2 0 0 5 全国微波毫米波会议论文集W 波段分谐波混频器袁野张永鸿张显静电子科技大学电子工程学院6 1 0 0 5 4摘要：本文介绍了一种W 波段的微带集成二次和四次分谐波混频器。该混频器采用A l p h a 公司D M K 2 3 0 8 反向并联二极管对，在介电常数为2 2 2 ，厚度为0 1 2 7 m m 的R T D u r i o d5 8 8 0 基片上设计电路。当射频频率为9 1 9 5 G H z ，本振频率为4 5 G H z 时，二次谐波混频器最优处 变频损耗1 2 d B ，相同的射频频率，本振为2 2 5 G H z 时，四次谐波混频器最优处变频损耗 1 6 d B 。 关键字：W 波段，分谐波混频器，变频损耗一，引言毫米波混频器是毫米波通信，雷达，电子对抗，测量等系统中不可缺少的关键部件之一。它的功能主要是将微弱的毫米波信号变换为易于处理的中频输出信号。变频损耗是它的主要指标。毫米波频段工作频率很高，虽有性能优越的混频器件，但同频段的本振实现难，成本高。分谐波混频器要求的本振频率为工作频率( 基波频率) 的1 2 或1 4 ，甚至1 8 。从而克服了直接采用毫米波本振源带来的困难，降低了射频接收机的技术难度，减少了成本。又由于电路采用的微带结构具有设计简单，制作容易，体积小，质量轻安装方便等优点。因此，分谐波混频器在毫米波系统领域有广泛的应用价值和前景。本文利用谐波平衡法，借助A D S 软件，对反向并联肖特基势垒二极管结构W 波段分谐波混频器进行了二次和四次分谐波混频器的仿真优化。二，分谐波混频器基本原理分谐波混频器将两个混频二极管反向并联，组成一个混频二极管对，利用混频管对的非线性特性直接实现本振的n ( n = 2 ，4 ) 谐波与射频信号混频，通过输出中频滤波器选出所需 信号。分谐波混频器原理电路如图1 所示。当管对加上大信号时，由于两个混频管基波电流反相，通过两个基本点二极管的总电流滓i 。+ i ：是奇函数，其傅利叶展开式不含偶次项；混频电导g = d i d v 是偶函数，其傅R U n t 展开式不含奇次项。然后加上小信号，混频电流中将出现【2 q o O s ) ，( 4 q o 鸭) ，等谐波分量，从而可归纳出管对的混频特性是：1 )外部电流只含有偶次本振谐波混频项，而且幅度比单管大一倍。2 1奇次本振谐波混频项仅存在于管对环路内部，因此电路中输出的干扰频率将减少，从而可减少变频损耗。3 )外部电流中无直流分量，因此对管对来说，混频器无需设置直流通路。这使电路结构简化。4 )减少噪声。这是因为混频时，根本没有基波混频输出，因此本振引入噪声仅在2 ，国矿( 国矿为中频频率) 附近的噪声才会经混频而输出，此部分噪声已大大减弱了。三，二次分谐波混频器的设计和优化1 1 2 62 0 0 5 全国微波毫米波会议论文集中射振图1 二次谐波混频器拓扑w 波段二次分谐波混频器拓扑框图如图二所示。主要包括反向并联二级管对，各端口匹配电路，中频滤波器，一些开路短路支节。对于w 波段的二次混频器来说，设计的关键在于使各端口在所需的频率良好匹配，尽量抑制其他闲频，降低变频损耗。图中的占4 五D 开路支节使本振在此短路，射频波长约为本振波长的1 2 ，射频在此开路。占 厶，的短路支节使射频在此短路，本振开路。这样射频与本振的能量就都加在了二极管对上，变频效率也就能进一步提高。四，四次分谐波混频器的设计和优化中射图2 四次分谐波混频器拓扑振与二次分谐波混频器相比，四次分谐波混频器多了一占4 五L o 的开路支节。由于在四次分谐波混频器里，( 2 吡o 钵) 是能量最大的闲散频率，此支节使它在二极管左端短路，能量反射回去，重新参与混频，提高变频效率。在设计过程中，我们采用了A l p h a 公司的D M K 2 3 0 8 反向并联二极管对。首先根据A l p h a1 1 2 72 0 0 5 全国微波毫米波会议论文集公司提供的S P I C E 参数建立二极管对模型。并分别仿真射频滤波器和中频滤波器。然后对 匹配网络和支节进行仿真。五，W 波段二次分谐波混频器的仿真采用A g i l e n t 公司的A D S 软件，利用它的谐波平衡法对电路进行仿真。射频信号9 1 - 9 3 G H z ，本振4 5 G H z ，中频输出为1 - 3 G H z 。当输入射频信号为一1 0 d B m ，本振为为7 d B m 搭建图3 所示电路图，优化后得到如下结果。图3 ：A D S 仿真拓扑9 1 O9 1 29 1 49 1 69 1 89 2 O9 2 29 2 49 269 2 89 3 0R F f r e q图4 ：A D S 仿真结果六，W 波段四次分谐波混频器的仿真同样采用D M K 2 3 0 8 反向并联二极管对，输入射频信号为9 1 9 3 G H z ，本振2 2 5 G H z ，中频输出1 - 3 G H z 。经过优化，射频信号1 0 d B m ，本振9 d B m 。得到如下结果。图5 ：A D S 仿真拓扑七，结束语J9 109 129 149 169 18 9 209 229 249 26 9 28 9 30f s图6 ：A D S 仿真结果w 波段，特别是三毫米频段( 9 4 G H z ) 大气衰减相对较小，是毫米波频谱中重要“窗口”。 毫米波雷达特别是精确制导雷达主要集中在三毫米频段。三毫米的低躁声放大器目前尚为达1 1 2 82 0 0 5 全国微波毫米波会议论文集到实用化，对于大部分的三毫米前端，混频器仍然是决定其躁声性能的关键部件。三毫米混频器有着重要的科研价值。本文设计的分谐波混频器体积小，成本低，设计简单，通过对滤波器和各端口的匹配电路进行优化，变频损耗得到了比较好的仿真效果。在接下来的实际电路制作中仍然会有一些问题，比如射频滤波器的设计将需要用场分析软件来精确设计等。参考文献1 薛良金毫米波工程基础国防工业出版社，1 9 9 8 年2 M a r t i nV S c h n e i d e r ，a n dW i l l i a mS n e l lH a r m o n i c a l l yP u m p e dS t r i p l i n eD o w n C o n v e r t e r ，I E E EM T T ，V O L 2 3 ，N O 3 ，M a r c h ，1 9 7 53 张广宇李运周晨阳K 频段次谐波混频器电信技术研究2 0 0 0 ( 3 ) 1 - 1 04 和新阳，禹旭敏K 波段微带4 次谐波混频器空间电子技术2 0 0 1 年第1 - 2 期5 赵霞徐军薛良金K a 频段微带四次谐波混频器电予科技大学学报V 0 1 3 2N o 1F e b 2 0 0 36 D B l a c k w e l l ”9 4G H z s u b h a r m o n i c a l l yp u m p e dM M I Cm i x e r ”I E E ET r a n s19 917 S a n j a yR a m a n ”A9 4G H zu n i p l a n a rs u b h a r m o n i cm i x e r ”I E E ET r g n s1 9 9 68 A s h e rM a d j a t An o v e lg e n e r a la p p r o a c hf o rt h eo p t i m u md e s i g no fm i c r o w a v ea n dm i l l i m e t e rw a v es u b h a r m o n i cm i x e r s ”I E E ET r a n s ，19 9 69 M 】h J i n gH w a n g W - B a n dS u b h a r m o n i cD i o d eM i x e r I E E ET r a n s ，2 0 0 210 K oK a n a y a A9 4G H zh i g hp e r f o r m a n c eq u a d r u p l es u b h a r m o n i cm i x e rM M I C ”I E E ET r a n s ，2 0 0 21 1 2 9