毫米波谐波混频器

毫米波谐波混频器

谭炽州1， 唐小宏2 ，何宗锐3

1，2，3电子科技大学电子工程学院 （610054）

E-mail:filer80@

摘 要：本文介绍了Ka 波段微带5次谐波混频器的设计方法。该混频器主要由端口匹配电路、中频低通滤波器和肖特基势垒二极管构成。根据计算机仿真和优化结果。在Ka 波段变频损耗低于14dB。

关键词：毫米波 5次谐波混频 变频损耗 基势垒二极管

一、 引 言

毫米波谐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毫米波频段工作频率很高，虽然有性能优越的混频器件，但同频段高性能的本振源实现难、成本高。谐波混频器是利用混频器件的非线性特性，使本振产生的高次谐波分量与外来信号混频，获得差频输出。它产生的谐波不限于偶次或奇次。从而克服了直接采用毫米波本振源带来的困难，减少了系统成本。电路通常采用微带结构，具有设计简单、制作容易、体积小、质量轻、安装方便的诸多优点。因此，谐波混频器在毫米波频段有着广阔的应用背景。

本文利用谐波平衡法，借助于CAD 软件，对肖特基势垒二极管奇次谐波混频器进行了优化设计。 二、 谐波混频器的基本原理

谐波混频器结构原理如图1所

示。当外加射频信号和本振信号于肖

特基势垒二极管上时，由于器件的非

线性特性，会产生本振的n（n＝

2,3,4… …）次谐波与射频信号混

频，然后通过输出的中频滤波器选出

所需要的中频信号。下面简要介绍非线性电阻（或电导）混频原理。假定二极管的伏安特性用下式表示：

(2－1) )(v f i =二极管上加大信号本振（功率1般在1mW 以上）和微弱的射频信号（µW 级以下）分别表示为：

本振电压： t V t v L L L ωcos )(= (2－2) 信号电压： t V t v s s s ωcos )(= (2－3) 当两电压加于二极管上时。可推出二极管混频电导表达式如下：

(2－4)

∑∞=−=10cos 2)(n L n t n g

g t g ω - 1 -

式中 ∫=πωπ

200)()(21t d t g g L (2－5) ∫=πωω

π20)(cos )(21t td n t g g L L

n (2－6) 0g 称为二极管的平均混频电导；是对应本振的第n 次谐波的混频电导。

n g 二极管混频电流表达式为：

t V t n g g t V f i s s n L n L L ωωωcos cos 2)cos (10⎥⎦

⎤⎢⎣⎡++=∑∞=

(2－7)

∑∞=±++=10)cos(cos )cos (n s L s n

s s L L t n V g t V g t V f ωωωω式（2－7）给出了二极管混频电流中所包含的多个频率分量。从上面的分析可以看出

（1）

在非线性电阻混频过程中产生了无数的组合频率分量，若负载采用适当的滤波器，可取出所需的中频分量而将其他组合频率滤掉。

（2） 从式（2－7）可得到中频分量振幅为： s n IF V g I = (2－8)

中频电流振幅与输入信号振幅成比例，即在小信号时，混频器输出端与输入端分量振幅之间具有线性关系。

s V （3） 混频过程中，本振信号是强信号，它产生了无数的谐波，但其谐波功率大约随而变化（n 是谐波次数），因此混频电流的组合分量强度随n 增加而很快地减少。因此随着混频次数的增加，变频损耗也会增加。

2/1n 三、5次谐波混频器优化设计

根据课题要求我们要设计一

个射频信号为30GHz，本振信号为

5.9GHz，输出中频为500MHz 的微

带集成谐波混频器。其拓扑框图

如图2所示。主要包括射频带通

滤波器，本振带通滤波器，中频低通滤波器和匹配支节组成。

本谐波混频电路设计的关键在于通过滤波器设计和开路线对三个频率进行匹配，提高肖特基势垒二极管的变频效率。如射频口对输入信号通过，对本振、中频和其他频率反射，这样既提高了各个端口的隔离度，也使输入信号能够尽可能在二极管中参与混频，提高变频效率。本振端口情况类似。在中频输出端口我们通过低通滤波器提取出我们所希望得到的中频信号，反射射频和本振信号。

在二极管和本振端口之间我们加入一段1/4射频信号波长的微带线和开路线，目的是在不影响本振信号参与混频的同时，抑制射频信号在本振端口的泄漏，降低变频损耗。 - 2 -

混频管采用SKYWORKS公司的dmk2790肖特基势垒二极管。射频、本振带通滤波器采用耦合微带形式，低通滤波器采用π型切比雪夫低通滤波。首先根据SKYWORKS公司提供的SPICE 参数建立二极管模型。再对各个滤波器逐个进行仿真。最后通过谐波平衡法仿真整个电路。

射频信号30GHz（-15dBm）,本振5.9GHz（10dBm），输出频率500MHz。经过优化后，得到如下结果。如图3所示，变频损耗低于14dB。

通过各个端口的输出我们可以计算出隔离度：本振－中频隔离度为112dB；射频－中频隔离度为200dB；射频－本振隔离度为43dB。

实际电路如图4所示：

四、结束语

本文通过理论分析了肖特基势垒二极管的混频特性，并在此基础上设计了ka波段5次谐波混频器，通过使用CAD软件对滤波器，匹配支节进行优化，在变频损耗、端口隔离度等混频器的重要技术指标上得到了十分理想的仿真效果。与之相关的实验研究工作仍在进行中。

参考文献

1）薛良金 编著，《毫米波工程基础》，国防工业出版社，1998

2）言华，《微波固态电路》，北京理工大学出版社，1995

3）Thomas J.Ellis A PLANAR CIRCUIT DESIGN FOR HIGH ORDER SUB-HARMONIC MIXERS IEEE MTT-S Digest 1997 1039-1042

4）清华大学编写组，《微带电路》，人民邮电出版社，1976

- 3 -