【正文】 ????cTEZ 微帶探針耦合結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算 由附錄 A 可知探針輸入阻抗為： 10jXRZin ?? lkhtgk abR 102210 s in)2(2 ???? lkhtgk abX 10221010 2s in)2( ???? 式中00???? 為自由空間波阻抗約為 120 ?? 。 WR10 波導(dǎo) 微帶轉(zhuǎn)換器尺寸計(jì)算： mmbmmaG Hzf , ??? )(1546。)。(198022 1221000100 ?? ?????????????? makmmfcmcfk ?????? ?? kl?102 時(shí) 0,.. .) ,2,1( 10 ?? Xk m ilmmkkl 10 ?????? ??? 時(shí)； 此時(shí)： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁 共 60 頁 ??????? 22 210 khtgkabR ?? 取 R=75? ，由上式可 得： mi lmmhkhtg1202???????????????? WR22 波導(dǎo) 微帶轉(zhuǎn)換器尺寸計(jì)算： mmbmmaG Hzf , ??? )(781。)。(95722 1221000100 ?? ?????????????? makmmfcmcfk ?????? ?? kl?102 時(shí) 0,.. .) ,2,1( 10 ?? Xk m ilmmkkl 10 ?????? ??? 時(shí)； 此時(shí)： ??????? 22 210 khtgkabR ?? 取 R=75? ，由上式可得： m ilmmhkhtg?????????? 應(yīng)用以上計(jì)算結(jié)果作為初值進(jìn)行 HFSS 軟件仿真優(yōu)化，得出 W 波段波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換短路面距離及探針尺寸為 h = 28 mil， l = 30mil； Q 波段波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換短路面距離及探針尺寸為 h = 60mil， l= 60mil。 WR10 矩形波導(dǎo) 微帶轉(zhuǎn)換器 S 參數(shù)仿真 波導(dǎo) 微帶轉(zhuǎn)換三維結(jié)構(gòu)示意如下（探針耦合結(jié)構(gòu)詳見圖 ）： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 共 60 頁 圖 W波段波導(dǎo) 微帶轉(zhuǎn)換三維結(jié)構(gòu)示意圖 HFSS 三維電磁場(chǎng)仿真結(jié)果如下： 圖 W頻段波導(dǎo) 微帶轉(zhuǎn)換 S11仿真結(jié)果 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 60 頁 圖 W頻段波導(dǎo) 微帶轉(zhuǎn)換 S21仿真結(jié)果 由 圖 、 的 仿真結(jié)果可知微帶探針耦合結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、匹配良好可應(yīng)用于微波工程設(shè)計(jì)。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 13 頁 共 60 頁 3 分諧波混頻器設(shè)計(jì) 分諧波混頻器是將本振頻率降低為工作頻率（基波頻率）的 1/2 或 1/4 進(jìn)行混頻；因?yàn)楹撩撞ɑ祛l時(shí)由于工作頻率極高，雖然有性能優(yōu)越的混頻器件，卻往往缺乏相應(yīng)的本振源，利用分諧波混頻可解決本振問題；同時(shí)對(duì)管分諧波混頻相對(duì)于單管混頻還具備較低的變頻損耗及無須直流偏置等優(yōu)點(diǎn)，因此分諧波混頻器在毫米波混頻領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 [9]。 分諧波混頻器工作原理分析 兩混頻二極管 極性相反并聯(lián)在傳輸線上，直流偏壓為零，本振 10V 和信號(hào) sV 加在電路輸入端口，如下圖所示： 圖 混頻二極管對(duì) 通過對(duì)管的電流及導(dǎo)納計(jì)算如下： )(21 a v ja v js eeIIII ?????? （ ） )c os h(2)(11 aV jIaeeIadVdIg sav jav js ????????? ? （ ） 由于 Vs 足夠小 ，則 Vj 可認(rèn)為本振電壓 )c o s (1010 TWVV j ?? （ ） 將（ ）式代入（ ）式 ))c o s (c o s h (2 1010 TWVaIag s ?????? 將其展為級(jí)數(shù) . .. ))2c o s ()(2)((2 10102100 ???????? TWaVIaVIIag s （ ） 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁 共 60 頁 其中 )( 10aVIn 為二類修正貝塞爾函數(shù)。 從而得 出對(duì)管的電流為： . ..))4c o s ( ())2c o s ( ())2c o s ( ()5c o s ()3c o s ()c o s ()c o s ()c o s ()c o s ((10610510410310211001010????????????????????????TWWFTWWFTWWFTWFTWFTWFTWFTWVTWVggVissssss （ ） 由（ ）式可知流入平行二極管對(duì)的電流有以下重要特性： （ 1） 無直流分量，理想情況下，組成對(duì)管的二極管被認(rèn)為無差別，無直流分量流入或流出對(duì)管環(huán)路。 （ 2） 包含本振與射頻頻率分量，可參與二次混頻。 （ 3） 包含 fsnhlom ??? 混頻分量， m+n 為奇數(shù)。 對(duì)管環(huán)路電流為： )1)(c os h(2 )( 12 ????? aVIIII sc 將該式展為： . .. })])c o s ( ())[ c o s ( ()2c o s (2)2c o s (22{2101010102102102210??????????????TWWTWWVVTWVTWVVVIIssssssc （ ） 由（ ）式可知平行二極管環(huán)路電流有以下重要特性： (1) 包含直流分量，此直流分量決定二極管對(duì)工作點(diǎn)。 (2) 包含 fsnflom ??? 混頻分量， m+n 為偶數(shù)。 綜上所述二極管對(duì)管可支持多種混頻方式，包括分諧波混頻，且對(duì)管無需加直流偏置，在一定程度 上簡(jiǎn)化了電路。 變頻損耗及噪聲分析 混頻器小信號(hào)等效網(wǎng)絡(luò) 下圖為完整的混頻器小信號(hào)等效網(wǎng)絡(luò)，由混頻二極管向嵌入網(wǎng)絡(luò)方向看的輸 入阻抗為 )(wZe 。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 15 頁 共 60 頁 圖 混頻二極管小信號(hào)等效網(wǎng)絡(luò) 考慮到混頻過程中將出現(xiàn)很多組合頻率分量，則對(duì)等效電路而言，屬于多端口網(wǎng)絡(luò)，對(duì)不同頻率，網(wǎng)絡(luò)端口呈現(xiàn)不同的祖抗，建立增廣網(wǎng)絡(luò)，各端口的電壓和電流為 。 nV? 、。 nI? ， [Y]是本征二極管的導(dǎo)納 矩陣。 圖 混頻器小信號(hào)多頻多端口線性網(wǎng)絡(luò) 得到增廣網(wǎng)絡(luò)電壓電流的表達(dá)式： ? ?’。‘ ＝＋＝ YIII e ?????????????????? ??? ??????。V? 式中 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 16 頁 共 60 頁 ? ? ? ? ? ? ???????????????????????? eninenin ZRd i agYZRYY101039。?? （ ） 理論上線性網(wǎng)絡(luò)是具有無窮多個(gè)端口的線性網(wǎng)絡(luò)?？紤]到各端口終端條件，實(shí)際電壓和電流的數(shù)目可大大減少 [10]。例如分諧波混頻無需考慮直流端口。 變頻損耗分析 變頻損耗的定義，為輸入微波資用功率和加到中頻負(fù)載 上的功率之比。 即 )l g (10)(ifsmifsm PPdBLPPL ?? 或 （ ） 變頻損耗 Lm 由三部分組成，一是由于頻率變換作用產(chǎn)生的損耗，二是由寄生參量產(chǎn)生的損耗，三是混頻器輸入端由于阻抗不匹配產(chǎn)生的微波功率反射損耗 [11]。下面主要分析頻率變換產(chǎn)生的損耗。根據(jù)圖 混頻器小信號(hào)多頻多端口線性網(wǎng)絡(luò)，設(shè)輸入端口為 j，輸出端口為 i，按照變頻損耗的定義，可以計(jì)算任意頻率ω j 變換到另一頻率ω i的變頻損耗。 邊帶頻率ω j 端口輸入的資用功率為： )Re (41 sjejjj RZIP ?? 。? （ ） 在邊帶頻率ω i 端口所接負(fù)載阻抗為 (Z ej + Rsj)，負(fù)載上功率為： ???????????? ?)(Re sjejsi RZVP 。? （ ） 由變換矩陣特性可知： 239。39。2 。jij IZVi ?? ? （ ） 39。ijZ 為增廣阻抗矩陣 Z 39。中的元素，上式表示為第 j 端口激勵(lì)電流，通過互阻抗 39。ijZ 在 i 端口產(chǎn)生的電壓。將 式代入 式得： )R e (2239。239。sjejsjejjiji RZRZIZP ???。? （ ） 由此本征二極管變頻損耗為： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 17 頁 共 60 頁 )R e ()R e (4 239。2239。sjejsieiijsjejsieiijijRZRZZRZRZPPL?????? （ ） 考慮到串聯(lián)電阻 Rs 損耗， i、 j 端口變頻損耗為 )R e ()R e (4 239。22ejeiijsjejsieiijijZZZRZRZPPL ???? （ ） 此外，還需考慮混頻器輸入端的失配損耗 L r： 2221 1 1l og101 1l og10 ??????Lr （ ） 總的變頻損耗為射頻 ~中頻端口變換損耗加上混頻器輸入端的失配損耗之和；為了降低變頻損耗，除了選 用 R s 小的混頻器件和改善端口匹配電路外，還可從減小邊帶頻率的能量損耗入手，改善其性能 [12]。因此，擬采用射頻端口對(duì)鏡像頻率造成開路條件，降低變頻損耗。 噪聲分析 混頻器噪聲系數(shù)定義為： 39。ninom PPF ? （ ） noP 為系統(tǒng)輸入終端噪聲溫度在所有頻率上都是標(biāo)準(zhǔn)溫度， T0 =290K 時(shí)，系統(tǒng)輸出端的總噪聲資用功率。 39。niP 為 noP 中由輸入終端所產(chǎn)生的那部分噪聲在輸出端的資用功率。 當(dāng)混頻器鏡像開路和短路時(shí)，是單通道的二端口有耗網(wǎng)絡(luò)，其噪聲等效電路如圖所示： 圖 鏡像開路混頻器噪聲等效電路 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 18 頁 共 60 頁 設(shè) Td 為二級(jí)管等效噪聲溫度 To 為信號(hào)源電阻 Rs 的噪聲溫度； 1mL 為鏡像短路和開路混頻器的變頻損耗。 混頻器的總輸出噪聲資用功率為 namno PLBkTP ?? 10 1 （ ） 為求 naP ，可假設(shè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處在溫度 Td 的環(huán)境中，既令信源內(nèi)阻溫度 Td ，則總輸出噪聲功率為 39。noP ， BkTP dno ?39。 。 實(shí)際環(huán)境溫度為 0T ，則混頻器總輸出噪聲功率為 BkTLL BkTL BTTkBkTP dmmmddno )11()( 1101 0 ?????? （ ） 上式中的第二項(xiàng)即為混頻器產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲功率 naP ，于是噪聲系數(shù)為 dmmnom tLLBkT PF )1(1 1101 ???? t 為帶寬， BTTt dd 0? （ ） 實(shí)際上 dt ≈ 1,由上式知 1mF ≈ 1mL ，從而知混頻器的噪聲系數(shù)近似等于變頻損耗。要獲得低噪聲系數(shù)，變頻損耗應(yīng)盡可能的低。 小結(jié) 由混頻器變頻損耗和噪聲分析