CN103633943B - 一种超宽带混频器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超宽带混频器，包括本振通道的宽边耦合巴伦和宽边耦合带线到平面传输线的过渡段，射频通道的共面波导，中频输出通道以及混频二极管对；本振和射频信号分别经本振和射频通道输入混频二极管进行混频，产生的中频信号经中频通道输出；宽边耦合巴伦，用于实现超宽带本振信号的不平衡到平衡的转换，再将平衡的本振信号经过渡段转换至平面传输线输入混频二极管后产生的中频信号使用金线电感跨过共面波导经微带线输出。采用上述方案，工作频率可覆盖0.01GHz-110GHz的超宽频率范围；在0.01GHz-70GHz频率范围内以基波混频方式工作，可实现低于12dB的变频损耗和噪声系数指标；在70GHz-110GHz频率范围内以三次谐波混频方式工作，可实现低于30dB的变频损耗和噪声系数指标。
Description
技术领域
本发明属于混频器技术领域，尤其涉及的是一种超宽带混频器。
背景技术
混频器作为微波毫米波雷达、制导、通信及测试仪器等系统的重要组成部分，一直是微波毫米波领域研究的重要课题。随着各接收系统对工作带宽、测试灵敏度以及探测距离等指标的要求不断提高，对混频器的带宽、变频损耗和噪声系数也提出了更高的要求。
现有技术中的基于有源器件的MMIC混频器，该类混频器虽然可以实现射频频率至毫米波频段（约50GHz）的频率覆盖，并有变频增益，但噪声系数大是其固有缺陷。而基于肖特基势垒二极管的混合集成工艺实现的混频器,如图1所示，本振信号通过本振巴伦101输入混频二极管堆102，射频信号经射频巴伦103输入混频二极管堆102，混频产生的中频信号经中频通道104输出。-
目前基于肖特基势垒二极管的混合集成工艺实现的宽带混频器一般采用本振和射频巴伦与四个二极管堆实现双平衡混频，这种结构的优点是频率范围只与本振和射频巴伦的带宽有关，但缺点是无法实现更大的工作带宽，且随着频率升高至毫米波频段，变频损耗和噪声系数指标迅速恶化。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种超宽带混频器。
本发明的技术方案如下：
一种超宽带混频器，其中，包括本振通道的宽边耦合巴伦和宽边耦合带线到平面传输线的过渡段，射频通道的共面波导，中频输出通道以及混频二极管对；本振信号和射频信号分别经本振通道和射频通道输入混频二极管对进行混频，产生的中频信号经中频通道输出；所述宽边耦合巴伦，用于实现超宽带本振信号的不平衡到平衡的转换，再将平衡的本振信号经过渡段转换至平面传输线输入混频二极管后产生的中频信号使用金线电感跨过所述共面波导经微带线输出；所述共面波导，用于作为射频通道传输线以在超宽频率范围内降低射频信号的损耗。
所述的超宽带混频器，其中，所述实现超宽带本振信号的不平衡到平衡的转换的步骤为：射频信号通过共面波导输入至两个串联二极管构成的管对的中间引脚上，本振信号由微带线输入，经过宽边耦合巴伦实现不平衡信号到平衡信号的转换。
所述的超宽带混频器，其中，所述过渡段为：将一段具有预定长度的宽边耦合带线正反面分别安装于共面微带线的两根带线上。
所述的超宽带混频器，其中，所述平面传输线为：将所述共面微带线之间的间隙以预定规律变宽作为平面传输的微带线。
所述的超宽带混频器，其中，所述预定长度为本振信号频率四分之一波长。
所述的超宽带混频器，其中，所述预定规律变宽为指数和正弦曲线的组合方式变宽。
所述的超宽带混频器，其中，所述本振通道设置二个隔直电容；所述射频通道设置三个隔直电容；所述隔直电容，用于防止低频的中频信号向本振和射频端口泄漏而损失中频功率。
所述的超宽带混频器，其中，所述宽边耦合巴伦及所述共面波导所采用的传输介质基片均为低损耗的毫米波专用介质基片。
所述的超宽带混频器，其中，所述共面波导特征阻抗设置为50欧姆，用于实现射频端口的良好匹配以及射频信号的低损耗传输。
采用上述方案：
1、工作频带宽：可实现从射频频率到毫米波频率（110GHz左右）的超宽带频率覆盖。
2、噪声系数低：由于采用共面波导与宽边耦合巴伦作为混频器射频与本振信号传输通道，可获得较低的射频通道损耗与高度的本振平衡性，因此，采用该结构的混频器具有较低的变频损耗与噪声系数性能。
3、混频产物少：由于采用串联的二极管对作为混频元件，混频产物中只包含本振信号的奇次谐波混频产物。
4、动态范围大：由于采用双管实现混频，混频器可承受的本振功率比单管混频器增大3dB，相应的混频器动态范围增大3dB。
5、可多种模式工作：由于采用串联的两个二极管作为混频元件，混频器可工作于基波以及三次、五次、七次等奇次混频模式。
6、结构简单，便于安装：各器件安装方式为平面式，本振宽边耦合巴伦装配方式为准平面式。
附图说明
图1为现有技术中基于肖特基势垒二极管的混合集成工艺双平衡混频器的结构示意图。
图2为本发明中宽边耦合巴伦及共面带线结构图。
图3为本发明中共面波导及中频输出金线结构图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明是一种新型的基于共面波导和宽边耦合巴伦的超宽带混频器结构。该结构使用串联的肖特基二极管对作为混频元件，射频信号经共面波导输入至肖特基二极管对，而本振信号经宽边耦合巴伦将超宽带本振信号转换为平衡的两路信号加于肖特基二极管，再与射频信号实现混频，混频产生的中频信号从射频端通过金线电感输出。由于共面波导可在超宽频率内实现低损耗传输，且宽边耦合巴伦易于实现高性能的超宽带不平衡-平衡转换，因此，该方法不但有效解决了混频器的宽带频率覆盖问题，而且大大降低了混频器的噪声系数。根据该技术所研制的超宽带混频器工作频率范围可覆盖射频至毫米波多个频段，并可在超宽频率范围内获得较低的变频损耗与噪声系数。
本发明超宽带混频器的结构形式为：采用宽边耦合巴伦与共面波导构成的混频器基本结构，该结构采用共面波导作为射频通道传输线以在超宽频率范围内降低射频信号的损耗，采用宽边耦合巴伦实现超宽带本振信号的不平衡到平衡的转换，再将平衡的本振信号经过渡段转换至平面传输线输入混频二极管。该结构可适用于从射频频率到毫米波频率。
本发明宽边耦合巴伦到平面传输线的过渡的实现方式：即将一段具有一定长度的宽边耦合带线正反面分别安装于共面微带线的两根带线上，再将共面带线之间的间隙以一定规律变宽变为平面传输的微带线。该结构具有结构简单易于实现，损耗小及频带宽的特点。
本发明所采用的基于共面波导和宽边耦合巴伦的混频结构如图2-图3所示。在该结构中，射频信号通过共面波导6输入至两只串联二极管构成的管对7的中间引脚上。本振信号由微带线输入，经过宽边耦合巴伦1实现不平衡信号到平衡信号的转换，平衡的本振信号再经宽边耦合巴伦至平面的共面带线的过渡转换4，然后经位于同一平面的共面带线5输入二极管对7的另外两个引脚，与射频信号进行混频。混频产生的中频信号使用金线电感9跨过射频共面波导6经微带线[8]输出。本振通道隔直电容2、3和射频通道隔直电容10、11、12的作用为防止低频的中频信号向本振和射频端口泄漏而损失中频功率。
由于共面波导在高频工作时仍具有低损耗传输的特性，本发明使用共面波导作为射频通道传输线，大大降低了传输至混频二极管的射频功率的损失，从而将因射频功率损耗导致的对混频器变频损耗和噪声系数的影响降至最低。通过选择低损耗的毫米波专用介质基片作为传输介质，合理设置共面波导中心带线宽度以及中心带线与接地线之间的缝隙宽度，射频传输通道共面波导可在0.01GHz-110GHz频率范围内实现小于1dB的传输损耗。
合理选择本振通道宽边耦合巴伦渐变函数后，通过合理设置渐变段的长度、宽边耦合带线与平面带线过渡段长度以及两条平面带线的宽度以及间隙宽度，即可实现超宽带本振信号由微带传输的不平衡信号转换为幅度相等、相位相反的两路平衡信号；通过选择低损耗、低色散的专用基片实现超宽带宽边耦合巴伦，再通过合理设置宽边耦合带线到平面传输线过渡段长度和平面带线宽度与间隙宽度，在0.01GHz-70GHz范围内，可实现两路平衡信号输出幅度不平衡度低于0.5dB、相位不平衡度低于8°。
实施例2
在上述实施例的基础上，进一步如图2-图3所示，提供一种超宽带混频器，其中，包括本振通道的宽边耦合巴伦和宽边耦合带线到平面传输线的过渡段，射频通道的共面波导，中频输出通道以及混频二极管对；本振信号和射频信号分别经本振通道和射频通道输入混频二极管对进行混频，产生的中频信号经中频通道输出；所述宽边耦合巴伦，用于实现超宽带本振信号的不平衡到平衡的转换，再将平衡的本振信号经过渡段转换至平面传输线输入混频二极管后产生的中频信号使用金线电感跨过所述共面波导经微带线输出；所述共面波导，用于作为射频通道传输线以在超宽频率范围内降低射频信号的损耗。
上述中，所述实现超宽带本振信号的不平衡到平衡的转换的步骤为：射频信号通过共面波导输入至两个串联二极管构成的管对的中间引脚上，本振信号由微带线输入，经过宽边耦合巴伦实现不平衡信号到平衡信号的转换。
上述中，所述过渡段为：将一段具有预定长度的宽边耦合带线正反面分别安装于共面微带线的两根带线上。所述预定长度为本振信号频率四分之一波长。
上述中，所述平面传输线为：将所述共面微带线之间的间隙以预定规律变宽作为平面传输的微带线。所述预定规律变宽为指数和正弦曲线的组合方式变宽。
上述中，所述本振通道设置二个隔直电容；所述射频通道设置三个隔直电容；所述隔直电容，用于防止低频的中频信号向本振和射频端口泄漏而损失中频功率。
上述中，所述宽边耦合巴伦及所述共面波导所采用的传输介质基片均为低损耗的毫米波专用介质基片。
上述中，所述共面波导特征阻抗设置为50欧姆，用于实现射频端口的良好匹配以及射频信号的低损耗传输。
采用本发明所提出的基于宽边耦合巴伦与共面波导构成的混频器结构实现的超宽带混频器工作频率可覆盖0.01GHz-110GHz的超宽频率范围。在0.01GHz-70GHz频率范围内以基波混频方式工作，可实现低于12dB的变频损耗和噪声系数指标；在70GHz-110GHz频率范围内以三次谐波混频方式工作，可实现低于30dB的变频损耗和噪声系数指标。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种超宽带混频器，其特征在于，包括本振通道的宽边耦合巴伦和宽边耦合带线到平面传输线的过渡段，射频通道的共面波导，中频输出通道以及混频二极管对；本振信号和射频信号分别经本振通道和射频通道输入混频二极管对进行混频，产生的中频信号经中频通道输出；所述宽边耦合巴伦，用于实现超宽带本振信号的不平衡到平衡的转换，再将平衡的本振信号经过渡段转换至平面传输线输入混频二极管后产生的中频信号使用金线电感跨过所述共面波导经微带线输出；所述共面波导，用于作为射频通道传输线以在超宽频率范围内降低射频信号的损耗；
所述实现超宽带本振信号的不平衡到平衡的转换的步骤为：射频信号通过共面波导输入至两个串联二极管构成的管对的中间引脚上，本振信号由微带线输入，经过宽边耦合巴伦实现不平衡信号到平衡信号的转换；所述过渡段为：将一段具有预定长度的宽边耦合带线正反面分别安装于共面微带线的两根带线上；
所述平面传输线为：将所述共面微带线之间的间隙以预定规律变宽作为平面传输的微带线；
所述预定长度为本振信号频率四分之一波长；所述预定规律变宽为指数和正弦曲线的组合方式变宽；
所述本振通道设置二个隔直电容；所述射频通道设置三个隔直电容；所述隔直电容，用于防止低频的中频信号向本振和射频端口泄漏而损失中频功率。
2.如权利要求1所述的超宽带混频器，其特征在于，所述宽边耦合巴伦及所述共面波导所采用的传输介质基片均为低损耗的毫米波专用介质基片。
3.如权利要求1所述的超宽带混频器，其特征在于，所述共面波导特征阻抗设置为50欧姆，用于实现射频端口的良好匹配以及射频信号的低损耗传输。
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