U波段鳍线单平衡混频器的设计解析

1 引言

毫米波集成电路具有体积小、重量轻、频带宽等优点，已广泛应用在通信、精确制导、雷达、射电天文等技术领域。其中U波段所指的频率范围为40～60 GHz，大气对该频段的电磁波具有很强吸收特性，因此这个频段一般被用于多路分集的隐蔽网络和系统。在毫米波频段，由于鳍线避免了矩形波导所要求的严格机械加工公差，并具有微带线那样的平面电路制作上的优点，因此被广泛使用。

本文介绍了两种U波段鳍线混频器的设计和性能。使用的二极管为Alpha公司的DMK2790，电路制作在一块厚度为0.127 mm的RT-Duroid 5880 软基片上。运用场分析软件Ansoft HFSS10和阻抗匹配原理进行综合设计，获得了较好的混频特性。

2 二极管的变频损耗

变频损耗是混频器最重要的技术指标。一般混频器的变频损耗包括三个部分：

（1）

式中，L1为失配损耗，它取决于混频器射频端口和中频端口的匹配程度；L2为二极管的结电容Cj和串联阻抗Rs等引起的结损耗；L3为理想二极管的固有损耗。

在本振充分激励二极管的情况下，变频损耗除去L1的部分可以近似表示为

（2）

式中，Rb为二极管的反向电阻，Zo’为从半导体结处看的源阻抗值，fc为二极管的截止频率，3.9 dB为介质抑制谐波产生的损耗，最后一项的取值大约为0.5 dB。可见，二极管的截止频率与混频器的最小变频损耗有极大的关系，截止频率越高，混频器可能达到的最小变频损耗就越小，并且混频器的宽带性能也越好。根据表1中DMK2790二极管的SPICE参数可得，其截止频率为

（3）

应用公式（2）计算得，在工作频率为45 GHz 时，二极管的最小变频损耗约为5.5 dB。

对于给定的二极管，结损耗L2为一定值，而固有损耗L3主要取决于镜频的端接条件和二极管导纳的非线性度。因此电路设计的主要任务是减小失配损耗L1。

表1 DMK2790的SPICE参数

Is

AmpRs

WnTD

SCJ0

pFM

0.5E-1241.051E-110.050.26

EG

eVVJ

eVFCBv

VISV

A

1.430.8220.54.01E-05

3 鳍线混频器结构一

第一种鳍线混频器的电路结构如图1所示，为鳍线共面线结构。在该结构中，鳍线和共面线构成的180o混合结提供了单平衡混频器的电路基础。两个二极管反向并联于平衡结上，由于鳍线电场与悬置共面线的电场相互正交，两二极管对射频信号呈现同相串联，而对本振信号呈现反相并联，这种关系同时还提供了射频与本振之间的相互隔离。本振功率由标准波导（WR-19）输入，通过反面的单脊鳍线渐变过渡到缝隙很小的鳍线，再耦合到正面的悬置带线，最后过渡到悬置共面线将电场加到二极管对上；射频信号通过波导到对脊鳍线渐变过渡，将信号加到两个二极管上，为了减小鳍线口的反

图1 鳍线共面线结构混频器

射并兼顾体积，选取了余弦平方过渡，过渡段的长度为9 mm。由于二极管的阻抗实部很小，为使鳍线与二极管的阻抗匹配，鳍线的缝宽应尽量小，在RT-Duroid 5880软基片上工艺能实现的最小缝宽为0.1 mm，对应的鳍线特性阻抗约为125欧姆；产生的中频信号经一个七节切比雪夫高低阻抗线低通滤波器输出，该低通滤波器的作用是通过中频信号而隔离本振和射频信号。

使用三维场仿真软件Ansoft HFSS10对各无源部分进行单独仿真优化后，制做了该混频器的实物，如图2所示，外形尺寸为30×30×30 mm3。用一个U波段的倍频器的输出信号做为混频器的本振，将本振频率固定于46 GHz，本振功率约为13 dBm，射频在40～50 GHz的范围内变化，混频器的变频损耗特性如图3所示。

图2 鳍线共面线结构混频器实物

图3 鳍线共面线结构混频器的变频损耗

从图3可以看到，该混频器在40～50 GHz的范围内变频损耗小于11.5 dB，在中频为2 GHz左右时，变频损耗达到最小值5.8 dB，基本已接近变频损耗的理论最小值。本振到射频的隔离度大于20 dB。

4 鳍线混频器结构二

第二种鳍线混频器的电路结构如图4所示，为鳍线悬置微带线结构。由鳍线和悬置微带线构成的180o混合结提供了单平衡混频器的电路基础。同样，两个混频二极管反向并联于鳍线和悬置微带线之间。鳍线电场与悬置微带线的电场相互正交。本振功率通过一个波导到悬置微带的探针过渡耦合到悬置微带上，然后经过悬置微带线带通滤波器加到两二极管上，该带通滤波器具有通过本振信号而抑制中频信号的作用；射频信号同样经过波导对脊鳍线渐变过渡后加到二极管上；中频信号由悬置微带线高低阻抗线低通滤波器引出。

图4 鳍线悬置微带线结构混频器

该混频器的实物如图5所示，外形尺寸为30×30×40 mm3。本振固定在40 GHz，混频器的变频损耗特性如图6所示，该混频器在40～50 GHz的范围内变频损耗小于10.3 dB。本振到射频的隔离度大于18 dB。

图5 鳍线悬置微带线结构混频器实物

图6 鳍线共面线结构混频器的变频损耗

5 结论

本文设计并制作了两种U波段鳍线单平衡混频器，取得了较好了混频性能。射频在40～50 GHz范围内变化时，鳍线共面线结构的混频器变频损耗小于11.5 dB，鳍线悬置微带线结构的混频器变频损耗小于10.3 dB。