第3章毫米波固态电路20140316-毫米波混频器和倍频器

3.3.3 亚谐波混频器 反向并联二极管对偶次谐波混频电路
优点：可降低毫米波本振频率要求；
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.3 亚谐波混频器
亚谐波混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.3 亚谐波混频器 亚谐波混频器
• 300-360GHz sub-harmonic mixer using planar Schot tky diodes [B. Thomas 2005]
3.3.3 亚谐波混频器 单片亚谐波混频器
• E-band monolithic Schottky diode pair subharmonic mix er [E.B. Stoneham 2006]
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.3 亚谐波混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
VB
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
Cj Cj(0)

V
3.4 .1 二极管倍频器
二极管倍频电路的基本形式
并联型（电流激励型）和串联型（电压激励型）
滤波器 滤 G f n滤 G f nD I D R V 滤 滤 Rfg波 f1 波 g fL 1 g 1 RS L g 波 器 器波 1 D 1 器 器 vS
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
两端器件—二极管混频器原理
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
三端器件—FET混频器原理
非线性源
阻性混频
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.1 单端混频器
单端混频器原理图
二极管、F ET等 优点：简单、变频损耗小（特别是巴伦和阻抗变换较难 实现的频率）、本振功率低； 缺点：杂波太多、带宽窄、隔离度差（LO/IF）；
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 毫米波吉尔伯特混频器
射频信号从 M1 和 M2 的栅极输入 , MOS 管工作在饱和区 , 将射频电压信号转 化为电流信号 ; 本振信号从 M3、M4、M5 和 M6 的栅极输入 , MOS 管工作在 开关状态。由开关电路对 RF 电流信号进行开关调制 , 实现混频功能。 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.4 .1 二极管倍频器 变容二极管的管芯结构和等效电路
平面管芯结构和台面管芯结构
SiO2 Cr-Au 欧姆接触 P Au-Ge
+ +
A N N+硅 B
P+ 耗尽层
N N -GaAs C
等效电路
Rj Ls Rj Rs Cj
(a) 管芯等效电路 sps
Rs Cj Cp
Ls
Rs
Cj
Cp
(b) 封装管完整的等效电路
下变频
上变频
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
混频器的分类
根据非线性器件：
(1)二端器件混频器（二极管） (2)三端器件混频器（FET、CMOS、HBT）
根据电路结构和工作特点：
单端混频器 平衡混频器（单平衡和双平衡） 亚谐波混频器（偶次谐波和寄次谐波） 镜像抑制混频器
信号频率fs端口的信源热噪声是kT0f，经过混频器变换成中频噪声； 在镜频 fi附近f内的热噪声与本振频率 fp之差为中频，也将变换成中频 噪声输出； 混频器内部损耗电阻热噪声以及混频器电流的散弹噪声，还有本机振 荡器所携带相位噪声都将变换成输出噪声， Pnd 。
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器
鳍线平衡混频器
鳍线－共面线平衡混频器
鳍线－带线平衡混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 V频段单片集成混合环平衡混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 双平衡混频器
特点：比单平 衡具有更高的 端口隔离度和 杂散抑制度。
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 双平衡混频器
• 70-90GHz monolithic HBT star mixer [Velocium]
3.3 混频器
噪声系数
m——混频器变频损耗
Pno kT0 f / m kT0 f / m Pnd
Pno Tm tm kT0 f T0
FSSB
kTm f mtm kT0 f Lm
FDSB
Pno 1 am t m 2k ' T0 f / m 2
根据混频器特性：
有源混频器： “hot”晶体管，特点是有增益，但结构复杂、不可逆； 无源混频器：二极管、“cold”晶体管（阻性FET混频器），线性度好；
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
两端器件—二极管混频器原理
二极管种类 PN结二极管 肖特基势垒二极管 PIN二极管 变容二极管 典型应用 检波器、混频器、调制 器（响应较慢） 检波器、混频器、调制 器（响应快） 开关、衰减器等 调谐器、倍频器、VCO 等
变频是频谱搬移电路
(ｂ） 输出信号 (a) 输入信号 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
主要技术指标
噪声系数 变频损耗/增益 隔离度（LO/IF/RF） 动态范围 线性度（三阶交调） 本振功率 镜频抑制度 端口驻波
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
但转换效率低；
电抗型倍频器优点是转换效率高，但工作不稳定
，易产生振荡；
倍频器的只要技术指标：
• • • • • • 工作频率和倍频次数； 倍频器的变频损耗（或效率）； 倍频器输出功率； 倍频器的驱动功率； 杂波抑制（波型纯度）； 输入/输出驻波。
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
二端器件 变容二极管（非线性电抗倍频） 阶跃二极管（非线性电抗倍频） IMPATT二极管（非线性电感倍频） 电阻性二极管 肖特基势垒二极管（非线性电阻倍频） 三端器件（电抗和电阻倍频）
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.4 倍频器
电阻型倍频优点是工作带宽宽，不易产生振荡，
3.3 混频器
噪声系数
• 定义
Pno F Pns
Pno：当系统输入端噪声温度为T0 = 290K时，到输出端 的总噪声资用功率； Pns ：仅由有用信号输入所产生的 那一部分输出的噪声资用功率。
根据混频器具体用途不同，噪声系数有两种：单边带噪声 和双边带噪声； 混频器输出端的中频噪声功率主要包括三部分：
滤波器 f1 RS
滤波器 nf1 iS RL GS f1
D nf1 GL
滤波器 滤波器
滤波器 nf1 GS iS Gg L1 R1 Rn Cn GL
RS
Hale Waihona Puke vSL1 R1 C1 Ln Rn Cn 滤波器 f1 滤波器 nf1 i1 in RL D L1 R1 C1 Ln Rn Cn
D C1 Ln D Rn
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器
平衡二极管MMIC混频器，采用的是混合环结构耦合器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 单片有源平衡混频器
• 32-46GHz monolithic GaAs PHEMT balanced mixer [Mimix]
3.3.3 亚谐波混频器 单片四次谐波混频器
• 60GHz Uniplanar MMIC 4-Subharmonic Mixer [M. W. Chapman 2002]有限宽度地共面（FGC）波导
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.4 镜像抑制混频器
镜频抑制混频器原理
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.1 单端混频器 二极管单端混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.1 单端混频器 单端混频器
• 230GHz single ended mixer [J.W. Archer 1981]
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
(c) 封装管的简化等效电路
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.4 .1 二极管倍频器
变容二极管的非线性特性
结电容
零偏压结电容
C j0 dq Cj dv vr 1 V D
反向偏压绝对值 PN结的势垒电位差
结电容变化系数
• γ=1/3 缓变结 • γ=1/2 突变结 • γ>1 超突变结
• V band singly balanced diode mixer [C. Florian 2005]
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 W频段单片集成混合环平衡混频器
• 91-99GHz monolithic HEMT Schottky diode singly b alanced mixer [Velocium]
3.3.1 单端混频器
阻性FET MMIC组成的镜像抑制混频器
优点：交调失真小； 直流功耗小；RF/LO 隔离度好。