CN104104332B - X波段雷达接收机前端有源低噪声混频器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低噪声混频器，具体为一种X波段雷达接收机前端有源低噪声混频器，包括定向耦合器、匹配电路、混频二极管和低通滤波器，射频信号接定向耦合器的一输入端，本振信号接定向耦合器的另一输入端，定向耦合器的两输出端接混频二极管，混频二极管输出端连接匹配电路，匹配电路输出接低通滤波器，所述定向耦合器的两个输出端分别设有一直流偏置电路。该混频器解决了X波段信号在混频处理中出现噪声系数过大的问题，与同类产品相比，本设计具有更小的噪声系数和更小的几何尺寸。

Description

X波段雷达接收机前端有源低噪声混频器

技术领域：

本发明属于微波电路领域，涉及一种低噪声混频器，具体为一种应用于X波段雷达接收机前端的有源低噪声混频器

背景技术：

雷达接收机是雷达系统的重要组成部分，它的主要功能是对雷达天线接收到的微弱信号进行预选、放大、变频、滤波、解调和数字化处理，同时抑制外部的干扰、杂波以及机内噪声，使回波信号尽可能多地保持目标信息，以便进一步进行信号处理和数据处理。

混频器电路一般用于根据本地振荡器(LO)频率，将输入信号从一个频率转换到另一个频率。对于降频转换应用，混频器将高输入频率，变换为低输出频率；对于升频转换应用，输入频率将是低频率信号，输出将是高频率信号。本地振荡器(LO)频率或信号也被认为是参考频率或信号，高射频(RF)频率或信号也被认为是数据频率信号。这些频率转换通过对嵌入在混频器电路的混频器内核进行非线性操作来实现。连同所需的混频输出信号一起，混频器典型地生成其他互调产物和端到端泄漏，这些都被很好地抑制了。在雷达接收机前端系统中，经常需要利用混频器电路将某一射频带内的信号转换至另一中频带。

发明内容：

针对现有X波段雷达接收机前端混频器设计中存在噪声系数过大的不足，本发明提供一种X波段雷达接收机前端有源低噪声混频器的设计方法，工作频率为9.31GHz-9.51GHz（X波段）。该有源混频器解决了X波段信号在混频处理中出现的噪声系数过大的问题，与同类产品相比，本设计具有更小的噪声系数和更小的几何尺寸。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种X波段雷达接收机前端有源低噪声混频器，包括定向耦合器、匹配电路、混频二极管和低通滤波器，射频信号接定向耦合器的一输入端，本振信号接定向耦合器的另一输入端，定向耦合器的两输出端接混频二极管，混频二极管输出端连接匹配电路，匹配电路输出接低通滤波器，所述定向耦合器的两个输出端分别设有一直流偏置电路。

本发明的进一步设计在于，直流偏置电路由直流电源、偏压接入点、微带线和扇形微带线组成，直流电源与偏压接入点连接，偏压接入点另两端口分别与微带线和扇形微带线连接，微带线的另一端接定向耦合器的输出端。

所述微带线长度为1/4波长；扇形微带线的扇形半径为1/4波长，扇形中心角为45-90度。1/4波长为4.75毫米，4.75毫米是以9.41GHz为中心频率时的1/4波长尺寸。

两路直流偏置电路中一路为正向偏置，另一路为反向偏置。

正向偏置中直流电源正极与偏压接入点连接，负极接地；反向偏置中直流电源负极与偏压接入点连接，正极接地。

两路直流偏置电路中直流电源分为+2V和-2V。

与现有技术相比，本发明发明具有如下优点：

（1）本发明通过对基板与混频二极管的选择，并且创新性地添加了正负直流偏置电路，提高二极管的初始偏置，使得所述的混频器具有较好的性能参数，如降低混频器的噪声系数(NF<5dB)和改善变频损耗（GonvGain<5dB）。

（2）本发明有源低噪声混频器具有较小的几何尺寸和可调试性强的特点，实际尺寸为30mm*31mm，可用于对应频段的船舶导航雷达接收机中，便于产品的量产。

附图说明:

下面结合附图以及实施例对本发明进行进一步阐述：

图1为现有X波段低噪声混频器的电路拓扑图。

图2为现有X波段低噪声混频器的初始电路原理图。

图3为现有X波段低噪声混频器的初始变频损耗与噪声系数的仿真结果示意图。

图4为本发明X波段有源低噪声混频器的第一次修正改动示意图（两路直流偏置电路均正向偏置）。

图5为本发明X波段有源低噪声混频器的第一次修正后电路原理图。

图6为本发明X波段有源低噪声混频器的第一次修正后变频损耗与噪声系数的仿真结果示意图。

图7为本发明X波段有源低噪声混频器第二次修正改动示意图（两路直流偏置电路中一路为正向偏置，另一路为反向偏置）。

图8为本发明X波段有源低噪声混频器第二次修正后的电路原理图。

图9为本发明X波段有源低噪声混频器第二次修正后的变频损耗与噪声系数的仿真结果示意图。

图10为本发明X波段有源低噪声混频器的PCB版图。

图中：①定向耦合器，②匹配电路，③混频二极管，④低通滤波器，⑤直流偏置电路，⑥反向偏置电压⑦焊盘，⑧螺丝孔，⑨偏压接入点，⑩主线路接入点。

具体实施方式：

实施例一：

如图1所示，为本发明X波段低噪声混频器的电路拓扑图。本混频器由定向耦合器、匹配电路、混频二极管和低通滤波器组成。射频信号从定向耦合器的输入端口1加入，本振信号从定向耦合器的另一个输入端口2加入。定向耦合器保证本振端口和信号端口有适当的隔离度，隔离度一般取10dB，耦合度取3dB。定向耦合器至混频管之间有1/4波长阻抗变换器，以完成阻抗匹配，使信号和本振功率等分地加到混频二极管。电路要求混合电路能使射频信号和本振信号都能以等分的功率及90°的相位差加到混频二极管上。

如图2所示，为本发明X波段混频器的初始电路原理图。电路包括定向耦合器①，匹配电路②，混频二极管③，低通滤波器④。

该发明的工作原理为，射频信号由定向耦合器①的一个输入端输入，本振信号由定向耦合器①的另一个输入端输入，定向耦合器的两个输出端接③混频二极管，两路输入信号经过混频二极管后变为60MHz的中频信号，混频二极管接匹配电路②，匹配电路接低通滤波器④，用于筛选60MHz的信号，滤去其他高频率的信号。结合基板参数计算，①中50Ω微带线宽度为1.12毫米，35Ω微带线宽度为1.92毫米。合理选型，③中的混频二极管选取的是HSMS8202型二极管。

如图3所示，为图2所示X波段低噪声混频器的变频损耗与噪声系数。在工作频段内，变频损耗为6.745dB，电路噪声系数为6.911dB。

实施例二：

如图4所示，本发明X波段有源低噪声混频器为了优化性能，降低噪声系数，采用了实施例一上加入直流偏置电路的方法，具体形式为扇形微带线直流偏置电路。⑤为直流偏置电路，该电路由直流电压源，偏压接入点，输入射频信号的四分之一波长微带线以及四分之一波长为半径的扇形微带线组成，直流偏置电压源与偏压接入点⑨连接，偏压接入点⑨处接上四分之一波长微带线和四分之一波长扇形微带线，四分之一波长微带线的另一端⑩接入主电路，主电路上的接入点位于定向耦合器的两个输出端口部位。由于扇形边缘开路，则射频信号转换到偏压接入点⑨为短路，因此对于主电路来说电源部分则视为开路，因此电源部分不会影响⑨处内侧的电路。由于主线路接入点⑩与偏压接入点⑨之间的微带线为四分之一个波长，⑨处的短路在⑩处则视为开路，因此偏置电路在⑩处对于主线路中射频信号的交流特性没有影响。偏置电路中偏置直流电压为2V，四分之一波长为4.75毫米。

如图5所示，本发明X波段有源低噪声混频器在定向耦合器的两个输出端口分别加入正向偏置电路，以起到优化性能的作用。

如图6所示，为本发明X波段有源低噪声混频器第一次修正后的变频损耗与噪声系数。加入了偏置电路的混频器性能得到了明显的优化，从图中可以看到噪声系数从原本的6.9dB下降到5.3dB。

实施例三：

如图7所示，本发明X波段有源低噪声混频器在实施例二基础上第二次修正示意图。修正步骤为，将⑤中其中一个正向偏置电压改为⑥中的反向偏置电压，可以得到更加优化的性能。

如图8所示，为本发明X波段有源低噪声混频器第二次修正后电路原理图，改进地方为将图7中修正后的偏置电路接入定向耦合器下方的输出端口，使整个系统的噪声系数进一步降低。

如图9所示，为本发明X波段有源低噪声混频器第二次修正后的变频损耗与噪声系数。经过采用加入正反向偏置电路的优化方法后，通过采用ADS软件仿真，可以看到噪声系数下降到了5dB以下。

实施例四：

图10所示，为本发明X波段有源低噪声混频器的PCB版图。本发明PCB板为双面印制板，其外围尺寸31mm*30mm，板材为Rogers4003C，板厚为0.508mm，相对介电常数为3.55。阻容器件优选0603封装，保证电路结构紧凑。其中，①为定向耦合器部分，②为匹配电路部分，③为混频二极管放置部分，④为低通滤波器部分。四角各钻有金属屏蔽（腔体）盒的螺丝孔⑧。PCB板留有焊接SMA接头用的焊盘⑦。使用Altium Designer绘图软件将混频器的最终电路绘制成PCB版图，输入输出匹配网络中的的开路支线留有调节余量，在后期实物加工后可根据测试结果进行调整。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种X波段雷达接收机前端有源低噪声混频器，包括定向耦合器、匹配电路、混频二极管和低通滤波器，射频信号接定向耦合器的一输入端，本振信号接定向耦合器的另一输入端，定向耦合器的两输出端接混频二极管，混频二极管输出端连接匹配电路，匹配电路输出接低通滤波器，其特征是：所述定向耦合器的两个输出端分别设有一直流偏置电路，所述直流偏置电路由直流电源、偏压接入点、微带线和扇形微带线组成，直流电源与偏压接入点连接，偏压接入点另两端口分别与微带线和扇形微带线连接，微带线的另一端接定向耦合器的输出端，所述微带线长度为1/4波长；扇形微带线的扇形半径为1/4波长，扇形中心角为45-90度，所述1/4波长为4.75毫米。

2.根据权利要求1所述的混频器，其特征是：两路直流偏置电路中一路为正向偏置，另一路为反向偏置。

3.根据权利要求2所述的混频器，其特征是：正向偏置中直流电源正极与偏压接入点连接，负极接地；反向偏置中直流电源负极与偏压接入点连接，正极接地。

4.根据权利要求2所述的混频器，其特征是：两路直流偏置电路中直流电源分为+2V和-2V。