CN204539087U - 一种x波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器 - Google Patents

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徐江山
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Abstract

本实用新型属于雷达工程领域，涉及一种镜像抑制混频器，具体说是一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器，由3dB定向耦合器、环形电桥、单平衡混频器和中频正交耦合器组成；射频信号和镜频干扰信号输入3dB定向耦合器，本振信号输入到环形电桥，单平衡混频器的输入端分别与3dB定向耦合器和环形电桥的输出端连接，所述的中频正交耦合器与单平衡混频器的输出端连接。本实用新型具有如下优点：CMRC低通滤波器的具有宽阻带，高抑制度的特点，提高了本镜像抑制混频器的端口隔离度，减小了整个镜像抑制混频器的几何尺寸；环形电桥取代常用的Wilkinson功分器，消除了Wilkinson功分器中隔离电阻对电路的影响；具有较高的镜像抑制度，较大的动态范围，便于产品的量产。

Description

一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器
技术领域
   本实用新型属于雷达工程领域，涉及一种镜像抑制混频器，具体说是一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器。
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。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。
在大部分的雷达接收机系统中，混频器都是工作在单边带的模式下的，也就是说只有一个边带的信号是有用信号。在这种模式下，混频器输入的射频信号的频率相对于本振频率的镜像位置的频率叫做“镜像频率”。由于镜像频率的存在，镜频也会与本振进行混频，镜频与本振混频产生的噪声干扰信号从中频端口输出会对有用射频信号与本振混频后得到的中频信号的质量产生很大影响，从而导致噪声系数恶化。此外，镜频上会存在一些干扰信号，其与本振信号混频后的中频信号会直接通过后级电路进入到后端信号处理设备中，引起雷达接收机的虚假响应。因此，镜频的噪声和干扰是影响雷达接收机性能的重要因素，所以在设计雷达接收机时，对镜频的抑制是十分必要的。一般情况下可以加一个滤除镜频的带通滤波器在混频器前面，这样可以滤除掉无用的镜频信号。但雷达信号频率往往较高(本设计中船舶雷达工作频率为X波段)，而中频较低(本镜像抑制混频器中频为 60MHz)，要在这种情况下(X波段下，对与有用射频信号相差120MHz的镜频实现较高的抑制度)，实现抑制镜频的带通滤波器比较困难。当然这种情况下可以采用多次变频的方法来降低滤波器实现的难度，但多次变频必然导致电路更加复杂，接收机体积增加。另外，由于磁控管雷达发射机产生的射频信号频率稳定性较差，这也给前置选频滤波器设计带来了困难。
目前的已刊登出来的X波段镜像抑制混频器中的低通滤波器多采用LC低通滤波器或者阶跃阻抗低通滤波器，LC低通滤波器通常适用于频率较低的情况下，LC低通滤波器是由电容与电感构成，电容与电感在X波段也会产生由寄生参数带来的影响，在X波段实际应用中效果不好；而阶跃阻抗低通滤波器可以应用与X波段，但阶跃阻抗低通滤波器的阻带较窄，阻带的抑制度不高，而且体积较大，通常阻带的频率范围约为1-2倍的通带频率范围，因此阶跃阻抗低通滤波器对于2fRF、2fLO等频率的信号不能有很好的抑制作用。此外目前镜像抑制混频器基本都采用Wilkinson功分器作为本振功率分配单元，在X波段频率较高，Wilkinson功分器中的隔离电阻会对电路产生很大的影响。
实用新型内容
本实用新型的技术目的在于克服上述问题，提供一种能识别输入信号是有用信号还是镜频噪声信号，从而抑制镜频干扰并输出有用中频信号，且具有较大的镜像抑制度、较大的端口隔离度和更小的几何尺寸的X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器。
为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器，其特征在于，由3dB定向耦合器、环形电桥、单平衡混频器和中频正交耦合器组成；射频信号和镜频干扰信号输入3dB定向耦合器，本振信号输入到环形电桥，单平衡混频器的输入端分别与3dB定向耦合器和环形电桥的输出端连接，所述的中频正交耦合器与单平衡混频器的输出端连接。
前述的一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器，所述的单平衡混频器为2个，射频信号和镜频干扰信号输入3dB定向耦合器后分别向两个单平衡混频器输入两组大小相等、相位相差900的射频信号和镜频干扰信号；本振信号输入到环形电桥后分别产生两组大小、相位相同的本振信号输入到两个单平衡混频器；两个单平衡混频器输出的中频信号送入到中频正交耦合器，最后由中频正交耦合器的输出端口输出有用中频信号。
前述的一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器，单个单平衡混频器由耦合器、混频二极管对、CMRC低通滤波器构成，所述的单平衡混频器中的3dB定向耦合器一个输入端口与分配射频信号的3dB定向耦合器的输出端连接，另一输入端口与分配本振信号的环形电桥连接；单平衡混频器中的3dB定向耦合器通过相应的匹配电路与混频二极管对连接，信号由耦合器传递至混频二极管对再传递至CMRC低通滤波器。
前述的一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器，射频信号与镜频干扰信号从3dB定向耦合器的同一个输入端口输入。
前述的一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器，所述的3dB定向耦合器作为射频输入功率分配单元，环形电桥作为本振功率分配单元。
前述的一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器，所述的3dB定向耦合器和环形电桥均由微带线组成。
前述的一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器，所述的匹配电路采用枝节匹配。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
（1）本实用新型专利中的单平衡混频器中的低通滤波器采用CMRC低通滤波器，CMRC低通滤波器的具有宽阻带，高抑制度的特点，提高了本镜像抑制混频器的端口隔离度(RF-IF、LO-IF隔离度均优于50dB)；CMRC低通滤波器体积较小，减小了整个镜像抑制混频器的几何尺寸。
（2）本实用新型专利本振功率分配单元采用微带环形电桥取代常用的Wilkinson功分器，消除了Wilkinson功分器中隔离电阻对电路的影响。
（3）本实用新型专利具有较高的镜像抑制度（优于30dB）。
（4）本实用新型专利具有较大的动态范围（优于100dB）。
（5）本实用新型专利所述的镜像抑制混频器具有较小的几何尺寸，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
图1为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的电路拓扑图。
图2为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的3dB定向耦合器HFSS模型。
图3为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的环形电桥HFSS模型。
图4为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的单平衡混频器无源部分HFSS模型，其中图4前半部分为耦合器与匹配电路的HFSS模型，后半部分为CMRC低通滤波器与匹配电路的HFSS模型，中间标注6的地方用于焊接混频二极管对；
图5为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的无缘部分整体HFSS模型；
图6为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的单平衡混频器电路图。
图7为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器中频正交耦合器电路图。
图8为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的电路图。
图9为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器端口隔离度仿真结果示意图。
图10为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的变频损耗仿真结果示意图(中频为60MHz不变)。
图11为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的镜频变频损耗仿真结果示意图。
图12为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的动态范围仿真结果示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实现的技术方案、技术特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。
本实用新型在Rogers4003C基板上设计一种X波段镜像抑制混频器电路，主要包括：作为射频输入功率分配单元的3dB定向耦合器，作为本振功率分配单元的环形电桥，以及单平衡混频器、中频正交耦合器。所述的3dB定向耦合器由微带线组成。所述的环形电桥由微带线组成。所述的单平衡混频器由3dB定向耦合器及匹配电路、混频PIN二极管对、CMRC低通滤波器及匹配电路组成，匹配电路采用枝节匹配。
   如图1所示，为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的电路拓扑图。本镜像抑制混频器由3dB定向耦合器、环形电桥、单平衡混频器、中频正交耦合器、匹配电路、混频二极管对等部分组成。射频信号fRF与镜频干扰信号fIM从定向耦合器的一个输入端口输入。射频信号和镜频干扰信号输入3dB定向耦合器后，在两个单平衡混频器输入口输入两组大小相等，相位相差900的射频信号和镜频干扰信号；本振信号fLO输入到环形电桥分别产生两组大小、相位相同的本振信号输入到两个单平衡混频器；两个单平衡混频器输出的中频信号送入到中频正交耦合器；最后由中频正交耦合器一端口输出中频信号。
如图2所示，为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的3dB定向耦合器，将3dB定向耦合器在HFSS中建模并仿真，并导出S参数。
如图3所示，为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的环形电桥，将环形电桥在HFSS中建模并仿真，并导出S参数。
如图4所示，为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的单平衡混频器无源部分HFSS模型，将版图模型在HFSS里进行仿真，并导出S参数，将该部分S参数导入到ADS中，如图6所示的单平衡混频器仿真电路图中虚线方框中的e为图4前半部分的S参数，虚线方框g为图4后半部分的S参数。
如图5所示，图5为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器微带线部分的HFSS模型。可以从图中看到本X波段镜像抑制混频器各组成部分的所在位置，虚线方框a为3dB定向耦合器，对应于图2；虚线方框b和c为单平衡混频器，对应于图4；虚线方框d为环形电桥，对应于图3.
如图6所示，图中为单个单平衡混频器电路图，图中虚线方框e为3dB定向耦合器耦合器及相应匹配电路的S参数（对应HFSS模型为图4前半部分）、虚线方框f为混频二极管对、虚线方框g为CMRC低通滤波器及相应匹配电路的S参数（对应HFSS模型为图4后半部分）。
如图7所示，为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的中频正交耦合器的电路图，采用LC电路实现，主要用于两路单平衡混频器混频后的中频信号的合成。
如图8所示，为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器的电路图，图中虚线方框h为3dB定向耦合器，虚线方框i、k为单平衡混频器，虚线方框l为环形电桥，虚线方框m为中频正交耦合器；标注in的地方为射频信号输入端口，标注out的地方为混频后得到的中频信号输出端口，3dB定向耦合器的隔离端口与中频合路器的隔离端口分别接50Ω负载电阻，对应于图1中的R。
本实用新型专利PCB板为双面印制板，板材为Rogers4003C，板厚为0.508mm，相对介电常数为3.55。经计算，①50Ω微带线宽度为1.12毫米，35Ω微带线宽度为1.89毫米。合理选型，③二极管选取的是HSMS8202型二极管对。
如图9所示，为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器端口隔离度仿真结果。在工作频段内，RF-IF、LO-IF隔离度均优于50dB，LO-RF、RF-LO隔离度均优于20dB。
如图10所示，为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器变频损耗仿真结果。在中频为60MHz的情况下，在工作频带内，变频损耗小于8dB。
如图11所示，为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器镜频变频损耗仿真结果。镜频干扰信号在60MHz带宽变频损耗均大于38dB；镜像抑制度等于射频信号的变频损耗减去镜频干扰信号的变频损耗，由此可以看出本镜像抑制混频器镜像抑制度优于30dB。
如图12所示，为本实用新型专利X波段镜像抑制混频器动态范围仿真结果。由图上可以看出本镜像抑制混频器动态范围优于100dB。
本实用新型专利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。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器，其特征在于，由3dB定向耦合器、环形电桥、单平衡混频器和中频正交耦合器组成；射频信号和镜频干扰信号输入3dB定向耦合器，本振信号输入到环形电桥，单平衡混频器的输入端分别与3dB定向耦合器和环形电桥的输出端连接，所述的中频正交耦合器与单平衡混频器的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器，其特征在于，所述的单平衡混频器为2个，射频信号和镜频干扰信号输入3dB定向耦合器后分别向两个单平衡混频器输入两组大小相等、相位相差900的射频信号和镜频干扰信号；本振信号输入到环形电桥后分别产生两组大小、相位相同的本振信号并输入到两个单平衡混频器；两个单平衡混频器输出的中频信号送入中频正交耦合器，最后由中频正交耦合器的输出端口输出有用中频信号。
3.根据权利要求1所述的一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器，其特征在于，单个单平衡混频器由3dB定向耦合器、混频二极管对、CMRC低通滤波器、匹配电路构成，所述的单平衡混频器中的3dB定向耦合器一个输入端口与分配射频信号的3dB定向耦合器的输出端连接，另一输入端口与分配本振信号的环形电桥连接；单平衡混频器中的3dB定向耦合器通过相应的匹配电路与混频二极管对连接，信号由3dB定向耦合器传递至混频二极管对再传递至CMRC低通滤波器。
4.根据权利要求2所述的一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器，其特征在于，射频信号与镜频干扰信号从3dB定向耦合器的同一个输入端口输入。
5.根据权利要求1所述的一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器，其特征在于，所述的3dB定向耦合器作为射频输入功率分配单元，环形电桥作为本振功率分配单元。
6.根据权利要求2或3所述的一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器，其特征在于，所述的3dB定向耦合器和环形电桥均由微带线组成。
7.根据权利要求3所述的一种X波段船舶雷达接收机前端镜像抑制混频器，其特征在于，所述的匹配电路均采用枝节匹配。
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