CN105071776B - 低本振功率谐波混频器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种低本振功率谐波混频器，其包括混频二极管直流偏置电路以及低损耗本振中频双工器；其中，所述混频二极管直流偏置电路包括：两只二极管结组成的二极管对(2)、呈对称结构的2个低损耗薄膜电容(6)，由对称结构的2个去耦电容(3)、2个平板电容(4)和2个高容值宽带电容(5)组成的直流去耦滤波电路以及直流电阻偏置网络(11)；所述低损耗本振中频双工器包括顺次连接的本振匹配滤波器(10)、本振输入波导(8)至悬置带线波导探针过渡电路(9)、以及中频低通滤波器(7)；本发明可在低本振功率条件下实现低变频损耗和噪声系数性能，解决了现有方案技术指标和本振倍频链路制作难度和成本的问题。

Description

低本振功率谐波混频器

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种低本振功率谐波混频器。

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，一直是毫米波和太赫兹领域的重要研究课题。随着各系统对工作带宽、接收系统接收灵敏度以及探测距离等指标的要求不断提高，对混频器的变频损耗和噪声系数也提出了更高的要求。工作于微波、毫米波和太赫兹低端频率的混频器主要有基于MMIC工艺的有源混频器和基于混合集成电路工艺的肖特基势垒二极管混频器两种。工作于毫米波频段的有源MMIC混频器采用有源器件HEMT或HBT作为混频元件，可与本振或射频放大器集成，并可实现变频增益。但其工作频率受限于半导体器件的截止频率、电路结构复杂，且随着频率升高，有源混频器也存在变频损耗和噪声系数指标迅速恶化、制作难度和成本急剧增加的固有缺陷。目前商用MMIC混频器产品可以实现射频频率至毫米波频段(约50GHz)的频率覆盖，50GHz以上产品多工作在较窄频率范围。基于肖特基势垒二极管的谐波混频器原理框图如图1和图2所示，该类型谐波混频器具有易于实现宽带工作的特点，由于采用串联或反向并联二极管对作为混频元件，其中频输出电流包含本振奇次或偶次谐波频率分量与射频频率分量的组合产物。该类型谐波混频器由于需要足够高的本振功率才能产生所需要的谐波分量与射频信号混频，根据傅里叶展开原理，混频器谐波次数越高，产生的本振信号谐波分量功率越小，变频损耗越大。为降低谐波混频器变频损耗，谐波次数应尽可能低，但低谐波次数意味着本振频率的升高，本振的制作难度和成本随之急剧升高。随着混频器工作频率升高至毫米波频率高端和太赫兹频段，该类型混频器因本振功率不足导致变频损耗和噪声系数指标迅速恶化。

发明内容

本发明的目的是通过低本振功率谐波混频器技术有效降低混频器对本振功率的需求，从而可在较低本振功率驱动条件下实现较低的变频损耗指标，在低本振功率下实现接收机低噪声系数、高接收灵敏度。

为达上述目的，本发明实施例提供了一种低本振功率谐波混频器，其包括：

一种低本振功率谐波混频器，其特征在于，包括混频二极管直流偏置电路以及低损耗本振中频双工器；其中，

所述混频二极管直流偏置电路包括：两只二极管结组成的二极管对(2)、呈对称结构的2个低损耗薄膜电容(6)，由对称结构的2个去耦电容(3)、2个平板电容(4)和2个高容值宽带电容(5)组成的直流去耦滤波电路以及直流电阻偏置网络(11)；所述电容(6)、(3)、(4)、(5)之间使用金线互联；

所述二极管对(2)位于射频输入波导(1)口内；

所述二极管对(2)中间焊盘安装在本振上输入端带线上，两侧焊盘分别安装在所述2个低损耗薄膜电容(6)下电极上，并与所述2个去耦电容(3)使用金线互联；

低损耗薄膜电容(6)上电极与所述射频输入波导(1)上腔体连接；

电阻直流偏置网络(11)分别与两个高容值宽带电容(5)互联；

所述低损耗本振中频双工器包括顺次连接的本振匹配滤波器(10)、本振输入波导(8)至悬置带线波导探针过渡电路(9)、以及中频低通滤波器(7)。

其中，

所述本振输入波导(8)为标准矩形波导，用于将108GHz-168GHz的宽频带本振信号接入，经波导探针过渡电路(9)低损耗的过渡至悬置带线传输模式。

其中，

所述本振匹配滤波器(10)用于实现悬置带线与混频二极管之间的阻抗匹配，降低因阻抗失配引起的本振功率损失，然后输入混频二极管参与混频。

其中，

所述本振匹配滤波器(10)用于将混频二极管上产生的本振谐波功率反射回二极管继续参与混频。

其中，

所述中频低通滤波器(7)用于阻止本振信号向中频端口泄漏。

其中，

所述低损耗本振中频双工器使用单片的硬质微带电路制作。

其中，

所述电阻直流偏置网络(11)用于将输入的偏置电压Vin转换为组成二极管对(2)的两只肖特基二极管结偏置电压V+和V-。

上述技术方案具有如下有益效果：

与现有技术相比，本发明提出的325GHz-500GHz低本振功率谐波混频技术可在低本振功率条件下实现低变频损耗和噪声系数性能，解决了现有方案技术指标和本振倍频链路制作难度和成本的问题。本发明所提出的电路也可适用于其他标准矩形波导频段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是奇次谐波混频原理框图；

图2是偶次谐波混频器原理框图；

图3是本发明低本振功率谐波混频器的结构示意图；

图4是本发明电阻直流偏置网络的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

325GHz～500GHz频段太赫兹谐波混频器现有产品基于肖特基势垒二极管实现，主要有分谐波混频器和高次谐波混频器两种。325GHz～500GHz高次谐波混频器本振频率低于40GHz，具有本振易于实现、成本较低的优点，缺点是变频损耗和噪声系数大。325GHz～500GHz分谐波混频器具有优异的变频损耗和噪声系数指标，但需要提供较大功率的162GHz～250GHz本振信号，本振倍频链路实现极为困难且成本高昂。

本发明通过对太赫兹混频技术的深入分析和研究，提出了一种新型的太赫兹低损耗谐波混频技术，可有效降低谐波混频器对本振功率的需求。采用该技术实现的325GHz-500GHz谐波混频器使用串联二极管对作为混频元件，工作于三次谐波混频模式，本振频率108GHz～168GHz，此频段本振倍频链路较为成熟且成本相对较低。同时，串联二极管对易于增加直流偏置，从而降低谐波混频器对本振功率的需求，使得本振通路的制作难度和成本大大降低。

因此，采用该技术制作的325GHz-500GHz低本振功率谐波混频器可在较低本振功率条件下实现低变频损耗和低噪声系数指标，可更好的满足各接收系统的要求。同时由于需求的本振功率较低，本振倍频链路制作难度和成本大大降低。

以下将通过具体实例对本发明进行进一步阐释：

实施例一

图3是本发明低本振功率谐波混频器的结构图，如图所示，包括混频二极管直流偏置电路以及低损耗本振中频双工器；其中，二极管对两侧焊盘所连接电路完全对称，具体结构包括：两只二极管结组成的二极管对(2)、呈对称结构的2个低损耗薄膜电容(6)，由对称结构的2个去耦电容(3)、2个平板电容(4)和2个高容值宽带电容(5)组成的直流去耦滤波电路以及直流电阻偏置网络(11)；所述电容(6)、(3)、(4)、(5)之间使用金线互联；

所述二极管对(2)位于射频输入波导(1)口内，射频信号可直接耦合到二极管对上，从而可减少因电路过渡带来的射频功率损失；本振和中频信号经低损耗本振中频双工器实现分离传输，同时应用直流偏置技术降低混频二极管对本振功率的需求，在较低本振功率条件下实现325GHz-500GHz三次谐波混频器低变频损耗工作特性。

所述二极管对(2)中间焊盘安装在本振上输入端带线上，两侧焊盘分别安装在所述2个低损耗薄膜电容(6)下电极上，并与所述2个去耦电容(3)使用金线互联；

低损耗薄膜电容(6)上电极与所述射频输入波导(1)上腔体连接；

图4是本发明电阻直流偏置网络的电路结构示意图，如图所示，电阻直流偏置网络(11)用于将输入的偏置电压Vin转换为组成二极管对(2)的两只肖特基二极管结偏置电压V+和V-；电阻直流偏置网络(11)分别与两个高容值宽带电容(5)互联，从而实现对二极管的直流偏置，降低混频器对本振功率的需求。

所述低损耗本振中频双工器包括顺次连接的本振匹配滤波器(10)、本振输入波导(8)至悬置带线波导探针过渡电路(9)、以及中频低通滤波器(7)。

其中，

所述本振输入波导(8)为标准矩形波导，用于将108GHz-168GHz的宽频带本振信号接入，经波导探针过渡电路(9)低损耗的过渡至悬置带线传输模式。

其中，

所述本振匹配滤波器(10)用于实现悬置带线与混频二极管之间的阻抗匹配，降低因阻抗失配引起的本振功率损失，然后输入混频二极管参与混频。

其中，

所述本振匹配滤波器(10)用于将混频二极管上产生的本振谐波功率反射回二极管继续参与混频。

其中，

所述中频低通滤波器(7)用于阻止本振信号向中频端口泄漏；

其中，

所述低损耗本振中频双工器使用单片的硬质微带电路制作，可减小因电路互联引起的本振功率损失。

与现有技术相比，本发明提出的325GHz-500GHz低本振功率谐波混频技术可在低本振功率条件下实现低变频损耗和噪声系数性能，解决了现有方案技术指标和本振倍频链路制作难度和成本的问题。本发明所提出的电路也可适用于其他标准矩形波导频段。

具体的：

本发明实施例采用了低损耗本振中频双工器技术，低损耗本振双工器主要实现本振信号和中频信号的分离传输，实现本振信号由波导传输模式到易于和二极管互联的悬置带线传输模式的转换，本振匹配滤波电路对悬置带线和二极管进行阻抗匹配，从而减小因阻抗失配引起的本振功率损失；

本发明实施例采用了射频信号直接耦合技术，二极管安装在射频波导口内，射频信号直接耦合到两只肖特基二极管结上，从而减小因射频电路过渡引起的射频功率损失导致的变频损耗的恶化；

本发明实施例采用了二极管直流偏置技术，使用薄膜电容实现射频信号接地与直流偏置的分离，射频波导与薄膜电容上电极连接，直流偏置通过薄膜电容下电极与肖特基二极管互联，避免因直流偏置引入带来的射频和本振功率的损失。优化设计薄膜电容的容值和形状，使得在射频和本振频率范围内具有平坦的频率响应。采用由不同容值的平板电容和贴片电容构成的直流去耦滤波电路滤除直流偏置携带的杂波信号，降低直流偏置携带的杂波信号对混频性能的影响，同时阻止低频的中频信号向直流偏置网络泄漏。

本发明实施例采用采用薄膜电容实现射频信号与直流偏置的分离，射频波导与薄膜电容上电极连接，直流偏置通过薄膜电容下电极与肖特基二极管互联。采用由不同容值的平板电容和贴片电容构成的直流去耦滤波电路滤除直流偏置携带的杂波信号，同时阻止低频的中频信号向直流偏置网络泄漏。该结构具有结构简单易于实现、成本低、易于实现宽带工作的特点。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低本振功率谐波混频器，其特征在于，包括混频二极管直流偏置电路以及低损耗本振中频双工器；其中，所述混频二极管直流偏置电路包括：两只二极管结组成的二极管对(2)、呈对称结构的2个低损耗薄膜电容(6)，由对称结构的2个去耦电容(3)、2个平板电容(4)和2个高容值宽带电容(5)组成的直流去耦滤波电路以及直流电阻偏置网络(11)；所述电容(6)、(3)、(4)、(5)之间使用金线互联；所述二极管对(2)位于射频输入波导(1)口内；所述二极管对(2)中间焊盘安装在本振上输入端带线上，两侧焊盘分别安装在所述2个低损耗薄膜电容(6)下电极上，并与所述2个去耦电容(3)使用金线互联；低损耗薄膜电容(6)上电极与所述射频输入波导(1)上腔体连接；电阻直流偏置网络(11)分别与两个高容值宽带电容(5)互联；所述低损耗本振中频双工器包括顺次连接的本振匹配滤波器(10)、本振输入波导(8)至悬置带线波导探针过渡电路(9)、以及中频低通滤波器(7)。

2.根据权利要求1所述的混频器，其特征在于：所述本振输入波导(8)为标准矩形波导，用于将108GHz-168GHz的宽频带本振信号接入，经波导探针过渡电路(9)低损耗的过渡至悬置带线传输模式。

3.根据权利要求1所述的混频器，其特征在于：所述本振匹配滤波器(10)用于实现悬置带线与混频二极管之间的阻抗匹配，降低因阻抗失配引起的本振功率损失，然后输入混频二极管参与混频。

4.根据权利要求1所述的混频器，其特征在于：所述本振匹配滤波器(10)用于将混频二极管上产生的本振谐波功率反射回二极管继续参与混频。

5.根据权利要求1所述的混频器，其特征在于：所述中频低通滤波器(7)用于阻止本振信号向中频端口泄漏。

6.根据权利要求1所述的混频器，其特征在于：所述低损耗本振中频双工器使用单片的硬质微带电路制作。

7.根据权利要求1所述的混频器，其特征在于：所述电阻直流偏置网络(11)用于将输入的偏置电压Vin转换为组成二极管对(2)的两只肖特基二极管结偏置电压V+和V-。