CN208209902U - 一种w波段宽带分谐波混频结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种W波段宽带分谐波混频结构，包括矩形波导、混频元件、本振匹配滤波电路、减高波导和本振‑中频双工器；设计匹配探针实现减高波导与混频二极管对之间的阻抗匹配，使射频功率尽可能低损耗的耦合至混频二极管上参与混频，接地带线在高频的射频和本振信号频率范围内引入的寄生参量对射频和本振阻抗匹配产生的影响尽可能降低；通过优化设计匹配探针和本振匹配滤波电路，可实现射频端口回波损耗在75GHz～110GHz射频频率范围内大于18dB、本振端口回波损耗在37.5GHz～55GHz本振频率范围内大于10dB的良好阻抗匹配性能。

Description

一种W波段宽带分谐波混频结构

技术领域

本实用新型涉及一种混频器，特别涉及一种W波段宽带分谐波混频结构。

背景技术

随着毫米波和太赫兹技术在雷达、测量及通信等领域的广泛应用，对接收机的变频损耗和噪声系数等指标提出了越来越高的要求。无源混频器使用肖特基二极管实现频率变换功能，需要提供较大功率的本振驱动信号。随着工作频率的升高，大功率本振源的制作难度和成本急剧上升。

W波段分谐波混频技术可实现变频损耗和噪声系数与基波混频器相当的W波段分谐波混频器，同时本振信号频率仅为射频信号频率的一半左右，可有效降低本振信号的实现难度和制作成本，成为低成本方案下实现低变频损耗和低噪声系数毫米波混频器的可行方法。

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，一直是毫米波领域的重要研究课题。随着各系统对工作带宽、发射系统输出功率和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。

现有毫米波混频器主要分为两种，分别是基于有源器件的MMIC混频器和基于肖特基二极管的混合集成混频器。基于有源器件的MMIC混频器的缺点是噪声系数较大，且工作频率受限于半导体器件的截止频率；传统的基于二极管的混合集成混频器的噪声系数与变频损耗相当，缺点是混频器的频率范围、变频损耗和噪声系数等指标与本振和射频信号与二极管间的匹配性能密切相关。

基于HEMT、HBT等有源器件的混频器一般工作在基波混频模式，虽然可以实现射频频率至毫米波频段的频率覆盖，并可以有变频增益，但工作频率受限于半导体器件的截止频率，且噪声系数较大。随着工作频率升高，有源混频器也存在变频损耗和噪声系数指标迅速恶化的缺点。同时，由于必须减小HEMT或HBT半导体结尺寸以提高工作频率，较低的结尺寸也带来了制作难度和成本剧烈增加的固有缺陷。

基于肖特基势垒二极管工艺的窄带毫米波窄带分谐波混频器采用肖特基势垒二极管作为混频元件，本振频率仅为射频频率的一半左右，大大降低了本振信号实现的技术难度和制作成本，具有在工作频率范围内变频损耗和噪声系数与基波混频器相当，且大大低于高次谐波混频器的特点，但传统的分谐波混频器结构需采用带线跨过射频波导实现二极管直流接地，较长的接地带线带来了较大的寄生参量，无法在较宽频率范围内实现良好的射频和本振端阻抗匹配，导致混频器无法在较宽的频率范围内实现低变频损耗和噪声系数指标。

毫米波分谐波混频器原理框图如图1所示，该类型混频器本振信号频率仅为射频信号频率的一半，且变频损耗和噪声系数性能与毫米波基波混频器基本相当。因此可大大降低本振信号实现的技术难度和制作成本。

混频器的变频损耗等于输入混频器的射频信号功率P_rf与输出的中频信号功率P_if的比值，射频功率的损失将直接导致混频器变频损耗指标的恶化。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种实现工作于全波导频段的W波段宽带分谐波混频结构，实现W波段分谐波混频器宽工作频率范围、低变频损耗、低噪声系数等指标。

为实现上述目的，本实用新型采用如下方案：

一种W波段宽带分谐波混频结构，包括矩形波导、混频元件、本振匹配滤波电路、减高波导和本振-中频双工器；

混频元件安装在距矩形波导短路面一定距离的减高波导内，射频信号通过矩形波导输入混频元件；减高波导内还设置有阻抗匹配元件和本振匹配滤波电路，阻抗匹配元件实现减高波导与混频元件之间的阻抗匹配，本振匹配滤波电路实现本振信号与混频元件之间的阻抗匹配；

本振-中频双工器由本振高通滤波电路和中频低通滤波电路构成，本振-中频双工器实现不同频率的本振和中频信号分离传输，本振信号经本振输入端口输入本振-中频双工器中，经本振高通滤波电路滤除带外杂散信号后输入至本振匹配滤波电路，本振匹配滤波电路同时实现对射频信号的短路功能，混频产生的中频信号经本振-中频双工器中的中频低通滤波电路滤除高频杂散分量后，由中频端口输出混频器。

进一步，所述混频元件采用反向并联的混频二极管对。

进一步，所述阻抗匹配元件采用短接地带线和匹配探针，实现减高波导与混频元件之间的宽带阻抗匹配，以使射频功率耦合至混频元件上。

进一步，所述减高波导为矩形波导。

本实用新型所提出的W波段宽带分谐波混频结构具有以下特点与创新：

1工作频带宽：可实现射频工作带宽覆盖整个标准波导频段75GHz～110GHz。

2变频损耗和噪声系数低：采用短接地带线和匹配探针实现射频波导与混频二极管之间的宽带匹配，可降低因阻抗失配导致的射频功率的损耗，因此采用该结构的W波段宽带分谐波混频器具有较低的变频损耗与噪声系数。

3混频产物少：由于采用反向并联的二极管对作为混频元件，奇次谐波混频分量被抵消，混频产物中只包含本振信号的偶次谐波混频产物。

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。

本实用新型的还具有以下特点：

A、采用短接地带线和匹配探针实现射频匹配以在宽频范围内降低射频信号的损耗，使得射频功率尽可能多的耦合至混频二极管上参与混频，同时短接地带线引入的寄生参量对于本振信号影响较小；

B、采用本振匹配滤波电路实现本振良好匹配和防止射频信号向本振通道泄露；

C、采用本振-中频双工器实现不同频率范围的本振和中频信号分离传输。

D、短接地带线、匹配探针和本振匹配滤波电路实现本振和射频阻抗匹配的实现方式，降低功耗。

附图说明

图1为毫米波分谐波混频原理框图

图2a为W波段宽带分谐波混频器结构图

图2b为本振、中频双工电路结构图

图2c为射频、本振匹配结构图

图中：矩形波导1、短接地带线2、混频二极管对3、匹配探针4、本振匹配滤波电路5、矩形波导短路面6、减高波导7、本振-中频双工器8、中频端口9、本振输入端口10、本振高通滤波电路11、中频低通滤波电路12。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图2a所示，本实用新型所采用的W波段宽带分谐波混频器结构，包括矩形波导1、混频元件、本振匹配滤波电路5、减高波导7和本振-中频双工器8。

混频元件采用反向并联的混频二极管对3，射频信号通过标准矩形波导1输入混频二极管对3，混频二极管对3安装在距矩形波导短路面6一定距离的减高波导7内。减高波导7内还设置有阻抗匹配元件和本振匹配滤波电路5，阻抗匹配元件采用短接地带线2和匹配探针4，短接地带线2和匹配探针4实现减高波导与混频二极管对3之间的宽带阻抗匹配，以使射频功率尽可能低损耗的耦合至混频二极管对3上。

如图2b所示，本振信号经本振输入端口10输入到本振高通滤波电路11和中频低通滤波电路12构成的本振-中频双工器8中，本振-中频双工器8实现不同频率的本振和中频信号分离传输。本振信号经本振-中频双工器8中的本振高通滤波电路11滤除带外杂散信号后输入至本振匹配滤波电路5。

如图2c所示，本振匹配滤波电路5实现本振信号与混频二极管对3之间的良好阻抗匹配，以降低阻抗失配引起的本振功率的损失，从而减小混频器对本振功率的需求；本振匹配滤波电路5同时实现对射频信号的短路功能，以防止因射频信号向本振通路泄露引起的变频损耗和噪声系数指标的恶化。混频产生的中频信号经本振-中频双工器8中的中频低通滤波电路12滤除高频杂散分量后，由中频端口9输出混频器。

本实用新型通过使用短接地带线为本振和中频信号提供地回路，同时设计匹配探针实现减高波导与混频二极管对之间的阻抗匹配，使射频功率尽可能低损耗的耦合至混频二极管上参与混频。通过合理设置短接地带线的长度和宽度，可使得接地带线在高频的射频和本振信号频率范围内引入的寄生参量对射频和本振阻抗匹配产生的影响尽可能降低。通过优化设计匹配探针和本振匹配滤波电路，可实现射频端口回波损耗在75GHz～110GHz射频频率范围内大于18dB、本振端口回波损耗在37.5GHz～55GHz本振频率范围内大于10dB的良好阻抗匹配性能。

采用本实用新型所提出的基于短接地带线和匹配探针实现的W波段宽带分谐波混频器工作频率可覆盖75GHz～110GHz频率范围，以二次谐波混频方式工作，在工作频率范围内可实现低于8dB的变频损耗和噪声系数指标。

本实用新型可有效扩展W波段分谐波混频的工作带宽。该技术通过将混频二极管安装在射频波导口内，射频功率直接耦合到混频二极管上。二极管末端通过一段长度很短的带线接地，以降低接地带线寄生参量对分谐波混频工作带宽的影响，同时优化设计匹配探针和本振匹配滤波电路，可实现W波段分谐波混频工作于75GHz～110GHz的宽工作频率范围，并获得较低的变频损耗和噪声系数。

本实用新型可实现射频信号工作频率覆盖75GHz～110GHz的宽频率范围，并同时具有低变频损耗和低噪声系数的优点，解决了现有实现方案的频率覆盖以及高性能指标的问题。通过合理设计短接地带线的宽度和长度，同时对匹配探针和本振匹配滤波电路进行优化设计，以实现在本振和射频宽频率范围内良好的阻抗匹配。该结构具有结构简单易于实现、损耗小、工作频率范围宽的特点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种W波段宽带分谐波混频结构，其特征在于：包括矩形波导(1)、混频元件、本振匹配滤波电路(5)、减高波导(7)和本振-中频双工器(8)；

混频元件安装在距矩形波导短路面(6)一定距离的减高波导(7)内，射频信号通过矩形波导(1)输入混频元件；减高波导(7)内还设置有阻抗匹配元件和本振匹配滤波电路(5)，阻抗匹配元件实现减高波导(7)与混频元件之间的阻抗匹配，本振匹配滤波电路(5)实现本振信号与混频元件之间的阻抗匹配；

本振-中频双工器(8)由本振高通滤波电路(11)和中频低通滤波电路(12)构成，本振-中频双工器(8)实现不同频率的本振和中频信号分离传输，本振信号经本振输入端口(10)输入本振-中频双工器(8)中，经本振高通滤波电路(11)滤除带外杂散信号后输入至本振匹配滤波电路(5)，本振匹配滤波电路(5)同时实现对射频信号的短路功能，混频产生的中频信号经本振-中频双工器(8)中的中频低通滤波电路(12)滤除高频杂散分量后，由中频端口(9)输出混频器。

2.根据权利要求1所述的W波段宽带分谐波混频结构，其特征在于：所述混频元件采用反向并联的混频二极管对(3)。

3.根据权利要求1所述的W波段宽带分谐波混频结构，其特征在于：所述阻抗匹配元件采用短接地带线(2)和匹配探针(4)，实现减高波导(7)与混频元件之间的宽带阻抗匹配，以使射频功率耦合至混频元件上。

4.根据权利要求1所述的W波段宽带分谐波混频结构，其特征在于：所述减高波导(7)为矩形波导。