CN113534056B - 一种宽带毫米波二次谐波混频器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽带毫米波二次谐波混频器，属于雷达射频固态器件领域。该混频器包括本振输入弯曲波导（1）、本振输入减高波导（2）、本振输入短路面（3）、射频输入减高波导（4）、射频输入短路面（5）、射频直流接地（6）、射频波导微带探针过渡（7）、二极管匹配（8）、肖特基平面二极管（9）、本振匹配滤波（10）、本振波导微带探针过渡（11）、中频低通滤波（12）、中频输出（13）和混频电路基板（14）。本发明结构简单精巧、隔离度高、工作频带宽、变频损耗低。有效解决了84 GHz～94 GHz宽频段内低变频损耗实现的问题，保障了W波段高性能、低成本接收机的实现，满足了其高性能测试仪器的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带毫米波二次谐波混频器，属于雷达射频固态器件领域。
背景技术
随着世界迅速发展，无线通信等技术的应用要求系统具有更高的工作频率和更宽的工作带宽，对于拓展接收机的工作频带而言，研制宽频带的通信系统具有非常重要的研究意义。在毫米波的众多波段中，W波段 (75～110 GHz) 是毫米波中一个非常重要频段，其显著特点是具有相当大的带宽。毫米波作为高端频段向亚毫米波扩展的一个过渡频段，其丰富的频谱资源，可广泛应用于无线电通信方向。而在无线电通信系统中，接收机作用是来接收来自各个发射台的信号。接收机包括三个关键组件：天线、混频器和本地振荡器(Local Oscillator, LO)。混频器一般是位于接收机的前端，其技术指标如工作带宽、变频损耗、噪声系数等参数将直接影响到整机性能的发挥。混频器的原理是把来自于发射台的高频已调频率信号，搬移到某一固定的低频中频频带上。因此，性能优越的混频器是人们一直研究的课题。
随着混频器应用的频率不断升高，基波混频器对本振需求越来越高，毫米波波段的混频器本振源制作技术难度大，成本高。伴随平面肖特基二极管技术的逐渐成熟，谐波混频器问世，它利用混频管将本振的偶次或奇次谐波与射频信号混频，减小了对本振频率的需求，谐波混频器表现出尺寸小、低成本等诸多显著优点。现在国内外有众多商用的谐波混频器，但其订购的价格和周期大多难以接受，而在接收机系统的研究中，高昂的订购价格往往会阻碍系统研发与推广应用。
而国内的研究仍然不能达到国外的水平，该领域的研究与应用相对比较落后。由于起步晚、研究方法单一、相关测试设备缺乏等原因，谐波混频器的研制还处在相对落后的情况，毫米波谐波混频器的研制主要是混合集成的方式，且国内谐波混频器也不及国外产品的性能优越。因此，在世界发展迅速的大环境下，为了缩小与西方发达国家的差距，在我国现有的研究基础上，充分利用现有技术条件和潜力，改进竞争力，为发展高性能毫米波谐波混频器的批量生产提供充分的可能性。并且，对于二极管的建模分析方法、新的混频器结构、宽带匹配结构方面还未取得重大突破，因此有关谐波混频器的此类研究成为非常重要的方向。
目前，固态毫米波下变频主要是用GaAs肖特基二极管实现。作为典型的电路设计模型，基于肖特基二极管的毫米波分谐波混频器的无源电路均包含了射频过渡、本振低通滤波器和本振中频双工器。为了追求更高的抑制度，传统高低阻抗结构的滤波器的阶数往往比较高，尺寸比较大，显然，这增加了信号在传输线上的传输损耗。为了获得更大的带宽收益，射频和本振匹配电路往往会比较复杂臃肿。在众多已公开发表的文献和专利中，射频地回路的处理几乎都采用了同一种设计思路，即，反向并联二极管位于射频过渡的右侧，通过四分之一波长线进行接地，因此，其混频器的带宽具有一定的窄带特性。现有技术毫米波分谐波混频器存在的缺陷和不足之处在于，传统的毫米波混频器设计往往是将本振射频探针和匹配分开进行，容易造成最终的混频器结构过长。基片太长一方面会使其越容易碎裂，增加基片的加工和装配难度，另一方面会增加毫米波信号的传输损耗。过于复杂的匹配电路不仅会增减电路尺寸，也会增加电路的损耗，导致变频损耗变大。
有研究人员CN208209902U[P]. 2018.提供一种波段宽带分谐波混频结构，包括矩形波导、混频管、本振匹配滤波电路、减高波导和本振中频双工器，在整个电路中采用了单射频回路，且回路中的地相对于非线性器件距离较远，尺寸较大；同时本振信号滤波单元采用高低阻抗线的谐振单元，带宽和抑止特性相对较差。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明提出了一种宽带毫米波二次谐波混频器，结构简单精巧、隔离度高、工作频带宽、变频损耗低。有效解决了84 GHz～94 GHz宽频段内低变频损耗实现的问题，保障了W波段高性能、低成本接收机的实现，满足了其高性能测试仪器的要求。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种宽带毫米波二次谐波混频器，包括本振输入弯曲波导、本振输入减高波导、本振输入短路面、射频输入减高波导、射频输入短路面、射频直流接地、射频波导微带探针过渡、二极管匹配、肖特基平面二极管、本振匹配滤波、本振波导微带探针过渡、中频低通滤波、中频输出和混频电路基板；其中所述本振输入弯曲波导、本振输入减高波导、本振输入短路面、射频输入减高波导和射频输入短路面顺序连接，所述本振波导微带探针过渡贯穿本振输入减高波导，所述射频波导微带探针过渡贯穿射频输入短路面，所述射频直流接地、射频波导微带探针过渡、二极管匹配、本振匹配滤波、本振波导微带探针过渡、中频低通滤波和中频输出顺序连接且都置于混频电路基板表面，肖特基平面二极管置于二极管匹配上方。
所述混频电路基板为Rogers 5880，厚度为0.127 mm。
所述本振匹配滤波为高低阻抗低通滤波器，且内部包含本振匹配网络。
所述中频低通滤波为一阶紧凑谐振单元低通滤波器。
本发明的有益效果如下：
1、本发明中的本振过渡和本振匹配电路是作为一个整体来进行考虑的，因此，避免了本振匹配电路和本振过渡电路的二次设计，同时也避免了本振匹配电路过渡使用阶梯阻抗变换等冗余电路，精简和简化了电路尺寸，减小了变频损耗。
2、CMRC滤波器结构相对于传统阶梯阻抗滤波器结构长度较短，减少混频器的传输线路的长度，从而降低了信号的传输损耗。通过射频直流接地部分的腔体设计，免除了需要涂抹导电胶的接地方法。本发明采用具有高带外抑制的CMRC低通滤波器，加上波导的截止特性，实现了本振、射频和中频信号的高隔离度。
3、本发明的混频器解决了宽频带和低变频损耗相互制约的矛盾问题，有效解决了84～94 GHz宽频段内低变频损耗实现的问题，保障了84～94 GHz高性能、低成本接收机的实现，满足了84～94 GHz频段高性能测试仪器的要求。
4、本发明的混频器能在毫米波宽频带内实现较低的变频损耗，为毫米波宽频带、高性价比的毫米波宽带接收机提供了解决方案，为高性能的毫米波测试仪器、探测设备奠定了坚实的基础。本发明实现的二次谐波混频器在84～94 GHz段内变频损耗为9～14 dB，损耗较小。
附图说明
图1为本发明的混频电路结构示意图，其中，1本振输入弯曲波导，2本振输入减高波导，3本振输入短路面，4射频输入减高波导，5射频输入短路面，6射频直流接地，7射频波导微带探针过渡，8二极管匹配，9肖特基平面二极管，10本振匹配滤波，11本振波导微带探针过渡，12中频低通滤波，13中频输出，14混频电路基板。
图2为本发明实施的毫米波二次谐波混频电路的变频损耗仿真结果图。
图3为本发明的混频器测试框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种宽带低变频损耗毫米波混频器，包括：射频输入减高波导4，本振输入弯曲波导1，本振输入减高波导2，屏蔽电路腔体和混合传输微带线电路，并且基板底部涂抹导电胶连接至混合电路腔体，其电路工作特征主要为：电路腔体贯穿射频输入减高波导4和本振输入弯曲波导1和本振输入减高波导2，肖特基平面二极管9置于混频电路基板14上表面的射频直流接地6和本振匹配滤波10之间的二极管匹配8上，顺次通过射频波导微带探针过渡7，串联本振匹配滤波10，通过本振波导微带探针过渡11贯穿本振输入减高波导2，串联中频低通滤波12，最后通过中频输出13输出混频信号。基板上表面电路顺序依次为射频直流接地6，射频波导微带探针过渡7，二极管匹配8，肖特基平面二极管9，本振匹配滤波10，本振匹配枝节包含在二极管匹配8的间隙微带线结构中，本振波导微带探针过渡11，中频低通滤波12，中频输出13。射频信号通过标准波导馈入，经射频输入减高波导4和射频波导微带探针过渡7耦合至微带线上，经二极管匹配8后，射频信号加载到肖特基平面二极管9上。由于本振匹配滤波10的存在，射频信号无法泄露到本振端口和中频端口。同样地，本振信号通过标准波导馈入，经本振输入弯曲波导1、本振输入减高波导2和本振波导微带探针过渡11耦合至微带线上，经本振匹配滤波10后，本振信号可以加载到肖特基平面二极管9上。由于中频低通滤波12的存在，本振信号无法泄露到中频端口。并且，由于波导的截止特性，本振信号也不会泄露到射频端口。因此，本振和射频具有良好的隔离度。反向并联肖特基二极管位于射频过渡和本振过渡的中间，并通过射频直流接地6直接接地。特别地，基板的厚度是0.127 mm。
特别地，射频馈入波导为标准波导WR-10；特别地，本振馈入波导为标准波导WR-19；特别地，射频直流接地6避免了银浆涂抹、基片侧壁金属化、金丝键合等方式实现接地，只需将上腔体装配即完成接地。特别地，本振匹配滤波10为高低阻抗低通滤波器，且内部包含了本振匹配网络。特别地，中频低通滤波12为一阶紧凑谐振单元（Compact MicrostripResonant Cell, CMRC）低通滤波器。以上，为本发明的一种优选实施方式，但本发明的保护范围并不受限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明创新构思的前提下所做出的变化或替换，均在本发明的保护范围之内。
如图2所示，在联合仿真中，本振频率固定为45 GHz，本振功率为10 dBm，射频功率为-20 dBm。由图2可以看出，本振频率固定为45GHz时，中频信号在84～94 GHz范围内变频损耗小于12 dB，在89 GHz处有最佳变频损耗7.5 dB。
基于本实施例所述方式设计的84～94 GHz四次谐波混频器测试方案如图3所示，经由四分之一信号源发生器和四倍频器可产生42～45GHz的本振源信号链路；经由六分之一信号源发生器、六倍频器和可调节衰减器构成了84～94 GHz待测的二次谐波混频器的射频信号，配合两种信号，对中频信号用频谱仪进行分析测试。
Claims (3)
1.一种宽带毫米波二次谐波混频器，其特征在于，包括本振输入弯曲波导(1)、本振输入减高波导(2)、本振输入短路面(3)、射频输入减高波导(4)、射频输入短路面(5)、射频直流接地(6)、射频波导微带探针过渡(7)、二极管匹配(8)、肖特基平面二极管(9)、本振匹配滤波(10)、本振波导微带探针过渡(11)、中频低通滤波(12)、中频输出(13)和混频电路基板(14)；其中所述本振输入弯曲波导(1)、本振输入减高波导(2)、本振输入短路面(3)、射频输入减高波导(4)和射频输入短路面(5)顺序连接，所述本振波导微带探针过渡(11)贯穿本振输入减高波导(2)，所述射频波导微带探针过渡(7)贯穿射频输入短路面(5)，所述射频直流接地(6)、射频波导微带探针过渡(7)、二极管匹配(8)、本振匹配滤波(10)、本振波导微带探针过渡(11)、中频低通滤波(12)和中频输出(13)顺序连接且都置于混频电路基板(14)表面，肖特基平面二极管(9)置于二极管匹配(8)上方；
所述本振匹配滤波(10)为高低阻抗低通滤波器，且内部包含本振匹配网络。
2.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波二次谐波混频器，其特征在于，所述混频电路基板(14)为Rogers 5880，厚度为0.127mm。
3.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波二次谐波混频器，其特征在于，所述中频低通滤波(12)为一阶紧凑谐振单元低通滤波器。
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