【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，可知變頻損耗與噪聲系數(shù)緊密關(guān)聯(lián)，當(dāng)射頻端口鏡頻開(kāi)路時(shí)，混頻器獲得最低的變頻損耗，噪聲系數(shù)近似等于變頻損耗；這就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)分諧波混頻器時(shí)，要注意除了選用 R s 小的混頻器件和改善端口匹配電路外，還要注意鏡頻端口的開(kāi)路設(shè)計(jì)問(wèn)題 [13]。 分諧波混頻器結(jié)構(gòu)分析 電路整體結(jié)構(gòu) 如圖 所示，本振信號(hào)由對(duì)管一端口輸入，射頻信號(hào)由對(duì)管二端口輸入，中頻信號(hào)亦由二端口 饋出；在一端口設(shè)置直流回路以旁路由于對(duì)管非對(duì)稱而產(chǎn)生直流分量； 因?yàn)樯漕l本振信號(hào)較難隔離，射頻和本振分為兩個(gè)端口進(jìn)入對(duì)管混頻；而射頻與中頻隔離就相對(duì)容易的多。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 19 頁(yè) 共 60 頁(yè) 圖 分諧波混頻 具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu) 具體實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 分諧波混頻器具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖 整體電路主要由三大回路構(gòu)成： 1．射頻回路：射頻信號(hào)經(jīng)帶通濾波器、射頻匹配網(wǎng)絡(luò)、混頻二極管對(duì)，由 180o@RF終端短路線高頻接地，此終端短路線本振高阻，中頻低阻近似接地，亦為因二極管對(duì)不平衡產(chǎn)生的支流分量提供回 路。 2．本振回路：本振信號(hào)經(jīng)本振匹配網(wǎng)絡(luò)、混頻二極管對(duì)、由 90o@LO 終端開(kāi)路線高頻接地；此終端開(kāi)路線射頻中頻高阻。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 20 頁(yè) 共 60 頁(yè) 3．中頻回路：中頻信號(hào)由混頻二極管對(duì)混頻輸出，經(jīng) 90o@RF 傳輸線、中頻匹配網(wǎng)絡(luò)、中頻低通濾波器輸出；回路并接的 90o@RF 開(kāi)路線提供射頻接地以增加射頻與中頻端口隔離度。 各終端開(kāi)路 amp。短路線對(duì)不同頻率信號(hào)呈現(xiàn)的輸入阻抗模值如圖 所示： 180o@RF 終端短路線阻抗模圖 90o@LO 終端開(kāi)路線阻抗模圖 圖 各終端開(kāi)路 amp。短路線對(duì)不同頻率 信號(hào)呈現(xiàn)的輸入阻抗模圖 由上圖可知： 180o@RF 終端線對(duì)本振信號(hào)高阻近似開(kāi)路，對(duì)射頻、中頻近似接地。 90o@LO 終端開(kāi)路線對(duì)射頻高阻近似開(kāi)路，對(duì)本振近似接地，對(duì)中頻呈現(xiàn)一定阻抗（百歐）。 90o@RF 開(kāi)路線對(duì)中頻高阻近似開(kāi)路，對(duì)射頻低阻近似接地，由于本振回路已經(jīng)90o@LO 終端開(kāi)路線接地，故不考慮。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 21 頁(yè) 共 60 頁(yè) 理想匹配結(jié)構(gòu)分析 由 節(jié)可知分諧波混頻器可等效為三個(gè)（射頻、本振、中頻）理想二端口網(wǎng)絡(luò)與混頻二極管對(duì)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖 所示： 圖 分諧波混頻器等效結(jié)構(gòu) 當(dāng)射頻 、本振、中頻網(wǎng)絡(luò)理想匹配時(shí)：其 S 參數(shù)矩陣各元素（設(shè)定各匹配網(wǎng)絡(luò)端口 1 連接混頻二極管對(duì)）如下： 1）本振網(wǎng)絡(luò) 本振頻率： S11=S22=0,S21=S12=1；其他頻率： S11=S22=1,S21=S12=0； 2）中頻網(wǎng)絡(luò) 中頻： S11=S22=0,S21=S12=1；其他頻率： S11=S22=1,S21=S12=0； 3）射頻網(wǎng)絡(luò) 射頻： S11=S22=0,S21=S12=1；其他頻率： |S11|=S22=1,S21=S12=0。 （ ） 分諧波混頻器工作過(guò)程中，各次諧波的混頻分量（如鏡頻分量）亦由對(duì)管混頻產(chǎn)生并經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)反射重新參與混頻，對(duì)分諧波混頻效果產(chǎn)生影響；由于射頻與各諧波混頻分量較為臨近，其網(wǎng)絡(luò)反射作用對(duì)混頻效果影響較大；為了分析射頻網(wǎng)絡(luò)的 S11 反射模角與變頻損耗的關(guān)系，引入 ADS 仿真模型，如圖 所示： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 22 頁(yè) 共 60 頁(yè) 圖 理想匹配網(wǎng)絡(luò)仿真模型 首先我們確定各次諧波混頻分量為（ 4 次諧波分析）： G H zffG H zff rflorflo 。 ???? GHzffGHzff rflorflo 7 64。 ???? GHzffGHzff rflorflo 6 534。1 0 034 ???? 其中 為中頻分量； 為射頻與本振四次諧波的差頻，由于其為射頻信號(hào)相對(duì)于本振二次諧波的鏡像，稱之為鏡頻，在射頻輸入電路中使鏡頻反射回二級(jí)管，使其重新參與本振混頻，如果相位適合，就能回收信號(hào)能量，減小變頻損耗，由于變頻損耗與混頻噪聲緊密相關(guān)（見(jiàn)噪聲分析），可知射頻匹配電路中要注意鏡頻能量的回收；其余分量對(duì)于變頻損耗并無(wú)較大影響；因此仿真圖 所示電路，掃描射頻匹配電路對(duì)于鏡頻的反射模角（ 0 度 ~360 度），考察模角與變頻損耗的關(guān)系 所得結(jié)果如下圖所示。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 23 頁(yè) 共 60 頁(yè) 由上圖知當(dāng) S11 模角為 180 度時(shí)，變頻損耗最大。 圖 S11 模角與變頻損耗的關(guān)系 我們可建立以下信號(hào)流圖分析其具體關(guān)系： 圖 射頻回路信號(hào) 可知當(dāng) S11 = 1∠ ( 360 n) n=0, 177。 1, 177。 2,L 射頻匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)鏡頻全反射，鏡頻信號(hào)全反射入混頻二極管對(duì)參與二次混頻；此時(shí)變頻損耗為最小，當(dāng) S11=1∠ ( 360n + 180)；n=0, 177。 1, 177。 2 ,L 鏡頻相對(duì)于射頻匹配網(wǎng)絡(luò)與 入 射波反射波彼此反相抵消，此時(shí)變頻損耗為最大。 綜上所述，在設(shè)計(jì)三端口匹 配電路時(shí)，一是要注意匹配，保證射頻、本振、中頻信號(hào)的有效吸收與傳輸；二要注意射頻匹配電路的鏡頻能量的回收問(wèn)題，主要通過(guò)鏡頻抑中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 24 頁(yè) 共 60 頁(yè) 制帶通濾波器實(shí)現(xiàn)。 鏡頻抑制帶通濾波器設(shè)計(jì) 鏡頻抑制帶通濾波器是射頻匹配網(wǎng)絡(luò)中的重要電路。由 節(jié)理想匹配分析，引入鏡頻抑制帶通濾波器電路可改善分諧波混頻器變頻損耗及噪聲系數(shù)等指標(biāo)。 帶通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo) （ 1） 中心頻率 GHzf ? ，通帶帶寬 600MHz； （ 2） 96GHz 及 93GHz 頻率點(diǎn)處衰減大于 10dB； （ 3） 要求在鏡頻 段 )4( RFlo ff ? 即 (~)插損大于 20dB； （ 4） 輸入輸出阻抗為 50? 。微帶基片參數(shù) ? =，基板厚度 h=5mil。 設(shè)計(jì)步驟 （ 1） 選擇標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù)。根據(jù)需要的衰減和波紋，選定濾波器類型和合適參數(shù)： 根據(jù) 93GHz、 95GHz 頻率點(diǎn)衰減大于 10dB 的要求，確定此點(diǎn)的原型低通濾波器歸一化頻率為： )96 ( )( ??????? w ccLU c 最大平坦的濾波器衰減特性圖知當(dāng)濾波器階數(shù) N=3 時(shí)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)； 最大平坦的 3 階原型低通濾波器元件參數(shù)為： g1 =1， g 2 = 2， g3 =1， g4=1； （ 2） 確定歸一化帶寬，計(jì)算傳輸線的奇模、偶模特性阻抗： 根據(jù)濾波器特性對(duì)上下邊頻（ Lw ， Uw ）以及中心頻率 2)( ULo ??的要求可以確定 )( ???? oLU BW 我們根據(jù)帶寬指標(biāo)計(jì)算下列參數(shù)： 001001,0?????? ZZggBWZJ ?? 00 63 002102,1?????? ZZggBWZJ ?? 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 25 頁(yè) 共 60 頁(yè) 003203,2?????? ZZggBWZJ ?? 004304,3?????? ZZggBWZJ ?? 由上可知各節(jié)傳輸線奇模、偶模特性阻抗為： ???????? )(50])(1[| 221,001,0001,00 JZJZZZ o ???????? )(50])(1[| 221,001,0001,00 JZJZZZ e ???????? )0 7 7 (50])(1[| 222,102,1002,10 JZJZZZ o ???????? )0 7 7 (50])(1[| 222,102,1002,10 JZJZZZ e ???????? )0 7 7 (50])(1[| 223,203,2021,20 JZJZZZ o ???????? )0 7 7 (50])(1[| 223,203,2021,20 JZJZZZ e ???????? )(50])(1[| 224,304,3004,30 JZJZZZ o ???????? )(50])(1[| 224,304,3004,30 JZJZZZ e （ 3） 確定微帶電路實(shí)際尺寸： 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)此步驟可通過(guò)查表與計(jì)算得出，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，利用 ADS 無(wú)源電路設(shè)計(jì)工具，由傳輸線奇模、偶模特性阻抗可確定各節(jié)耦合微帶線尺寸，作為初值參與電路優(yōu)化，將濾波器設(shè)計(jì)目標(biāo)代入優(yōu)化目標(biāo)，調(diào)整尺寸，仿真優(yōu)化，以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 26 頁(yè) 共 60 頁(yè) 圖 W頻段三階帶通濾波器仿真優(yōu)化原理圖 由圖 知兩優(yōu)化目標(biāo)為依據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的通帶內(nèi)散射矩陣參數(shù)指標(biāo)；各節(jié)耦合微帶線長(zhǎng)度近似為P?41，優(yōu)化仿真結(jié)果圖如下 圖 W波段三階帶通濾波器 layout 層 S參數(shù)仿真結(jié)果圖 由上圖知，帶內(nèi)插損約 2dB， 鏡頻抑制大于 15dB。 中頻低通濾波器設(shè)計(jì) 中頻低通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo) 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 27 頁(yè) 共 60 頁(yè) （ 1） 截止頻率（大于中頻頻率） GHzfc 20? ，通帶內(nèi)衰減波紋 dBLAr ? ； （ 2） 阻帶 GHzfc 28? 處要求衰減 dBLAs 20? ； （ 3） 輸入輸出傳 輸線特性阻抗 ??500Z ； （ 4） 要求本振頻率段與射頻段內(nèi)，衰減大于 20dB；微帶基片參數(shù) ? =，基板厚度h=5mil。 設(shè)計(jì)步驟 （ 1） 確定濾波器階數(shù) N： ???? css ff ，由 s? 及 dBLAs 30? ，查 等波紋原型濾波器衰減特性圖直 N=7。 （ 2） 確定原型濾波歸一化元件參數(shù)，并計(jì)算濾波器網(wǎng)路類型確定元件實(shí) 際值： 查表可知 0 0 0 ,5 0 0 ,2 7 5 ,3 7 8 ,7 3 2 84536271 ???????? gggggggg 選用電容輸入式梯型網(wǎng)絡(luò)，各元件真實(shí)值為： pFZw gCC c 90171 ???????? ? nHZwgLL c 90262 ???? ???? ? pFZw gCC c 90353 ???????? ? nHZwgL c 9044 ???? ??? ? （ 3） 計(jì)算濾波器實(shí)際尺寸： 首先確定高低阻抗線特性阻抗?？紤]加工工藝，高阻線寬定為 其特性阻抗為 78? ，低阻線線寬定為 ，其特性阻抗通過(guò) ADS 微帶 線阻抗計(jì)算工具求得為? ,為電路優(yōu)化加速，將 71,CC 低阻微帶線寬設(shè)定為： ~ 線寬的低阻抗段 ,相應(yīng)特性阻抗為 17? ~? ，計(jì)算各微帶尺寸： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 28 頁(yè) 共 60 頁(yè) mmEEZ vLI hph )11(3)9( ??? ???? mmEEZ vLII hph )11(3)9( ??? ????? mmEEZvCII ph )11()12( ?? ?????? mmEEZvCII ph )11(315)12( ?? ?????? （假令第 7 段特性阻抗為 15? ） 將上述計(jì)算結(jié)果帶入電路各微帶線初值進(jìn)行優(yōu)化；將設(shè)計(jì)目標(biāo)帶入帶入優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行電路優(yōu)化，如下圖所示： 圖 中頻低通濾波器仿真優(yōu)化原理圖 由圖可知最后各參數(shù)優(yōu)化結(jié)果近似理論計(jì)算值。 S 參數(shù)仿真結(jié)果如圖 所示： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 29 頁(yè) 共 60 頁(yè) 圖 中頻低通濾波器 S參數(shù)仿真結(jié)果圖 由上圖可知中頻點(diǎn) ，帶內(nèi)插損 ，紋波約 ；截止頻率 20GHz。本振抑制與射頻抑制均大于 30dB。 三端口匹配設(shè)計(jì) 由 節(jié)可知理想匹配網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)工作頻段無(wú)損耗的能量傳輸，全反射帶外頻率；由此匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)定為：匹配終端能量吸收最大化，盡可能減小端口反射。 三端口匹配指標(biāo) 混頻二極管擬選用 SKYWORKS 公司 DMK2308000 型對(duì)管，其串聯(lián)電阻為 Rs= 4? ，結(jié)電容 pFC j )0( ? 。 （ 1） 中頻端口： 匹配目標(biāo)定為帶負(fù)載中頻端口輸出功率最大化。 （ 2） 射頻與本振端口： 射頻與本振端口匹配目標(biāo)定為工作頻段 內(nèi)最小化插入損耗，兼顧阻抗匹配。 匹配設(shè)計(jì)步驟 （ 1） 射頻與中頻端口選取特性阻抗為 50? 微帶線，設(shè)定線長(zhǎng)范圍進(jìn)行優(yōu)化，將匹配目標(biāo)代入優(yōu)化目標(biāo)； （ 2） 本振端口選取短截線匹配網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定微帶線尺寸范圍，將匹配目標(biāo)代入優(yōu)化目標(biāo)； （ 3） 應(yīng)用諧波平衡法仿真混頻器電路，得出優(yōu)化結(jié)果。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 30 頁(yè) 共 60 頁(yè) 整體電路設(shè)計(jì)與仿真 分諧波混頻器具體電路如下圖所示： 圖 分諧波混頻器仿真原理圖 TL1 為中頻、射頻及因混頻管非對(duì)稱產(chǎn)生的直流分量提供接地 。 TL2 提 供本振接