（电磁场与微波技术专业论文）太赫兹四次谐波混频技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 文章给出了3 2 0 g h z 平面肖特基二极管对四次谐波混频器的设计。混频器的二极管 对安装在石英基片电路上。文中建模仿真比较了三款二极管，最终选用了t e l e d y n e s i e n t i f i c 公司的t s c a p 2 0 2 0 - - 极管作为本课题研究的混频二极管。 在毫米波段，研究者们在设计混频器的过程中大多采用次谐波混频，这样做可以 降低对本振源的要求。文章为了进一步降低本振源的需求，采用了更高次的谐波混频 。二极管的作用就是降低本振源的频率，实现3 2 0 g h z 混频器的设计。 文章设计了几种不同的结构，在对这些结构的分析和优化的之后确定了两种较为 合适的结构用于本课题研究。在文中，较为详细的列出了这两种结构设计的细节以及 仿真得到的结果。 反向并联二极管对可以实现本振频率的偶次频率混频，我们利用本振频率的四次 频率进行混频，其中，对二次本振频率的功率回收利用，为此我们还必须设计一个合 适的滤波器回收二次本振频率，以降低混频器的变频损耗，提高混频器的性能。 利用高频电磁仿真软件h f s s 和微波电路仿真软件a d s 联合仿真，完成电路的设计和 优化。仿真得到混频器的变频损耗在2 0 d b 左右，仿真的结果表明我们设计的混频的可 行性。 关键词：太赫兹；反向并联二极管对；次谐波混频器；共面波导：槽线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w er e p o r tu p o nt h ed e v e l o p m e n to fa3 2 0g h zs u b h a r m o n i cm i x e ru s i n gp l a n a r s c h o t t k yd i o d e s i nt h i st h e s i s ，t h r e ed i o d e sa r ec o m p a r e d ，w e s e l e c tt h et s c a p 一2 0 2 0 髂t h e m i x e rd i o d e t h ed e v i c ei n c o r p o r a t e sa n t i - p a r a l l e lp a i ro fp l a n a rs c h o t t k yd i o d e sm o u n t e d o n t oa q u a r t z b a s e dc i r c u i t al o to fr e s e a r c h e r sf o c u so nt h eb e n e f i t so fs u b h a r m o n i cm i x e r si nt h es u b - m m w a v e l e n g t hr a n g e i no r d e rt oe x t e n dt h ea d v a n t a g e so f2 n dh a r m o n i cm i x e r sw i t hr e s p e c tt o l o c a lo s c i l l a t o rr e q u i r e m e n t s ，t h et h e s i sd i s c u s s e dh i g h e ro r d e rs u b h a r m o n i cm i x e r s t h e a n t i p a r a l l e ls c h o t t k yd i o d ep a i rw a su s e di nt h i st h e s i sf o rd o w n c o n v e r t i n ga 3 2 0g h zs i g n a l b ym i x i n gw i mt h eh a r m o n i co f t h el o c a lo s c i l l a t o r s e v e r a ls t r u c t u r e sa r ed e s i g n e di nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h es t r u c t u r ea n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o n ，w cf i n a l l yd e t e r m i n e dt w os t r u c t u r e s ，t h ea n a l y s i so ft h et w os t r u c t u r e s a r e g i v e ni nd e t a i l e d a n t i p a r a l l e ld i o d er e a l i z et h ee v e nt i m e sf i e q u e n c i e so f t h el o c a lo s c i l l a t o rf i c q u e n c y , t h e2 n dh a r m o n i cp o w e rn e e d st ob er e c y c l e d ，s oi ti sn e c e s s a r yt od e s i g nas u i t a b l ef i l t e r i n o r d e rt os i m p l i f yt h ec i r c u i t , w cu s e da l 4w a v e l e n g t hs i d ef i l t e ri n s t e a do ft h eh i g ha n dl o w i m p e d a n c ef i l t e r t h eh i g hf r e q u e n c yf i e l ds i m u l a t i o ns o f t w a r ea n s o rh f s sa n dm i c r o w a v ec i r c u i t s i m u l a t i o ns o f t w a r ea d sa r cu s e di nt h i st h e s i sf o rd e s i g n i n gm i x e rc i r c u i t , e l e c t r o m a g n e t i c s i m u l a t i o na n dc i r c u i to p t i m i z a t i o n t h ec i r c u i ts i m u l a t i o n sp r e d i c tac o n v e r s i o nl o s so f a r o u n d2 0d b s i m u l a t i o nr e s u l t sa l ep r e s e n t e dt os h o wt h ea c h i e v a b l ep e r f o r m a n c ea n d l i m i t a t i o n so fh i g h e ro r d e rs u b h a r m o n i c a lm i x i n g k e y w o r d slt e r a h e r t z ；a n t i p a r a l l dd i o d ep a i r ；h a r m o n i cm i x e r ；c o p l a n a rw a v e g u i d e ； s l o t l i n e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题背景 太赫兹波的频率为o 1 1 0t h z ( 1 t h z = i o “h z ) 的电磁波，其波长为3 m n r 3 0 1 tm ， 属于红外波。太赫兹波具有很强的穿透特性、安全特性、宽带特性、瞬态特性、相干 特性等，正是由于太赫兹波的这一系列独特的优越性，太赫兹波显示出巨大的应用前景 ，可用于材料科学、生物医学、大气与环境监测、国家安全、反恐、通讯等领域，由 此可见太赫兹科学技术是一项军民融合很强的前沿性、战略性和前瞻性研究领域。目 前，在太赫兹频率范围内超外差式检测器具有较高的灵敏度和较高的频率分辨率，超 外差接收机的原理是它是通过混频器将难处理的高频信号下变频转换成易于处理的中 频信号，通过中频信号了解太赫兹信号所包含的信息【l 翻。 太赫兹频率范围的精确测量需求高性能接收机，例如灵敏的二极管接收机以及低 噪声混频器。特别是当一个信号的幅度和相位对降频转换设备相当重要的时候，例如 s i s 或者是肖特基二极管混频器。肖特基技术显示了在系统设备上的相对较低的需求， 因为它不需要低温冷却因此非常的适合于无辐射度应用。随着低寄生平面肖特基二极 管的有效性，这些接收机的挑战达到了本地振荡器源。尤其是如果相位的测量必须达 到频率上的需求以及本地振荡源的相位稳固性限制了合适的振荡器的概念。固态的源 是为这些应用设备的选择，但是这些源的输出功率有限并且很昂贵。利用拥有一个本 振频率的谐波混频器的想法减少了本振源的需求，本振频率的一部分是信号频率，但 是却伴随着更高的转换损耗和噪声。这方面的问题使得过去的十年里面，人们在太赫 兹频率范围主要利用二次谐波混频器。 在过去的十年里，亚毫米波波长领域主要用在太空中。因为信号的微弱性，这些 无线电天文应用需要尽可能高性能的接收机，基波混频器已经被选中，并且仍然在应 用中。然而，基波的最主要的缺点是需要一个高功率的本地振荡器，本地振荡器的输 出频率基本接近于信号的频率，因此这样就增加的系统的复杂性和成本，特别是在太 赫兹领域这个缺点更严重。但是应用在这个频率范围的应用不在局限于无线电天体， 在本振需求允许的情况下，系统性能的缺点可以被接受。特别是在材料科学以及非破 坏性检测活动，太赫兹频率范围越来越受吸引，但是需求可动的和强劲的接收机。在 这方面的次谐波接收机是足够的，考虑紧凑所有的甚至在太赫兹频率的固态接收机方 案。电磁频谱太赫兹部分承受了一个惊人的科学潜力，它可以用在航天以及行星的研 究。尤其是分子旋转线和原子或离子精细线的外差光谱的高精度光谱是一个有用的工 具。它可以允许获得有用的关于温度和动态进程以及特殊五种的密度和分布信息。 对太赫兹外差接收机来说，低电容的肖特基二极管技术是很重要的。肖特基二极 管工运行在高温和低温环境中，并且它能够覆盖直流到2 t h z 所有的频率范围。这些设 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 备是混频器和频率倍频器中是关键的元件，在混频器倍频器集成电路中他们拥有明显 的潜力。肖特基二极管技术已经发展了许多年，传统上他们用来驱动射电天文学和大 气遥感。商业基地应用已经变得很重要，因为这样，对需求低温冷却的检波器和源来 说肖特基是很受吸引的系统。 在1 9 8 0 年末，证明了空气桥肖特基二极管结构是晶须接触二极管一种可靠的，高 品质的选择。这个方法给出了一个机械稳定结构，这个结构具有低的寄生电容，阳极 在一个可再生的电磁环境中。因为这些原因，空气桥设备很快的成为了标准的技术。 尽管如此，肖特基接触可再生电子参数有非常少的信息。 目前，应用于太赫兹频率波段的混频器可以分为3 种：超导一绝缘一超导( s i s ) 【3 7 】 混频器、热电子辐射( h e b ) s q o 】混频器和肖特基二极管( s b d ) 1 1 】混频器。超导s i s 混频 检测技术，在太赫兹频段的小信号检测和接收技术中，以极低的接近于量子极限h v k b 的噪声温度、高的变频效率、低的本征功率等特性，具有其它混频检测技术无可比拟的 优越性，所需的本振功率小，但必须工作在低温环境下，需要液体很低的冷却温度， 增加了复杂性和费用，应用范围受到较多的限制。肖特基二极管混频器可以工作在室 温环境下，因此，研究和开发具有良好高频特性的肖特基二极管混频器件，提高太赫 兹波探测器室温下的灵敏度，有着极为为重要的意义和广阔的应用前景。 在过去的二十年里，二维肖特基二极管已经在室温混频器和本振源一代的产品中 广泛使用。半导体的不断的进步，电磁软件工具已经推进了这个技术向太赫兹领域发 展。在几十年的时间里，电磁频率波普的太赫兹领域已经受到了天文学家的极大的兴 趣，最近，太赫兹技术的进展已经已经开拓了地基机会领域和应用，例如等离子体核 聚变特征，空气的光特性，医学成像，安全等。最常见的技术是应用在太赫兹领域的 熟电子辐射热侧计接收机，超导体一绝缘体一超导体接收机和肖特基二极管接收机，电 子辐射热侧计接收机和超导体一绝缘体一超导体接收机显示了过高的灵敏度，但是，需 要液体的很低的冷却温度，增加了复杂性和费用，肖特基二极管接收机显示了在室温 下可以接受的性能以及理想的空间应用候选l l 引。 1 2 国内外太赫兹混频技术发展动态 混频器在第二次世界大战中伴随着雷达接收机而产生。当时的研究者们对混频器 进行了大量的理论研究以及科学实验，但是由于当时微波半导体器件发展速度较慢， 混频器的发展不够迅速。五十年代中期的时候，晶体管技术的发展以及外延单晶生长 技术的持续不断的发展，混频器的发展得到了前所未有的很大的物质基础。六十年代 的时候，表面势垒二极管还有隧道二极管的问世，极大的促进了混频器的发展。 混频器是太赫兹波收发系统中的关键部件。最近几十年，国内外的研究者们致力 于毫米波谐波混频器的研究。从混频器的发展趋势上我们可以看到混频器的频率越来 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 越高，频带也是越做越宽。国外混频器的频率早已经达到了太赫兹频段，国内在太赫 兹混频器方面的研究起步很晚，速度也很缓慢。 2 0 0 9 年，电子科技大学电子工程学院徐亚军等设计了工作在w 波段八次谐波混频 器 1 3 1 ，下图是他们设计的混频器的a d s 仿真图以及仿真得到的变频损耗。仿真结果表明 在输入信号功率为- 2 0 d b m 时，射频信号在9 0 到i o o g h z ，本振为1 1 7 5 0 6 2 5 g h z ，中 频固定在1 g h z ，变频损耗小于3 4 d b 。 邮。 _ 3 一s _ c ) $ _ 刊 二叫。 一c j 毋n 图1 - 1 基于a d s 的仿真图 图1 - 2 八次谐波混频器的仿真结果 2 0 0 8 年，电子科技大学的李凯设计出了1 4 0 g h z 毫米波接收机，下图显示了他设计 的混频器的加工版图和实物图以及测试结果【14 1 。混频器最优处频率为1 3 8 6 g h z ，变频 损耗值是1 3 7 d b 。混频器在1 3 5 g h z 到1 4 0 g h z 的带宽范围内，变频损耗小于2 0 d b ， 图1 - 3 混频器加工版图混频器实物 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 已 器 。 芒 q 巴 已 8 1 3 41 3 61 3 81 4 0 1 4 21 4 4 r ff r e q u e n c y ( g i - i z ) 图卜4 混频器的变频损耗与射频频率关系曲线 2 0 1 0 年，电子科技大学的陈哲设计了11 8 g h z 分谐波混频器，变频损耗在1 0 3 6 h z 一- - 1 3 3 g h z 的频带范围内小于l o d b 。另外还对2 2 0 g h z 分谐波混频器开展了仿真研究， 仿真结果表明在2 0 5 g h z 2 4 5 g h z 频带范围内变频损耗小于8 d b 。 图卜5 电路基片示意图以及混频器的加：【实物图 蚰5；弘弛拍拍弘兹加侣侣住伸 1 8 1 2 已 售 主 昌 。 匿 言 。 i r ff r e q u e n c yf g h z ) 图卜6 固定本振频率变频损耗测试曲线与仿真曲线对比 图卜72 2 0 g h z 分谐波混频器电路结构示意图 l 悖 一 | l f ； 一一 一少 爿口雹曝z 一。2 k 山z粤瑚z噶参d，婚列 r f _ g h z 图1 - 8 变频损耗仿真结果 英国的b e r t r a n dt h o m a s $ 1 j 作了许多有影响的混频器，下面简单介绍 1015l，宕q 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 在2 0 0 4 年和2 0 0 5 年的时候设计了3 3 0 g h z 平面肖特基二极管次谐波混频器 1 5 , 1 6 】，文 章中采用弗吉尼亚大学制造的s d i t 7 一d 2 0 反并联肖特基二极管对，二极管安装在一个悬 置石英基板微带电路上，在本振功率的范围是2 5 至l j 4 m w 下，测量得到在3 0 0 3 6 0 g h z 的 图1 - 9 次谐波混频电路的示意图 图1 - 1 0 测量得到的混频器的变频损耗 文章分别制造和测试了3 8 0 g h z 次谐波混频器和一个1 9 0 g h z 频率倍频器，它们在石 英基板微带线电路上。测量结果给出最好的d s b 混频器的噪声温度是1 6 2 5 k ( 3 7 2 g h z ) ， 测量得到固定调谐射频带宽从3 6 8 g h z 达到3 9 2 g h z ，相应的混频器的变频损耗是8 d b l l 7 】 g一蕾q-p怎目卜心-o!u02卜 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 “m ：一_ _ 0 羔1 0 i ! - _ r i ，1 气j 托j o j ? i j ：】f = i ”“：，j f ；，! _ 蓦j 。一，i ：“，罐一一遂 一：- 一一， ，。，7 n 。j j - 7 图卜1 1组合混频器和倍频器的3 8 0 g h z 的设计原理图 c e n t e rr ff r e q u e n c y ( g h z ) 图卜1 2 测试得到的混频器的变频损耗 在2 0 0 8 年设计了基于m m i c 薄膜平面肖特基二极管基础上的8 7 4 g h z 可偏置次谐波 混频器6 】，在8 0 0 到8 6 5 g h z 的频率范围内的双边带变频损耗是1 0 5 到1 2 d b 。m m i c 电 路安装在分裂波导板块的下半部，利用金属梁式引线悬置于跨渠道里面，另一个梁式 引线连接到中频输出电路上。利用j p l 的梁式引线制造工艺，反并联平面肖特基二极 管对放置在波导跨梁里面的平衡配置中。连接到第一个二极管阴极的梁式引线提供一 个d c r f 地面；连接到另一个二极管阳极的片上电容减弱从d c 偏置线出来的射频地 面。仿真结果：厶脚。1 0d b ，3d b 带宽8 2 0 g h z 9 2 0 g h z 。 图1 - 1 38 7 4 g h z 删i c 次谐波混频器电路示意图 一mp)d协器8luo趸auoo 殳一moiox!卜耐im童心q2卜 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 莒j ，7 。 、 ； 泓 ，7 誉_ 0， 童_ ， 王 l i ，二 u - i ； 气矿1 r 飞r l r l f l f l f l r l r i 雨1 而 c m u m l f 矗_ 嘲g i 图卜1 4 仿真得到的双边带转换损耗和中心射频频率的比较 另外： 设计了频率接近2 0 0 g h z 的再生空气桥肖特基二极管应用在1 8 3 g h z 次谐波混频器【1 7 】 ，在1 8 0 g h z 到2 0 0 g h z 的频率下，得到的混频器的双边带的变，频损耗小于7 d b 。 在2 0 1 0 年7 y j 设计的8 3 5 至u 9 0 0 g h z 砷化镓巨大薄膜基板肖特基二极管宽带基波平衡 混频器【1 9 】的在8 3 5 至u 9 0 0 g h z 的频率范围内的混频器的双边带变频损耗低于1 2 5 d b 。 德国的j s c h ”u r 在2 0 0 7 年以及2 0 0 8 发表了四谐波肖特基二极管混频器 2 0 2 1 】，在1 3 d b m 本振( 1 5 0 g h z ) 功率的时候的仿真结果得到的变频损耗是4 d b ，测量结果：用频谱 分析仪测量了8 7 0 删z 的i f 信号，一3 5d b m ，l c s s b = 2 7 d b 图卜1 5 谐波混频器设计一底部分裂模块 西班牙的j o s ，ev s i l o s 在2 0 0 9 年利用改进的漂移扩散模型的平带条件制造次谐波 肖特基混频器 2 2 1 ，在本振功率是3 5 m w 下，3 3 0 g h z 的混频器的双边带变频损耗小于 l o d b 。 1 3 论文工作 本课题将对太赫兹波段四次谐波混频器进行探索性研究。并采用谐波混频器的理 论设计了射频中心频率为3 2 0 g h z 的四次谐波混频器，实现将3 2 0 g h z 射频信号降低到中 频输出。混频器需求合适的本振源激励二极管，目前国内有8 0 g h z 左右的本振源。为了 实现3 2 0 g h z 左右的混频器，我们采用了四次谐波混频。采用反向并联肖特基二极管结 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 构可以实现本振频率的偶次谐波混频。 由于国内的相关的文献较少，在课题的前期，做了大量查阅国外文献的工作，并 设计了几个可行的方案。在国内可以买到的二极管的基础上，分别对法国u m s 公司的 d b e s l 0 5 a 肖特基势垒二极管，t e l e d y n es i e n t i f i c 公司的t s c a p 一2 0 2 0 以及 t s c - a p - 3 0 2 0 反向并联二极管在a d s 中进行了建模仿真，得到其在本振激励下，本振和 射频中心频率的阻抗，为后面的阻抗匹配做好准备，对三款二极管比较发现 t s c - a p - 2 0 2 0 二极管的性能较好，因此确定使用t e l e d y n es i e n t i f i c 公司的 t s c a p 一2 0 2 0 二极管作为我们的混频二极管。 课题的中后期，在混频无源部分的电路设计的过程中，我们先是尝试在国内外文 献中采用的结构的基础上建模仿真，发现悬置微带电路得到的仿真结果较差，并且考 虑到加工精度，后来选用了悬置共面波导和槽线结构。在论文的第四章，给出了几种 方案的结构图。最终，在对结构分析和优化的基础上确定了较为理想的两种结构，并 对后两种结构的电路进行了较为细致的仿真。 另外，反向并联二极管对实现本振频率的偶次谐波频率混频，产生的频率中，二 次谐波的功率较大，需要将其进行回收利用，这就需要设计合适的滤波器。为了简化 电路，我们采用了1 4 波长枝节滤波器代替了高低阻抗结构的滤波器。本课题的最后的 一种结构选用了悬置共面波导到槽线的过渡电路，过渡效果良好。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第2 章混频器电路传输线及混频理论介绍 设计混频器的时候，要选取合适的电路传输线。在本振功率的激励下，二极管混 频的信号要有合适的传输线路传输和提取有用信号。下面简要的介绍混频器可以选用 的传输线的理论。 2 1 几种电路传输线介绍 传输线是用来传输电磁能量和信息的装置，它的作用是引导电磁波沿一定的方向 传输，因此又称为导波系统，其所引导的电磁波称为导行波。 下图给出了几种传输线的图形。 2 1 1 微带线 i ( c )( ( j ) 图2 - 1 ( a ) 微带( b ) 鳍状线( c ) 槽线( d ) 共面波导 微带线在电路的应用中极为广泛，它是最基本的传输线，下面简单的介绍一下微 带线的的结构和电磁场在标准微带中是如何传播的。 图2 2 微带线的几何结构和电力线分布 当频率较低并且微带线的基板的介电常数远远大于空气的介电常数的时候，电磁 场基本在介质基板中传输，有- - d , 部分的电磁场泄漏到空气中，在介质基板和空气的 交界处存在着电磁场的不连续状态，由于这个原因，微带线中传输的并不是纯的t e m 波，一般情况下称为准t e m 波。另外，在电流的分布上，微带的边沿电流密度较大。 微带线的主要电参数是特性阻抗z 0 ，传播波长a ，以及有效的介电常数占。，根据 微波传输线特性阻抗z 的定义： z ：后 ( 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 式中l 是单位长度的线长的电感，c 是单位长度的线长的电容。 假设乙。是基片的介电常数是理想值占，。= 1 时的特性阻抗，则当基片的有效介电常 数是占。的时候，微带线的特性阻抗z 。可以表示为： 7 z o = 坠( 2 - 2 )一7 0 7。二， - c t 电磁场的分布影响着有效介电常数的数值，如果电磁场全部集中在介质基板内， 有效介电常数和基板的介电常数是相等的，但实际上，总是有一部分电磁场存在于空 气之中，所以有效的介电常数总是小于基板的介电常数的。电磁场的纵向分量会伴随 着电磁波的频率增加，同时，磁场的纵向分量的增长的速度大于电场的纵向分量。频 率变化时，基板的节点的介电常数和微带的特性阻抗发生变化，形成色散现象。频率 较低时，色散的现象不明显【2 3 1 。 2 1 2 共面波导 共面波导的两种结构以及它们的电场分布如图2 - 3 所示。图形中第一个的介质基 板背后没有接地板，而第二个的背后有接地板，这两种共面波导结构都支持准t e m 波 ，没有下限截止频率。 互幽枷 历历乃历；勿f a 历万刃獗 lu 图2 3 共面波导的两种结构及电场分布 低频的时候，一般采用准静态方法分析准t e m 模的传输线，但是随着频率的升高 ，磁场的纵向分量增加，电磁波的传输模式变成了非t e m 模式，对于此种状况，要采 用全波法进行分析共面波导。从上图中我们可以看到，与标准微带图形不同的是，共 面波导两侧还有接地金属层，三个金属层的宽度以及它们之间缝隙的宽度会影响共面 波导的性能，比如共面波导的特性阻抗以及有效介电常数等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 z _ 厣l 1 - 1 瓴= ，而蒜 ( 2 - 3 ) q = 鬻 ( 2 4 ) = 蓦s n ( 仁$ j f 厨，届2 南 y ，= 崭 圭s y ? s l y ，2 乏孑i 哂 i sy ，s1 = 髻焉 哪? s 圭 y ：= 后- 净1 ，2 器k ( k = 扣等1 ) l 2 艇 一= 一l n z = - 一托i 。) 万 、 一七。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 器k ( k = 咖2 等1 矿1。) 万 、 一七一 c ，= 2 e o h - 1 ) 鬻 ，一s 刀( _ _ w - 2 j 3 ) 弘砑 s 以( 二三= ) 1 一y ，2 s 刀2 ( 百w + 2 s ) 1 一删( 者) o 七2 1 2 ( 2 - 6 ) 六= 而，尾= 面a 2 舻搿圭纠九2 萨研三甜3 引 y ；= 锱 。力三乃2 参商 峪蚝s j 一 器啦器呦”) 器。 ( 2 7 ) 丘= 1 + ( 占，- 1 ) p ( 2 - 8 ) 舯p = 筹觋1 k ( “)k ( 厶) 悬置共面波导的特性阻抗： ，6 0 y r x e 。 g = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 一 k ( f 。) k ( f 2 ) 尺( “)k ( 六) 2 1 3 槽线 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 槽线的结构如图2 5 所示，基片的上面的金属层上有一条窄槽，基片的背面没有金 属接地板。 - t 月 图2 - 5 槽线的结构和其电力线的分布图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 从图2 5 可以看出电磁场在槽线中的传播的是t e 模式的，并且，电磁场的分布主 要集中在窄槽附近的基片里面，电场横跨窄槽，磁场垂直于槽所在的平面，由于电压 横跨槽口，所以，槽线结构的传输线非常适合并联连接元件，比如二极管，在我们的 设计中就利用了槽线的这个性质。 槽线的优点： ( 1 ) 槽线与无源器件连接十分方便，由于槽线的金属导体只存在在同一个平面上 ，这就使得在安装有源器件的时候不需要像微带那样在基片上打孔，简化了工艺、增 加系统的可靠性。 ( 2 ) 因为槽线的分布电容很小，可以获得较高的特性阻抗。 同时，也要考虑到槽线以下几个缺点： ( 1 ) 槽线传输线占据基片大部分面积，迫使集成电路的尺寸增加。 ( 2 ) 由于分布电容的关系，槽线很难获得较低特性阻抗阻抗。 ( 3 ) 槽线的损耗较高，品质因数较低。 为了降低辐射损耗，使得在槽线中传播的电磁场能够集中在窄槽口附近，要选用 介电常数大的基板材料，这样槽线的波导波长才会远远小于自由空间的波长。 槽线的特性阻抗随频率的变化甚微，图2 - 6 给出了基板的介电常数占，为9 6 时， 典型槽线结构的特性阻抗和波导波长的变化曲线。 哪幢 -慵o - ， 图2 - 6 槽线的特性波长特性以及阻抗特性 2 2 常用的微波传输线电路元件和不连续性元件 卜_ 一l 叫 传输线段 耦合线圈开路线 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 - i i 量量毫量置胃喜皇置墨| 皇量量喜量曼曼皇毫皇皇罾量量罾曼曼曼量罾量量量量量笪曼篡量曼曼曼曼曼曼鼍量置_ 薯量量曼量曼鼍曼曼曼舅曼曼量曼曼曼 卜。一 短路线图 j w t 直角拐弯线图 t - l 垤 v ll 2 lr - t 阶梯线 渐变线图 缝隙图t 型结图 ：- i i v 3 鞯 一 l v 。 图2 7 常用的微波电路传输线电路元件和不连续元件 图2 7 给出了常用的微波电路传输线电路元件和不连续元件，以上的结构通常都 可以用于设计集成电路。在本课题中，用到了短路结构，阶梯线，渐变线以及缝隙结 构。我们采用1 4 波长短路线实现频率选择功能，采用阶梯线设计滤波器，阻抗匹配， 渐变线实现阻抗的渐变，缝隙结构实现电容的串并联，从而达到阻抗匹配的目的。 2 3 混频器的基本理论 混频的功能是将信号频率从一个量值转变为另一个量值，具有这种功能的电路通 常称之为混频器。在许多微波测量系统中，都需要使用混频器把接收到的信号降到较 低的频率进行处理。在众多的混频器中，集成混频器具有体积小，性能稳定可靠，设计 技术成熟的特点，所以各种微波系统中普遍采用集成电路混频器。 混频器其最本质的元件是非线性元件，原因是因为非线性元件才能使得频率变换， 二极管以及晶体管作为非线性元件的混频器系统越来越普遍，肖特基势垒二极管的性 能优越，很多研究者都利用其应用在毫米波以及太赫兹频段。二极管作为非线性元件在 混频过程中会伴随着变频损耗，虽然这样，但是它结构简单，便于集成，噪声低，工 作稳定，动态范围大。 混频器所输出的频率成份为： 厶= i 加瓜拧 d i ( 2 - 1 1 ) 由上面的公式我们可以得出混频器可以进行下变频或者上变频，混频器输出的频 率有无穷多项，为了提取出我们想要得到的信号，必须将其他项滤除掉，所以设计混 频器的时候还要设计匹配电路和滤波器电路。 2 3 1 混频器的几种分类 如果按照所提取的谐波分量，混频器可分为以下两类： 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第一类：基波混频器。基波其实就是一次谐波。非线性元件的特点是：大部分的 输出功率都集中在基波上，由此可知，基波混频的损耗最小。国外的研究成果中，基 波混频器在8 4 0 g h z 到8 9 0 g h z 的频段上变频损耗小于1 0 分贝。基波混频器技术最为成 熟，由基波混频器的研究，研究者们发现了众多的结构。 第二类：谐波混频器。由公式2 - 1 我们知道，混频器的输出频率为输入频率( 射频 和本振频率) 的谐波组合，谐波混频器由此得来，其中最常见的是偶次谐波混频器。偶 次谐波混频器的最大的特点是降低本振源的频率要求，降低电路的成本，但是它的代 价是变频损耗增加。 如果按照混频时采用不同的非线性器件，混频器又可以分成有源和无源混频器： 1 ) 有源混频器。有源指的是需要额外加直流偏置，有源混频器通常采用晶体管或 场效应管等作为非线性器件。有源混频器的优点是能够得到混频增益并且它的组合干 扰小。 2 ) 无源混频器。无源混频器通常情况下采用平面肖特基二极管作为非线性元件。 肖特基二极管混频器的特点是能够使得整个混频器的结构简单，并且便于集成，二极 管混频器的工作状态稳定，混频器的性能优良。 如果按照电路结构来对混频器进行分类，混频器又有单端式混频，单平衡混频， 双平衡混频等多种形式，在下面一章给出了具体的描述。 2 3 2 混频器的主要技术指标 通常用以下几个指标来衡量太赫兹混频器的性能。 一、变频损耗或者变频增益： 变频损耗是混频器最重要的指标。混频器的变频损耗( 或增益) 定义： p ，= 坐( 2 - 1 2 ) 咏 其中，最p 为输入射频信号资用功率，层为输出中频资用功率。在混频器的输出端 口。中频信号能量远远低于射频信号能量，变频损耗用来表示能量的损耗。对二极管 混频器，变频损耗通常包括非线性电导净变频损耗、二极管芯的结损耗、电路的失配 损耗、电路的传输损耗等组成： 非线性电导净变频损耗是混频固有的，通常是混频器输出的无用组合频率分量引 起的，也就是非线性电导净变频损耗：二极管芯的结损耗是二极管引起的，理论研 究表明：二极管的非线性结电阻尺，才是真正引起频率变换的参数，串联电阻b 和寄生 电容c ，是对尺，的分压和旁路作用，加载在r ，上的信号功率小于信号的输入功率，这样 就产生了混频二极管管芯的结损耗：电路的失配损耗是由于信号传输线路中阻抗的不 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 匹配引起的信号能量的损耗；电路的传输损耗是由于实际的应用中电路所采用的传输 线并非理想的传输线，无可避免地存在损耗。 二、噪声系数： 混频器的噪声系数定义： n f = 器 p 其中，趴僻为输入信号噪声功率比，s n r 。为输出信号噪声功率比。根据用途不同 ，混频器噪声系数可以分为单边带噪声系数和双边带噪声系数。 三、动态范围： 动态范围指的是在混频器能正常工作的情况下，输入射频信号的功率范围。较早期 的混频器一般处于超外差接收机的第一级，为了提高接收机的灵敏度，混频器工作在 小信号的范围。伴随着低噪声放大器的发展，混频器被放在放大器的后面，混频器的 输入功率得到提高。 四、l d b 压缩点 如图2 8 所示，在输入功率较低时，输出功率随着输入功率的的增加呈线性变化， 当输入功率增大到一个较高值，输出功率的值低于线性变化值，当这个值比线性增益 值低l d b 时所对应功率被称为l d b 压缩点。当输入功率值超过l d b 压缩点时，输出功 率将迅速下降并达到一个饱和值，在通常情况下，其值比l d b 压缩点所对应的输出功 率大3 坩b 。 p o m ： 1d b ? p 0 1 蛆，t 一 ， p 瑚l p 1 1 曲i p 3p ：l 曩 图2 - 8 输出功率与输入功率的关系图 五、端口隔离度： 混频器有三个端口：射频信号输入端口，本振信号输入端口以及中频输出端口。这 三个端口之间信号会相互串扰，通常用端口隔离度表征信号的串扰的大小。 2 4 四次谐波混频的基本原理 为了得到良好的谐波混频，普遍采用两只肖特基二极管反向并联，如下图所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 f = 毛+ 则： t上 ! 牝。一 幽2 9 次诣坡混频原理图 两个二极管极性相反地并联在一起时，两管的电流分别表示为： i i = i s o 删一1 ) f 2 = 一i s o ( p 一一1 ) i = f l + f 2 = i s 。g “一e - a v - - 2 1 ( 匆) 矿= 圪口c o s ( d 上d t ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) i = 2 s h k c o s ( o t 0 1 ) ( 2 18 ) 由l ( ，) = 去r r e x c o s oc o s 伽o ) d o ，令口= x ，工。f 葛p ，则： i - - 2 1 s 。 2 i , ( a v w ) c o s c o j + 2 1 , ( t z v t o ) c o s 3 w w t + 】 ( 2 19 ) g = d i d v = 2 翻s oe o s h ( a v wc o s ( o t 、)q - 2 0 、) 将公式2 - 2 0 傅里叶展开： g = 2 a l o 【，o ( 口k l d ) + 2 ，2 ( 口k d ) c o s 2 c o 皿，t + 2 1 ( c 订么) c o s 4 a ) 加f + 】( 2 2 1 ) 在本振信号的激励下，加上射频信号电压b ： v s = 匕c o s t o s t( 2 2 2 ) i = g v s = 2 a l s o kc o s t o s t 1 0 q 圪o ) + 2 ，2 q 圪o ) e o s 2 a l d t + 2 1 4 仁圪dc o s 4 ( o t d f + 】 2a tc o s ( o g o l + a 2c o s t o s t + a 3 c o s 3 0 j l d t + a 4c o s ( 2 t o l d + q ) t + a 5e o s ( 2 t o l d q ) t + a 6e o s ( 4 t o l d + c o , ) t + a 7c o s ( 4 工。一t o , ) t + ( 2 2 3 ) 二极管管对的内部电流f c 等于： i c = ( f j i ：) 2 = i s o e o s h ( a v ) - 1 】( 2 2 4 ) 二极管在本振信号和射频信号的激励下的总电压v = 圪。c 0 s 吼。t + 圪e o s w s t ，则： 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 屯：i s o 【1 + ( g l o c o s c o l o t j + _ v s c o s c o s t 一) 2 + 一l 】 = 每 堡粤+ 导c o s 2 c o w t + 孚c o s 2 c o s t + v , o v s c o s ( 国l o - - o j s y +ods(o)加+略)f】+)(225) 由上面的公式我们看到，混频器的电流中出现( 2 c o l d + c o s ) ，( 4 吼d c o s ) ，等分 量，这些公式充分展示了采用反并联对二极管混频器的优势：反并联二极管管对外部 电流中不存在直流分量，此种混频器不用加载直流通路，电路结构简化：外部总电流 中只含有偶次本振谐波混频项，幅度比单管时大一倍，电路中输出的无用频率减少， 变频损耗降低。 2 5 谐波混频器的分析方法 在众多的混频器分析方法中，广义谐波分析法和大小信号分析法是使用较多的方 法，这两种方法可以有效地分析谐波混频器。在课题的设计过程中，我们就采用了 a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ( a d s ) 软件设计混频器并仿真，a d s 软件中采用了谐波平衡 分析方法，同时也采用了广义谐波平衡分析方法，、此款软件可以方便的进行混频器 的变频分析，采用相应的模块仿真得到混频器的各项特性参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章混频器的工艺，方案可行性抉择 第一章简单介绍了国内外混频器常采用的结构，基于现状和条件的考虑，文章尝 试了几种不同的结构进行仿真，每一个仿真的主要的部分进行记录，并做了分析优化 得到较为理想的结构，对后面两种较为理想的结构进行详细的仿真，并给出混频器的 变频损耗。 3 1 非线性结构形式方案的选择 可以采用多种结构形式实现谐波混频器： 1 单管混频：只采用一只二极管进行信号混频，这种混频器的电路结构简单，由 于只需一个二极管，所以混频器的成本也较低。但是，研究表明：这种混频器存在很 大的缺点：混频隔离度、噪声系数以及抑制干扰能力差，产生的杂波分量多，功率耗 散大，需要额外设计直流通路。因此，单管混频适合于要求不高的信号混频中。本课 题的射频信号频率高，如果设计直流通路对信号的影响很大，我们没有采用这个结构 图3 - 1 单管混频器电路结构图 2 单平衡谐波混频：一般有9 0 。和1 8 0 。3 d b 的两种单平衡混频器的结构，这两种 结构都采用了两只混频二极管，这种结构的优点是本振的相位噪声以及一些组合的谐 波分量在电流中被抵消掉，从而减小了变频损耗。但是，电桥单平衡混频要求电桥具 有3 d b 的带宽，所以一般应用于基波混频，考虑到我们的本振频率和射频的频率，我 们没有采用这个方案。 入 oo + 。：一 y p o 嵋j 下i1 ，p 勺y 勺- 垒l j io，o f l + 1 一 i _ 曩合同 胙 出 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 人 州+ 。：一 i ，p o 咋。一下j i l ，p 勺 r 勺。ol i l n ” 1 一 一 i 伊 i 出 图3 29 0 。和1 8 0 。3 d b 的两种单平衡混频器的结构图 3 双平衡谐波混频：此种结构采用四只二极管，四只二极管首尾相接组成环形 结构。采用这种结构的混频器要求四只二极管的具有高度的一致性此种混频器又名环 形管堆混频器。本振和射频信号都通过巴伦结构，转换成为平衡信号后传输进入二极 管。这种结构的优点：组合谐波成分比单平衡混频器的成分减少一半，从而降低了谐 波之间的干扰，减小了变频损耗；隔离度好，动态范围大等。但是，性价比高的二极 管的价格是非常昂贵的，为了节约成本，我们尽量选择采用较少二极管进行混频，同 时，即使不考虑成本，采用四个一款的二极管，他们也很难达到高要求的一致性。所 以，这个方案不可取。 图3 - 3 双平衡二极管混频器 4 双双平衡混频