8mm波段鳍线混频器的研究∗

时间：2024-05-04

张巍葛婷杨鹤猛

（1.南方电网科学研究院有限责任公司广州 510623）（2.南京理工大学电子工程系南京 210094）

（3.天津航天中为数据系统科技有限公司天津 300000）

1 引言

随着通信技术的日益发展，毫米波频段在雷达通信、导弹精确制导、射电天文等系统中的运用逐渐受到重视。现代通信电路系统迫切需要提高可靠性，这就要求毫米波集成电路必须具有体积小、重量轻、频带宽等特点［1］。

混频器作为变频器件，常常在通信系统中对信号实现频率变换。国内外早已对混频器进行了研究。混频器最早由Armstrong 于1924 年成功地研制出［2］。近些年来，有很多关于混频器的研究，比如，宋翔和年夫顺等设计出了一种频率在75GHz～105GHz 的单面对称双鳍线平衡混频器，其变频损耗小于12dB［3］；杨晓帆等研制了一种鳍线悬置微带宽带单平衡混频器，其变频损耗小于9.5dB［4］。由于国内外对于8mm 波段混频器的研究相对较少，因而，对8mm 波段混频器的研究意义重大。在毫米波频段，鳍线具有色散弱、单模频带宽、低损耗、加工简单等特点，常常被用于毫米波电路中。与微带线相比，它还能与矩形主模波导的兼容。并能够像微带线那样在平面电路制作上［5］。

本文设计并制作了一种8mm 波段鳍线混频器，使用M/A-COM 公司生产的MA4E2037 作为混频二极管，电路集成在一块介质基板上，介质材料为F4BM220，其厚度为0.2mm。运用电磁仿真软件Ansoft HFSS和ADS进行仿真设计。

2 混频器的基本原理

混频器是一个三端口网络的变频器件，它通过非线性器件将某一信号的频率变换到另外一频率上。由于混频后会产生各次谐波等其他频率的分量，需要用合适的滤波器将所要频率的信号选取出来，这就是混频器的工作原理。本振源、非线性器件、输入输出电路和滤波电路是混频器的主要组成部分，在毫米波混频器电路中，肖特基势垒二极管常作为其混频元件。

肖特基势垒二极管具有高频性能好、工作稳定和低噪声等优点。其等效电路图如图1 所示。管芯部分可等效为一个由结电容Cj和结电阻Rj并联形成的阻容网络。除此以外，二极管的封装也会引入了一些寄生参量，包括串联电阻Rs、引线电感Ls和管壳的寄生电容Cp，这些寄生参量对于肖特基势垒二极管电性能的影响通常不可忽略。

当二极管的工作状态改变时，Cj的大小也会改变，一般Cj取值在零点零几皮法到一个皮法之间。当二极管两端的电压改变时，结电阻Rj会随之改变。二极管正向导通时，一般Rj只有几欧姆；当二极管反向时，Rj可以达到兆欧姆甚至更高［6］。串联电阻Rs一般呈现极弱的非线性；引线电感Ls很小，一般只有几纳亨；寄生电容Cp很小，一般只有几分之一皮法，它们都会对混频电路的性能造成影响［7］。因此，在设计混频电路时，肖特基势垒二极管的寄生参量需要充分考虑。

实际应用中，二极管一般都有一个截止频率，可以通过下式计算得到：

3 鳍线混频器的设计

本文采用单平衡混频器电路结构设计鳍线混频器，它使用两个二极管作为混频管。与单端混频器相比，它能够改善混频器各端口间的隔离度和混频器的变频损耗。主要运用电磁仿真软件Ansoft HFSS 和ADS 进行仿真设计，采用标准矩波导BJ320分别对本振端口和射频端口进行馈电。

3.1 混频二极管的建模分析

表1 MA4E2037二极管的主要参数

本文选用M/A-COM 公司生产的MA4E2037 作为混频二极管，它是一种梁式引线混频二极管，其尺寸仅为0.26mm×0.21mm。表1 是MA4E2037 的管芯参数，根据式（1）可以计算出该管芯的截止频率大约为2000GHz。

混频二极管MA4E2037的ADS仿真模型如图2所示。一般单只二极管承受的功率大约为10dBm，在ADS中分别设置大信号功率为10dBm，小信号功率为-10dBm。最终得出本振频率在35GHz时二极管的等效阻抗为23-j50Ω。

图2 二极管阻抗的仿真模型

3.2 悬置带线滤波器

相对于微带线，悬置带线具有低损耗、低色和高频等特性，它特别适合工作在高频场合，尤其是毫米波频段，其传输主模与微带线一样，为准TEM模。另外，悬置带线还具有良好的单模传输特性，因而在传输信号的过程中，可以有效地抑制高次模的传输。

在鳍线混频器电路中，由于混频后除了中频信号的存在，还产生了其他各次谐波的分量，为了输出中频，需要设计一个悬置带线低通滤波器取出中频信号，滤除射频（RF）、本振（LO）等其他频率的信号。另外，为了抑制中频信号泄漏到本振端口并且只让本振信号通过，提高鳍线混频器射频（RF）和本振（LO）之间的隔离度，需要设计一个悬置带线带通滤波器。

在设计低通滤波器时，本文选用带内衰减为0.2dB 的等波纹七阶切比雪夫低通滤波器，并且采用阶跃阻抗滤波器结构进行设计，仿真模型如图3所示。通过仿真并优化，最终可以得到悬置带线低通滤波器的仿真结果，如图4 所示。结果表明：滤波器的截止频率为16GHz，通带内衰减为0.2dB，回波损耗大于20dB，插入损耗大于25dB 的频段为30GHz～40GHz。另外，低通滤波器的输入和输出端口的带线阻抗均为50Ω。

图3 低通滤波器HFSS仿真模型

图4 低通滤波器HFSS仿真模型

在设计带通滤波器时，本文选用端耦合悬置带线的结构进行设计，结构简单紧凑，而且制作成本低，易于集成［8］，其仿真模型如图5所示。通过仿真并优化，最终可以得到悬置带线带通滤波器的仿真结果，如图6 所示。结果表明在0～9GHz内，回波损耗小于0.2dB；在30GHz～36GHz 内，回波损耗大于15dB，插入损耗小于0.2dB。

图5 带通滤波器HFSS仿真模型

图6 带通滤波器HFSS仿真模型

3.3 鳍线过渡

在鳍线混频器电路中，为了将矩波导BJ320 端口输入的信号馈到悬置带线上，需要在矩波导和悬置带线间进行过渡［9］。本文在过渡段采用鳍线来实现过渡，鳍线具有低色散、单模频带宽、低损耗等特点。通常人们会采用渐变曲线去实现鳍线过渡，常用的鳍线渐变函数有很多，比如，指数线渐变、抛物线渐变。本文在鳍线渐变段采用正弦平方渐变形式，这就是：其中：w(z)为鳍缝的槽宽，w为鳍缝的最小槽宽，b为矩波导的窄边宽度，L 为过渡段长度。一般过渡段的长度应为λ/4 的整数倍，鳍线过渡段仿真模型如图7 所示。通过仿真优化，可以得到其仿真结果，如图8 所示。可知：在30GHz～40GHz 内，该鳍线过渡的插入损耗小于0.1dB，回波损耗大于25dB。另外，腔体采用矩波导BJ320。

图7 鳍线过渡仿真模型

3.4 单平衡混频器结构

本文设计的鳍线混频器采用单平衡悬置带线结构，如图9 所示。它主要由低通滤波器、带通滤波器、混频二极管、鳍线过渡和射频本振端的馈电波导构成。本振信号由波导馈入到悬置带线上，再通过带通滤波器进入混频二极管；射频信号由波导馈入经鳍线过渡到混频二极管上；中频信号经低通滤波器输出。在此电路中，由于鳍线电场与悬置带线的电场相互正交，这就要求两个混频二极管对射频（RF）信号呈现串联，而对本振（LO）信号呈现并联，使得射频和本振之间相互隔离，因而两个混频二极管必须反向并联于鳍线和悬置带线之间。

图8 鳍线过渡的仿真结果

为了使得射频输入端有良好的回波特性，本文在鳍线过渡段挖掉多个连续凹槽［10］，利用鳍线的不连续性对混频二极管进行阻抗匹配，使得在32GHz～38GHz 内，鳍线混频器射频端口的回波损耗能够大于10dB。

图9 鳍线单平衡混频器结构

4 测试结果

本文所设计的鳍线混频器实物如图10 所示，混频器电路集成在一块厚度为0.2mm，介电常数为2.2 的F4BM220 介质基板上，并使用MA4E2037 作为混频二极管，馈电波导为矩波导BJ320，中频经SMA 接头输出，外形尺寸为56.8mm×33mm×19mm，并将波导到悬置微带的过渡做成可调以保证本振端良好的回波特性。

图10 混频器实物图

混频器各性能指标测试环境如图11 所示，经过检查和调试，本振信号频率为35 GHz，射频功率为-10dBm，本振功率为10dBm时，测得的混频器变频损耗结果如图12 所示。实测结果表明：在32.5GHz～37GHz 射频范围内，变频损耗基本小于10dB。在此次实验中，我们还测得本振端与射频端之间的隔离度大于30dB。

图11 混频器实物图

图12 混频器的变频损耗测试结果