课题：有源微波电路讲解

1、 无源混频器超宽带的研究 学校：华北电力大学 专业：通信与信息系统 姓名：孟宪盖 学号：2132215028 指导教师：李永倩摘 要在无线通信领域，微波通信由于自身优势而成为近来关注和研究的对象。由于通信传输速率的提高，势必需要增大带宽。而宽带接收机的实现需要超宽带的、射频与中频交叠的混频器。因此，有必要在满足混频器的主要技术指标上，研究如何增大工作带宽。在本文中，对比以往的混频器设计特点，对超宽带微波混频器采用双双平衡混频器电路结构，由2个肖特基势垒二极管环形管堆和巴伦共同构成。巴伦采用了双面微带渐变线巴伦形式。双双平衡混频器解决了射频和中频交叠的问题，显示了良好的宽频带特性、隔离特性和高中

2、频输出特性。关键词：微波 双双平衡混频器 双面微带渐变线巴伦ABSTRACTIn the field of wireless communications, microwave communications has became the target of recent attention and study for its own advantage. To improve the communication transfer rate,it is bound to increase bandwidth. And the realization of wideband receiver ne

3、ed the mixer to be ultra-widebanded, RF and IF overlaped. Therefore, after realizeing the main technical indicators,how to increase the operating bandwidth has became the next target of study. In the used herein, contrasting to the characteristics of the conventional design of the mixer, super mixer

4、 adapts the structure of double-double balanced mixer circuit , constitued with the two Schottky barrier annular diode stack and a balun. Barron uses a form of sided-microstrip and gradient-line balun. The double-double balanced mixer solves the problem of overlapping between RF and IF, and displays

5、 good wideband characteristics, isolation characteristics and high-IF output characteristics. Keywords: Microwave double-double balanced mixer sided-microstrip and gradient-line balun一 绪论1.1研究背景微波混频器在微波通信系统中实际上起到频谱搬移的功能，即将较高频率的射频信号经过非线性器件变换成较低频率的中频信号，所以在微波系统中混频器是至关重要的部件。在微波通信、雷达、遥控、遥感、侦察与电子对抗等微波应用领域

6、，混频器都有不可替代的作用。微波混频器由于处于系统承上启下，“厚此薄彼”的环节。一方面的优势往往以另一方面的损失为代价。混频器的变频损耗越大，系统的噪声也就会越大；定向耦合器中的耦合系数过大，会使微波信号进入本振端，造成干扰，过小，会使本振输入功率较小。所以，有必要研究更好特性的混频器设计，以达到符合实际要求。1.2发展概况由于微波混频器是利用变阻二极管或肖特基势垒二极管等非线性器件来实现变频的一种微波电路，在二十世纪六十年代微波半导体发展之前，鲜有进展。按混频器所用的非线性器件的性质，可以将其分为有源混频器和无源混频器。采用二极管作非线性器件的混频器称为无源混频器，目前通信中多数混频器是无源

7、混频器加放大器的组合，算不上真正的有源混频器。微波混频器有4种基本电路结构：单端混频器、平衡混频器、双平衡混频器、双双平衡混频器(也叫三平衡混频器)。本文主要介绍的是利用肖特基势垒二极管作非线性器件的无源混频器电路。在满足微波混频器基本设计要求（低噪声、大动态范围和低变频损耗）之外，如何增大工作带宽，成为无源微波混频器的重点。1.3论文工作二 混频器分类 采用晶体管和场效应管作为非线性器件的混频器称为有源器件混频器，有源混频器能够提供好的带宽特性，但是其噪声也会因此升高，线性度也比较低，因此它适用于较低的动态范围。采用二极管作非线性器件的混频器称为无源器件混频器，又称电阻性混频器。无源混频器具

8、有较低的噪声，其线性度也较好，但是其带宽较窄，适用于更高要求的接收机设计。2.1单端混频器单端混频器是最简单的一种混频器，根据功率混合电路（定向耦合器）的不同，有波导、同轴、微带等多种结构。整体结构由功率混合电路、阻抗匹配电路、二极管及管座和中频输出电路等组成。 图2-1 微带型单端混频器电路结构示意图工作原理：射频信号从左端输入，经定向耦合器和阻抗匹配电路加到二极管上；本振功率由定向耦合器的另一端输入也加到二极管上，定向耦合器完成本振和信号功率混合。通过对平行耦合线定向耦合器的研究知道，输入信号虽然电平很低，但由于耦合的影响，信号功率不能全部经直通臂加到二极管上,部分会耦合到耦合壁而被负载吸

9、收。由网络的互易性知，本振由隔离臂加入,其功率一部分耦合加到二极管,另一部分损耗在匹配负载上。定向耦合器的设计应同时兼顾耦合度和隔离度的要求：耦合过紧,隔离度差,信号功率被匹配负载吸收的就多；耦合过松,虽然减少了信号损失,但本振功率就需要加大,一般耦合度取10dB。阻抗匹配电路完成信号和本振输入电路与二极管的匹配,为使信号功率最大进入二极管,应以信号频率为中心频率设计阻抗匹配段。射频短路线采用低阻抗开路线，输出中频信号，对本振和射频信号相当于高阻抗短路线。但当中频电流反向时，在二极管输入端会出现中频信号干扰本振和射频信号，因此加高阻线以使中频信号接地，而对本振和射频信号开路无影响。单端混频器的

10、电性能较差,在中频端可能出现的互调(IM)分量如下: m,n=0,1,2,3.可以看出，单端混频器对IM抑制较差，另外单端混频器的隔离度!噪声系数较差,有动态范围小。2.2 单平衡混频器单平衡混频器充分地利用信号和本振功率,使两管混频后的中频叠加输出。增加混频管,同时也就增加了混频器的动态范围。平衡电桥使本机振荡器的噪声抵消,从而改善噪声性能，电桥又使信号与本振达到良好隔离,因此平衡混频器是最普遍采用的形式。图2-2 单平衡混频器结构示意图 一般情况下,中频很低，有信号频率fs本振频率，电桥臂长度为，是本振和信号平均频率的微带波长。混频管与电桥之间的匹配电路将混频管阻抗匹配到50，电桥四个臂的

11、特性阻抗均是50，从而实现分支电桥与混频管之间的阻抗匹配，达到信号与本振功率输入到混频管最大。设二极管所在支路的信号和本振电压分别为: 时变电导和电流中频电流为： 二极管所在支路的信号和本振电压分别为: 时变电导和电流中频电流为： 中频电流为： 相对单端混频器，单平衡混频器的优势：1、由于肖特基二极管是电压控制电流，电流式子里含有中频分量，通过反向二极管的设计就抵消了本振中的相位噪声；2、输出中频的谐波分量，m=1,2,3.。被抵消了，从而对的干扰分量减少了，有利于优化噪声系数。2.3混合环平衡混频器图 为混合环平衡混频器。信号和本振分别以相位差分配到2只二极管上,故这类混频器又称反相型平衡混

12、频器。各臂特性阻抗均为图2-3 混合环平衡混频器设二极管和上的信号电压为： （2-20）本振电压为： （2-21） （2-22）在二极管上的时变电导和中频电流分别为： （2-23）在二极管上的时变电导和中频电流分别为： （2-24）负载上的中频电流为： （2-25）将中频电流写成指数形式如下：为偶数时， ；为奇数时，对于端口驻波比来说，不论是信号口还是本振口，两管反射将迭加,因此端口驻波比较差。2.4 双平衡混频器双平衡混频器又称环形管堆式混频器，4只混频管的电气性能、分布参数以及结构尺严格一致。信号和本振电压分别通过巴伦加到二极管上，将非平衡信号变成平衡信号，中频信号由本振巴伦的次级中心抽头

13、引出。双平衡混频器具有较高的隔离度，由于采用了宽频带巴伦，混频器频带只取决于巴伦带宽。另一主要优点是其混频产物只有单端混频器混频产物的四分之一。图2-4 双平衡混频器结构示意图每个二极管上的电压：两端： 两端：两端： 两端：总的电流 设，对于有，均为负值，对于有 同理，有总电流当或为偶数时，即所有信号和本振的偶次谐波组合分量都被抵消了，剩下的只有奇次谐波组合分量。三 混频器的主要技术指标3.1 变频损耗射频信号通过混频器要产生功率的损耗，中频输出端口的功率要小于射频端口输入的功率。变频损耗是输入功率信号变频到中频信号后功率损失消耗的大小的度量。为电路适配损耗，输入输出端口未能匹配到50而产生的

14、功率损失；为混频二极管管芯的结损耗，结损耗主要由二极管管芯等效电路中电阻和结电容分压和起旁路作用引起的。为净变频损耗，是组合分量引起的能量损耗。图3-1 肖特基二极管等效电路图3.2 噪声系数 线性网络的噪声系数F定义为，其中是线性网络的衰减，即变频损耗。噪声系数是表征混频器性能好坏的一个重要指标。但是在混频器和中频放大器级联中，其中是中频放大器的噪声系数，是混频器的变频损耗。在有低噪声放大器的接收机中，其噪声系数主要取决于低噪声放大器的噪声系数。3.3 隔离度 混频器的端口隔离度包括LO-RF，LO-IF，RF-IF隔离度。隔离度定义是原有功率与本振或信号泄漏到其他端口的功率之比。LO-RF

15、隔离度为。在下变频器中，若隔离度不好，可能从接收机信号端反向辐射或从天线反发射,造成对其他电设备干扰。在上变频器中，中频信号要上变频到微波高频信号，要求本振到中频的隔离度达到 80100dB。上变频器中本振功率通常比中频功率大10dB 以上，若本振射频隔离度低于 20dB，则泄露到射频的本振功率等于甚至大于射频功率。RF-LO隔离度为，在共用本振的多通道接收系统中，当一个通道的信号泄漏到另一通道时，就会产生交叉干扰。3.4 动态范围动态范围是混频器正常工作时的微波输入功率范围。其下限是与基底噪声电平相比拟的功率，又叫可辨输入信号电平，取决于混频器的噪声电平。其上限是ldB压缩点，超过ldB压缩

16、点混频器会失去有效工作能力，甚至被烧毁。3.5 线性度 图3-2 1dB压缩点及三阶截断点 1dB 压缩点以及三阶截断点都可以作为衡量线性度的指标。工程当中，一般更为常用地采用三阶截断点作为衡量线性度的指标。三阶交调系数引申的交调失真对模拟微波通信来说，会产生邻近信道的串扰，对数字微波通信来说，会降低系统的频谱利用率，并使误码率恶化；因此容量越大的系统，要求IP3越高，IP3越高表示线性度越好和更少的失真。三阶截断点与本振功率及偏压有关，本振功率越高则三阶截断点越高。3.6 镜频抑制度当有用射频信号与镜频干扰信号以相同功率输入至接收机，二者产生的中频信号幅度的比值就是镜频抑制度。镜频抑制度反映

17、了一个混频器对镜频干扰信号削弱能力，镜频干扰信号通过混频器后会得到衰减，镜频抑制度反映了对镜频干扰信号衰减的程度。解决镜频影响采用高中频，即利用输出中频频率和镜频频率之差设计放大器通频带，由于首次输出中频频率还高，所以需要二次或者三次变频。另一种方法就是在低噪声放大器后面加抑制镜频滤波器，将镜频的衰减保持在20dB以上。从而阻止噪声混频成中频。3.7本振功率本振功率不同，混频二极管中的电流不同，会使混频器的端口阻抗发生变化，影响匹配效果。本振功率越大，1dB 压缩点越高，混频器动态范围变大，三阶截断点越高，线性度越高。本振功率越大，噪声系数越高，泄露到其他端口的功率也越多。 3.8 端口驻波比

18、 根据端口驻波比S与反射系数的关系知，混频器的输入端口驻波比与反射系数有关，反射系数会带来输入信号的再次混频。而端口输入驻波比与端口的阻抗匹配有关，本振功率变化带来的混频器工作状态影响阻抗匹配。四 巴伦 巴伦具有多种结构，需要根据频率来进行选择。在低频段，它只不过是一个具有中心抽头的变压器。在微波频段,为了满足平衡一非平衡的变换，魔T、环行器及三分贝定向藕合器等均可当成巴伦使用。目前用得最多的是微带渐变线巴伦、马春德巴伦、共面微带线巴伦等。现在，超宽带巴伦更是放大器、混频器等宽带器件中的关键元件，它的性能直接影响着这些器件的性能。在超宽带双双平衡混频器中，信号、本振和中频端各采用一个宽带巴伦，

19、双双平衡混频器的性能好坏主要取决于各端口巴伦设计的好坏，所以设计宽带巴伦是本项目的核心之一。4.1 巴伦的工作原理 巴伦将信号在不平衡电路结构和平衡电路结构之间进行转换,将不平衡信号转换为平衡信号。平衡电路中的平衡指存在两路大小相等、方向相反的信号。按照天线理论，在天线领域中，偶极子天线属于平衡型天线，而同轴电缆则属于不平衡传输线。如果将其直接连接,就会影响天线的辐射，因此需要在天线和电缆之间加入平衡非平衡转换器一巴伦。巴伦不仅可以起到阻抗变换的作用，而且可以实现某些天线馈电的不平衡到平衡的转换。图4-1 巴伦低频电路示意图 巴伦初级的一端接地，是不平衡端口。巴伦次级2和次级3两端都不接地，对

20、地都具有高阻抗，因而次级是平衡端口。当次级两端都接有负载电阻时，对地产生的电压大小相等方向相反，即，从初级向负载方向看，改变变压器的变化比n可使输入电阻与信号源电阻相等，而实现匹配。4.2.同轴线巴伦图4-2 (a)同轴线巴伦的结构图 (b)同轴线巴伦的等效电路图 在图a中，长的同轴线中长的外导体不接地，左端为平衡端口，右端为不平衡端口。左端平衡端口中，内导体受外导体屏蔽，故对地阻抗较高。端对地阻抗取决于口与地之间的传输线的阻抗。假设同轴线特性阻抗为，则其阻抗为，式中，是工作波长。在图b中，1端输入电压，2,3端电压矢量，有，式中，为信号中心波长。但当时，上式不为-1，平衡度破坏。假设，在端接

21、长度为的短路线，其对地的特征阻抗也为，。实际中并不能无限宽的展宽频带。4.3 双面微带渐变线巴伦 图（a）中在介质基片两面光刻腐蚀出两条金属带，上面金属带按一定规律变化，成为喇叭状的阻抗渐变线段，下面金属带是均匀不变宽度。基片悬置于盒体半高中间位置。图（b）的左端是不平衡输入端口，为非标准微带线结构；右端口的上下两条金属条带相对于基片对称，是平衡端口。渐变线巴伦是通过渐变线的缓慢变化将非平衡端口的阻抗变化到平衡端口的阻抗。图4-3 双面微带渐变线巴伦 (a)巴伦盒体 (b)巴伦基片另外，输入端口1基材下面的金属条带连接到盒子上接地，上面的金属条（画实线者）带可以和同轴输入的中心导体相连接。因巴

22、伦要通过下面左端的金属带焊接在盒子上，所以下面左端的金属带（画虚线者）比上面的金属带要宽很多。2端口和3端口为平衡输出端口，和环行混频二极管堆的臂相连接。为获得宽频带内阻抗渐变转换，渐变线段采用阻抗的指数渐变形式，可在较短的长度内获得宽频带低反射的阻抗变换性能。该双面微带渐变线巴伦可满足混频器218Ghz宽带的要求。5 超宽带双双混频器5.1 超宽带双双混频器原理双平衡混频器拓宽了本振、射频工作带宽，中频带宽拓宽由于采用与频率相关的电容电感而处理不明显，抑制互调分量能力较差。因此引入了双双平衡混频器。 双双平衡混频器的变频部分一般可以用2个环行或星型管堆和巴伦相连接构成。在此采用了2个环行管堆

23、。图中，LO和RF均采用2个独立的渐变微带巴伦接到环行管堆。LO和RF信号均为不平衡信号，通过渐变微带巴伦的不平衡平衡转换，输入到环行二极管管堆。另外，中频IF输出端口与环行管堆间的高频磁芯线圈作为耦合，实现平衡不平衡转换，即中频IF输出的是不平衡信号，由IF输出端口有一线接地可分析得知。 图5-1 双双混频器电路图5.2 超宽带双双混频器优势（1） 工作带宽更宽 LO、RF、IF三个信号可在218GHz频率范围内变化，一者得力于双面微带渐变线巴伦的设计，二者得力于肖特基势垒混频二极管组成的混频器，频率范围可以做得很宽，可以达几个甚至几十个倍频程，在此频率范围采用了硅材料的二极管。（2） 隔离度更好 图5-2 双双混频器原理图 射频RF和中频IF交迭输入至微波双双平衡混频器，本身就避免了二者的互相干扰，在图 中，双双平衡混频器的本振端口和射频端口均交叉地与上、下两二极管环路衔接。当本振是正半周时，上环只有和管导通，下环则有和导通。本振输入通过巴伦与、形成通路，射频输入通过相应的巴伦与、形成通路，两个通路没有相交。当本振是负半周时，上环只有和管导通，下环只有、管导通。本振通过巴伦与、形成