V波段正交二次諧波混頻器的研究.pdf

1、V波段指頻率范圍為50～75GHz的毫米波頻段，該波段在世界上許多國(guó)家都被分配了大量的民用頻譜資源，利用該波段能夠?qū)崿F(xiàn)最大40Gbps的近距離超高傳輸速率和大容量的無線通信，在地面寬帶保密通信、星際通信鏈路等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。正交混頻器通過對(duì)一路本振信號(hào)與一路射頻信號(hào)進(jìn)行混頻得到兩路幅度相等、相位正交的中頻信號(hào)，集頻率搬移和相位轉(zhuǎn)換于一體，在零中頻接收機(jī)、鏡像抑制接收機(jī)中有著廣泛的應(yīng)用。毫米波諧波混頻器使用本振信號(hào)的諧波與射頻信號(hào)混

2、頻，使混頻所需要的本振頻率得到有效地降低，解決了高性能毫米波本振源實(shí)現(xiàn)難度大、成本高的問題。本文以實(shí)現(xiàn)寬頻帶、低變頻損耗的V波段諧波混頻器以及高性能V波段正交混頻器為目標(biāo)，基于反向并聯(lián)的Schottky勢(shì)壘二極管對(duì)，采用混合集成電路的方式，研制了一種V波段二次諧波混頻器，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了組件型V波段正交二次諧波混頻器的實(shí)驗(yàn)研究，最后以小型化為目標(biāo)研制完成了一種集成化的V波段正交二次諧波混頻器。論文的主要內(nèi)容包括:
　　1、在深入

3、分析反向并聯(lián)二極管對(duì)諧波混頻工作原理的基礎(chǔ)上，基于高截止頻率的商用雙Schottky結(jié)二極管芯片，采用毫米波混合集成電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種V波段二次諧波混頻器。根據(jù)V波段二次諧波混頻器的設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)有工藝條件，確定了基于反向二極管對(duì)(APDP)電路結(jié)構(gòu)的混頻電路設(shè)計(jì)方案。利用HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化了波導(dǎo)-微帶探針，使微帶電路與波導(dǎo)輸入良好契合。為了改善混頻器的變頻損耗、拓寬工作帶寬，同時(shí)阻止本振與射頻信號(hào)的泄露，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了本振帶通濾波器

4、以及中頻低通濾波器。通過提取無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)，并與混頻二極管精確等效電路模型相結(jié)合，以拓寬混頻器工作帶寬、降低變頻損耗為目的，優(yōu)化了諧波混頻器匹配電路等整體電路的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，加工制作了兩套V波段二次諧波混頻器實(shí)驗(yàn)樣品，構(gòu)建了相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)變頻損耗等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)測(cè)結(jié)果為:當(dāng)固定本振頻率30GHz、功率15dBm，射頻頻率在57～64GHz范圍內(nèi)，變頻損耗低于10dB，不平坦度小于2dB，典型值為9dB;射頻頻率在56～

5、66GHz范圍內(nèi)，變頻損耗低于11dB，不平坦度小于3dB。最佳本振功率約為15dBm，1dB壓縮點(diǎn)約3dBm。當(dāng)本振頻率在25～35GHz范圍內(nèi)，本振-中頻隔離度大于35dB。測(cè)試結(jié)果表明，兩套樣品性能參數(shù)一致性良好，與現(xiàn)有報(bào)道的混合集成V波段二次諧波混頻器相比，變頻損耗及工作帶寬等性能有明顯的提高。
　　2、在上述單路諧波混頻器研制的基礎(chǔ)上，利用V波段90°波導(dǎo)定向耦合器、Ka波段波導(dǎo)功分器以及兩個(gè)V波段二次諧波混頻器進(jìn)行了組

6、件形式的V波段正交混頻器的分析與實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)現(xiàn)有的V波段90°定向耦合器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)配合設(shè)計(jì)，確定了正交混頻器的組合方式和實(shí)現(xiàn)方案。優(yōu)化設(shè)計(jì)并加工制作了Ka波段波導(dǎo)T形功分器，實(shí)測(cè)結(jié)果表明當(dāng)本振信號(hào)頻率在25～35GHz范圍內(nèi)，功分器兩路輸出功率不平衡度小于0.1dB。在完成了組件的裝配后，對(duì)組件形式的V波段正交混頻器性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。當(dāng)固定本振頻率30GHz，射頻頻率在56～65GHz范圍內(nèi)時(shí)，I、Q兩路變頻損耗實(shí)測(cè)結(jié)果低于14dB

7、，最大不平衡度在2dB以內(nèi)。當(dāng)固定中頻頻率100MHz時(shí)，測(cè)得I、Q兩路信號(hào)相位差在91°左右，實(shí)現(xiàn)良好的中頻信號(hào)正交性能。最后，將研制的V波段正交混頻器與中頻3dB正交耦合器組合成鏡像抑制混頻器，當(dāng)固定中頻100MHz時(shí)，測(cè)得鏡頻抑制度在本振頻率為29～31GHz時(shí)大于10dB。
　　3、為了實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕結(jié)構(gòu)緊湊的V波段正交混頻器，采用混合集成電路技術(shù)設(shè)計(jì)了集成一體化結(jié)構(gòu)的V波段正交混頻器。首先設(shè)計(jì)了以微帶線作為輸入方式的

8、單路V波段二次諧波混頻器。出于集成化的考慮，針對(duì)V波段90°微帶三分支定向耦合器和Ka波段微帶Wilkinson功分器分別進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，利用ADS仿真軟件建立了正交混頻器整體電路的聯(lián)合仿真模型，并對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步仿真優(yōu)化。按照仿真優(yōu)化結(jié)果加工了集成化的V波段正交混頻器實(shí)驗(yàn)樣品。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)固定本振頻率30GHz，射頻頻率56～66GHz時(shí)，變頻損耗低于20dB，不平衡度低于2dB。固定中頻100MHz時(shí)，