频信号和本地振荡信号通过波导-微带的对极鳍线过渡结构传输到微带电路，其在频率为90～97GHz的范围内变频损耗小于13.5dB。可见其不仅带宽不够宽而且其性能也不理想。

发明内容

本发明提供一种W波段宽带混频器，通过在各种传输过渡结构中引入匹配结构，使电磁波在不连续处得到良好阻抗匹配，减小电磁波的反射，达到宽带传输的效果；在隔离度方面，中频输出端采用微小腔体来增大对射频与本振的抑制度。该W波段宽带混频器在整个W波段(75-110GHz)内具有变频损耗均小于10dB的良好性能。

本发明技术方案如下：

一种W波段宽带混频器，如图1～3所示，包括印制于介质基片两面、并装配于金属波导腔内的单平衡混频电路；所述单平衡混频电路包括本振信号输入端、射频信号输入端和中频信号输出端，其中本振信号输入端与射频信号输入端相互垂直、而射频信号输入端与中频信号输出端中心线相互重合。本振信号经标准波导口馈入本振信号输入端，依次经介质基片背面的单面对称鳍线过渡结构和槽线结构传输后，由介质基片背面、与槽线结构末端相连的槽线耦合扇形片B2耦合至介质基片正面的微带耦合扇形片B1，最后经介质基片正面的悬置微带线加载到两只反向并联的混频二极管的一端；射频信号经标准波导口馈入射频信号输入端，依次经介质基片正面的单面对称鳍线过渡结构和槽线结构传输后加载到两只反向并联的混频二极管的另一端；混频二极管产生的中频信号依次经介质基片正面的悬置微带线和中频滤波器C后，由中频微带传输线输出。

本发明提供的W波段宽带混频器除具备上述基本特征外，还具有以下部分或全部技术特征：1)介质基片背面的槽线耦合扇形片B2与介质基片正面的微带耦合扇形片B1相互交错但不相重叠，形成非对称耦合结构；2)中频滤波器C为三个开口环谐振单元级联而成的三阶低通滤波器，其三个开口环谐振单元的尺寸和开口方向均不相同、但谐振频点都落在W波段内；3)中频滤波器C和中频微带传输线屏蔽于较本振端和射频端横截面更小的矩形腔体中；4)介质基片背面的单面对称鳍线过渡结构末端加载了一个本振端匹配缝隙A3，介质基片正面的单面对称鳍线过渡结构末端和介质基片正面的槽线结构上各加载了一个射频端匹配缝隙A1；5)靠近本振输入端口的基片正面加载了一个金属片A4，靠近射频输入端口的介质基片背面加载了另一个金属片A2，两个金属片A2和A4的形状可以是矩形或U形。

本发明实质是在本振和射频端引入一些特殊结构以减小电磁波由于阻抗不匹配带来的反射，在中频端采用三阶改进型开口谐振环结构的低通滤波器，并将其放置于截面尺寸较小的腔体中，提高本振与中频、射频与中频的隔离度。

本振(LO)信号由标准矩形波导馈入，首先经过单面对称鳍线结构和槽线结构，然后再由与槽线结构末端相连的槽线耦合扇形片B2耦合至微带耦合扇形片B1，最后由微带耦合扇形片B1经悬置微带线加载到两只混频管上。其中，槽线结构到悬置微带线的能量传输是通过耦合的方式实现的，在本振能量耦合处，介质基片背面是与槽线结构末端相连的槽线耦合扇形片B2，介质基片正面为由悬置微带线向侧边引出的微带耦合扇形片B1，B1与B2相互交错但不相重叠，形成非对称耦合结构。首先，扇形片可以改善阻抗匹配效果减小本振信号反射；其次，如果上下扇形片位置重叠，二者之间会形成“谐振腔”的效果，腔内会产生电磁波谐振使能量束缚在该空间内不能得到良好传输，交错但不重叠的结构避免了“腔”结构的产生，抑制了谐振，同时使两个扇形片占据了更大空间，电磁波有更大的空间可以进行耦合，增大了耦合度；最后，扇形片的结构采用非对称圆弧形状，非对称的结构具有不同尺寸的径向长度，可以在更宽的频带上实现匹配。因此，采用这种空间上交错但不重叠的非对称扇形片提高了本振信号能量的利用率。

为了改善匹配，本发明采用了加载缝隙的支节匹配技术，由于本振(LO)工作频率相对固定，因此只采用了一个本振端匹配缝隙A3，将其加载于基片背面的鳍线过渡结构上；而射频要求在整个W波段均匹配良好，单支节显然不易实现，故在射频(RF)端的介质基片正面单面对称鳍线过渡结构和槽线结构上各加载了一个射频段匹配缝隙A1，以实现在较宽的频带内阻抗匹配良好。调节缝隙的尺寸和位置，可以在不同频段起到阻抗匹配的效果。其原因在于，在过渡结构的衔接处有电路形式的突变，这种不连续性导致电磁波较大的反射，引入缝隙后相当于增加了电容效应，且等效电容值能够随频率而发生变化，在阻抗不连续处起到宽带阻抗匹配的效果，从缝隙处向两侧看过去阻抗匹配较好时能量得到良好传输，而且缝隙的引入并不额外增加电路结构，简便易用，改变缝隙结构的尺寸和位置能够改变最佳匹配频段，可以根据实际所需进行调节。此外，在这两个端口还可以增加额外的金属片，即本振(LO)端介质基片正面的金属片A4和射频(RF)端介质基片背面的金属片A2。金属片的形状可以是矩形或U形，其作用是能够有效降低端口的反射系数。其原因在于，经过二极管非线性混频后会产生各种频率的电磁波，频率低于波导截止频率的电磁波由于波导自身的抑制作用被反射回二极管重新利用；而W波段的频率则可能从波导端口反向传播出去，导致反射系数增大，加入金属片后，该金属片能够对高频电磁波产生强烈的反射，将它们反射回混频器使之重新利用，同时由于金属片尺寸较小，它们对入射波的影响非常小，所以能够保证信号的良好馈入。该金属片也可以采用多种形式，本发明中采用了矩形片A4、U形A2等结构，调节它们的尺寸和位置，可以改变反射最佳频段的位置，在某指定频段内达到最小的端口反射。通过以上两种匹配技术，能够顺利实现本振端良好匹配和射频端在整个W波段内宽带匹配的目标。

在中频输出端，中频滤波器C是一个由三个开口环谐振单元级联而成的三阶低通滤波器，其三个开口环谐振单元的尺寸和开口方向均不相同、但谐振频点都落在W波段内。一个固定尺寸的开口环谐振单元结构可以在其谐振频点上会产生较强的抑制作用，抑制频点及抑制度与环结构的尺寸和开口方向相关，级联若干个不同尺寸的开口环谐振单元可构成若干阶滤波器，就可在较宽的频段内实现高抑制度。在本发明中，通过合理选择三个开口环谐振单元尺寸和开口方向，使它们的谐振频点都落在W波段内；另外，单元之间的连接方式也会对整个滤波器性能产生较大的影响，本发明采用了在相邻两单元间用不在同一直线上的微带线级联，这种错位的微带连接线额外地增加了高低阻抗的滤波效果，增强了整个中频滤波器C的性能，很好地实现了在整个W波段产生高抑制度，从而有效抑制本振与射频信号泄漏到中频输出端，也提高了射频与本振能量的利用率。相比传统的高低阻抗滤波器，这种中频滤波器C能够有效抑制频率较高的本振与射频信号，提高中频与本振、射频的隔离度，性能良好的同时也具有更紧凑、更小型化的结构尺寸，设计过程也十分简便。此外，中频滤波器C被一个具有较小的横截面的矩形腔体屏蔽起来了，中频信号通过低通滤波器传输出去，一方面被包围在腔体中可以减小中频信号的辐射与泄露，降低传输过程中的损耗，另一方面也可以抑制较高频率的电磁波，使高频率的射频与本振电磁波既不能够通过低通滤波器传输出去，也不能够通过矩形腔体传输出去，将这部分能量反射回混频管处而得到重新利用，进一步增大了中频与射频、本振端口的隔离度，降低了变频损耗。

综上所述，本发明的有益效果是：

1.通过一系列创新结构，有效降低了射频和本振端的能量反射，增大电磁能量利用率，通过调节匹配缝隙和金属片的结构形状、尺寸和位置，能够调节匹配频段及带宽，实现了本振和射频端的良好阻抗匹配特性，使在整个W频段内的射频信号都能够良好的传输至二极管发生混频，达到宽带混频的效果。

2.在减小反射的基础上，通过一些结构有效地增大了本振能量的耦合，提高了本振信号的利用率。

3.在中频端口采用效果更好的中频滤波器和小金属腔体结构，有效抑制了高频的本振与射频信号，大大增加了本振与中频、射频与中频的隔离度。

附图说明

图1是本发明提供的W波段宽带混频器中混频电路结构示意图。

图2是本发明提供的W波段宽带混频器中混频电路正面结构示意图。

图3是本发明提供的W波段宽带混频器中混频电路背面结构示意图。

图4是本发明提供的W波段宽带混频器的测试数据曲线。

具体实施方式

图1为本发明的一个具体实施例结构示意图，该宽带混频器电路结构制作在厚度为0.127mm的RT5880基板上。图2是本发明提供的W波段宽带混频器中混频电路正面结构示意图。图3是本发明提供的W波段宽带混频器中混频电路背面结构示意图。

本振端从鳍线过渡结构到槽线结构，在鳍线过渡结构末端的位置处引入了矩形缝隙A3，其对鳍线过渡结构到槽线结构的过渡和槽线结构到微带耦合过渡都产生匹配作用。射频端引入两个矩形缝隙A1，一个是靠近二极管粘接的位置的槽线结构上，能够对二极管产生匹配，另一个是在鳍线过渡结构末端的位置，使鳍线过渡结构与之后的电路匹配，这两个匹配缝隙使在整个射频频段范围内产生尽量小的反射。

在本振端口鳍线过渡位置加入了矩形金属片A4，由于本振是单频信号，用矩形片就可以产生较好的匹配效果。在射频端口加入的是U形金属片A2，由于射频信号频带较宽，采用该结构可以在较宽的频带上得到良好的匹配。

在本振端槽线结构到微带的耦合过渡结构中，槽线结构末端加入槽线耦合扇形片B2，在微带上，加入了非对称的微带耦合扇形片B1，上下两个扇形结构相互交错但不重叠。扇形结构能够分别在槽线和微带端进行匹配，使能量得到良好传输及利用，此外，相互交错但不重叠的结构增大了电磁场能量耦合的空间，能够增大耦合度，而且能够避免“腔”形结构引起的谐振。

中频滤波器C是一个由三个尺寸大小和开口方向均有所不同的开口环谐振单元级联而成的三阶低通滤波器。三个尺寸大小和开口方向均有所不同的开口环谐振单元分别在不同频点上产生抑制，且连接相邻两单元的微带线不在同一直线上，以此来额外增加高低阻抗的低通滤波效果，实现在整个W波段内的高抑制度。这种滤波器比能够产生相同抑制度的传统高低阻抗滤波器的尺寸要小的多。

在中频输出端的滤波器被高0.645mm、宽0.75mm的腔体D屏蔽，可以计算出该腔体的截止频率为200GHz，远远大于W波段的频率，从而有效地抑制了本振与射频信号泄漏到中频输出端，提高了隔离度。

进行实际电路加工和测试，测试本振频率为92.5GHz，输入功率为10dBm，射频输入功率为0dBm，中频端由K接头将信号引出，通过测试，该结构的宽带混频器在整个W波段内变频损耗均在10dB以下，射频在92GHz～97GHz范围内其反射系数S₁₁可以达到-10dB以下，见图4，而且该最佳反射频段可以通过调节端口的匹配结构来改变。

Claims

1.一种W波段宽带混频器，包括印制于介质基片两面、并装配于金属波导腔内的单平衡混频电路；所述单平衡混频电路包括本振信号输入端、射频信号输入端和中频信号输出端，其中本振信号输入端与射频信号输入端相互垂直、而射频信号输入端与中频信号输出端中心线相互重合；本振信号经标准波导口馈入本振信号输入端，依次经介质基片背面的单面对称鳍线过渡结构和槽线结构传输后，由介质基片背面、与槽线结构末端相连的槽线耦合扇形片(B2)耦合至介质基片正面的微带耦合扇形片(B1)，最后经介质基片正面的悬置微带线加载到两只反向并联的混频二极管的一端；射频信号经标准波导口馈入射频信号输入端，依次经介质基片正面的单面对称鳍线过渡结构和槽线结构传输后加载到两只反向并联的混频二极管的另一端；混频二极管产生的中频信号依次经介质基片正面的悬置微带线和中频滤波器(C)后，由中频微带传输线输出；

其特征在于：介质基片背面的槽线耦合扇形片(B2)与介质基片正面的微带耦合扇形片(B1)相互交错但不相重叠，形成非对称耦合结构。

2.根据权利要求1所述的W波段宽带混频器，其特征在于，所述中频滤波器(C)为三个开口环谐振单元级联而成的三阶低通滤波器，其三个开口环谐振单元的尺寸和开口方向均不相同、但谐振频点都落在W波段内。

3.根据权利要求2所述的W波段宽带混频器，其特征在于，所述中频滤波器(C)和中频微带传输线屏蔽于较本振端和射频端横截面更小的矩形腔体中。

4.根据权利要求1、2或3所述的W波段宽带混频器，其特征在于，介质基片背面的单面对称鳍线过渡结构末端加载了一个本振端匹配缝隙(A3)，介质基片正面的单面对称鳍线过渡结构末端和介质基片正面的槽线结构上各加载了一个射频端匹配缝隙(A1)。

5.根据权利要求1、2或3所述的W波段宽带混频器，其特征在于，靠近本振输入端口的基片正面加载了一个金属片(A4)，靠近射频输入端口的介质基片背面加载了另一个金属片(A2)。

6.根据权利要求4所述的W波段宽带混频器，其特征在于，靠近本振输入端口的基片正面加载了一个金属片(A4)，靠近射频输入端口的介质基片背面加载了另一个金属片(A2)。

7.根据权利要求5所述的W波段宽带混频器，其特征在于，所述金属片(A2、A4)的形状为矩形或U形。

8.根据权利要求6所述的W波段宽带混频器，其特征在于，所述金属片(A2、A4)的形状为矩形或U形。