HFSS与Designer协同仿真设计D波段分谐波混频器

HFSS 与Designer 协同仿真设计

D 波段分谐波混频器

王瀚卿，余世里，苏兴华，沈利江

上海航天电子技术研究所，上海，201109

摘要： 本文应用三维电磁场仿真软件HFSS ，对混频器各部分分别进行了建模仿真。然后利用HFSS 与Designer 的协同仿真，实现了D 波段分谐波混频器的仿真设计和优化。仿真结果表明，该混频器在12GHz 频带内单边带变频损耗（SSB ）小于7dB 。

关键词： D 波段 变频损耗 HFSS 和Designer 协同仿真

Simulation and Design of D band sub-harmonic mixer

by using HFSS and Designer

Wanghan Qing Yushi Li Suxing Hua Shenli Jiang

Shanghai astronavigation electronic technology institute

Shanghai 201109

Abstract : This paper presents the modeling and simulation of the components of mixer with the optimization of HFSS software. Then, using co-simulation between HFSS and Designer, the performance result of D-band mixer has been obtained and analyzed. The result indicates that, the conversion loss of the mixer is less than 7dB within 12 GHz.

Keywords : D band conversion loss co-simulation between HFSS and Designer

1. 引言

由于太赫兹技术已成为倍受各国政府支持和重视的先进科学技术，毫米波、亚毫米波混频器的应用日渐广泛, 国内外许多研究机构和科研院所都在积极开发结构合理、性能卓越的混频器，来满足各应用领域的需求。采用谐波混频技术的分谐波混频器，其本振源频率只是射频信号频率的数分之一，降低了设计高频接收机的难度和成本。

2. 分谐波混频器的工作原理

分谐波混频器是利用二极管的非线性原理，使本振信号产生高次谐波，与输入的射频信号进行混频，输出频率较低的中频信号。偶次谐波混频器利用反向并联二极管对的特性，即外部电流只含偶次本振谐波分量，而奇次本振谐波分量仅存在于管对环路内部，减少了电路

输出信号的干扰频率的影响，降低了变频损耗。

2

图1 反向并联二极管对结构

3. 分谐波混频器的设计

所要设计的混频器，射频频率范围为118.75±6GHz ，本振频率为59.375GHz ，中频输出频率为0～6GHz ，射频端：标准矩形波导WR-8，本振端：标准矩形波导WR-15。 根据分谐波混频器的特性，本文对D 波段混频器的设计方案如图2所示。

(a) D

波段分谐波混频器电路拓扑结构

(b) D 波段分谐波混频器电路原理框图

图2 D 波段分谐波混频器设计方案

本文选用Rogers 5880 5mil 厚度的介质板，其相对介电常数为2.2。在D 波段，为了降低变频损耗，本文选择悬置微带结构。

c f = （1.1） 根据悬置微带结构的截止频率公式，选择的腔体尺寸如下，a=0.75mm ，b=0.627mm ，h=0.127mm 。其中，a 为腔体长度，b 为腔体高度，h 为介质板厚度。由于悬置微带线的腔体空间有限，且不易接地，将射频、中频地合并，同时放置于远离中频输出端口的射频端口，避免中频干扰信号的输出。

混频二极管是混频器的核心部分，它的性能好坏直接关系到和混频器的变频损耗和工作带宽。通过对二极管参数的比对，本文选用VDI 公司的肖特基二极管，其Spice 参数如下：

表1 VDI 公司肖特基二极管单管Spice 参数 I S

Amp R S

Ω n C j0

fF m Eg eV

V J

eV XTI FC BV V I BV μA 3.5e-14 7.8 1.2 6.5 0.26 1.430.75 2.0 0.5 5 20

4.HFSS的建模与协同仿真

根据的混频器的结构，对其分别进行波导—悬置微带过渡结构、RF-LO、IF滤波器、反向二极管对电路匹配的设计仿真。然后，根据仿真软件特性，将反向二极管对参数代入Ansoft Designer 建立反向二极管对模型。因此，将混频器分为波导输入至二极管对和二极管对混频至中频输出两部分，应用HFSS将之前仿真的各部分级联建立整体模型。

（a）波导-悬置微带过渡结构建模

（b）波导-悬置微带过渡结构仿真结果

图3 波导-悬置微带过渡结构仿真建模

波导-悬置微带过渡结构在112GHz-124GHz的频带内，回波损耗小于16dB。

（a）本振双工器结构图

（b）本振双工器仿真结果

（c）本振双工器仿真结果

图4 本振双工器仿真建模

根据图4的仿真结果，在56GHz-61.5GHz的频带内，本振输入回波损耗小于10dB，本振与中频端隔离度在20dB以上。在0-10GHz的频带内，中频输出回波损耗小于12dB。

图5 Ansoft Designer与HFSS协同优化仿真

在仿真得到各部分的仿真结果后，在Ansoft Designer 中建立混频器模型。根据二极管对的大信号仿真阻抗参数，给予反向二极管匹配调谐以初始仿真调整方向。应用Ansoft Designer与HFSS协同仿真功能，实时的调整优化反向二极管对的匹配结构。

5.结论

在整体优化后，得到混频器的仿真结果。

图6 Designer与HFSS协同扫频仿真

首先，应用协同仿真，保持本振输入59.375GHz，本振功率5dBm，射频输入功率-10dBm不变，将射频输入频率从110GHz扫频至126GHz，得到中频输出功率仿真结果如图6所示。在112GHz-124GHz的频带内，变频损耗小于5dB。为了验证，进行单边带（SSB）单频点变频损耗仿真，输入信号为单频点信号，可以得到单频点仿真结果如图7。