一種w波段寬帶混頻器的製作方法
2023-10-11 02:15:14
專利名稱：一種w波段寬帶混頻器的製作方法
技術領域：
本發明屬於毫米波器件技術領域，涉及射頻帶寬跨越整個W波段的毫米波寬帶混頻器。
背景技術：
隨著無線通信用戶劇增導致微波頻譜出現擁擠，加之精密武器系統的發展需求，促使系統工作頻率延伸至毫米波頻段。毫米波在無線通信領域中的應用被廣泛研究，在現代毫米波通信系統中，混頻器的性能對整個接收機來說至關重要。因此，對W波段寬帶混頻器的研究，成為是毫米波技術的一個重要課題。W波段屬於三毫米波的範圍，這個頻段的電磁波在傳播過程中輻射與散射現象明顯，所以該波段的器件一般不能暴露在外部環境中，而是需要製作在腔體內部，以減少傳輸過程中的能量損耗。混頻器包含三個埠，即本振輸入埠、射頻信號輸入埠和中頻輸出埠。能量從波導到混頻二極體的傳輸需要經過一系列的過渡結構，如經過鰭線將電磁波能量從腔體結構過渡到平面電路中，再經過鰭線到槽線、槽線到懸置微帶等過渡結構，最終在混頻二極體所在位置實現本振與射頻的混頻。各種過渡結構所採用的形式目前已有較成熟的研究，在相同電路尺寸設計具有最小的反射係數是其研究的重點。為使過渡性能良好，混頻器設計者採用的過渡技術是目前研究較多且已發展成熟的結構，同時考慮到各個不連續結構處反射，各種匹配技術被用來達到良好的阻抗匹配。由於傳輸與過渡及匹配結構的不同，所以混頻器的具體實現電路形式也各不相同。混頻器的最終目的是使本振與射頻信號良好地加載到混頻二極體上，並利用二極體的非線性效應產生變頻，同時要保證三個埠之間具有良好的隔離。因此，將本振與射頻信號以很小的反射進行傳輸以及提高埠間隔離度的要求成為混頻器設計的關鍵。隨著頻率的升高，各種性能良好的電路設計相對複雜，目前，關於微波頻段混頻器技術研究已經相對較成熟，但毫米波及W頻段混頻器技術仍有待進一步研究與實踐。另外，已有的W波段混頻器常常是在該波段的部分頻帶範圍內有較好的性能，而工作頻率覆蓋整個W波段的寬帶混頻器還不多見。現有的一種W波段混頻器電路結構(見Wfei Zhao, Yong Zhang, andMingzhou Zhan."Design and Performance of a ff-Band Microstrip Rat-Race BalancedMixer」. ICMMT 2010Proceedings)，它採用一個傳統的具有五個埠的混合環結構和兩隻DMK2790砷化鎵肖特基二極體實現了單平衡混頻器。射頻信號和本地振蕩信號通過波導-微帶的對極鰭線過渡結構傳輸到微帶電路，其在頻率為90 97GHz的範圍內變頻損耗小於13.5dB。可見其不僅帶寬不夠寬而且其性能也不理想。
發明內容
本發明提供一種W波段寬帶混頻器，通過在各種傳輸過渡結構中引入匹配結構，使電磁波在不連續處得到良好阻抗匹配，減小電磁波的反射，達到寬帶傳輸的效果；在隔離度方面，中頻輸出端採用微小腔體來增大對射頻與本振的抑制度。該W波段寬帶混頻器在整個W波段(75-llOGHz)內具有變頻損耗均小於IOdB的良好性能。本發明技術方案如下—種W波段寬帶混頻器，如圖1 3所示，包括印製於介質基片兩面、並裝配於金屬波導腔內的單平衡混頻電路；所述單平衡混頻電路包括本振信號輸入端、射頻信號輸入端和中頻信號輸出端，其中本振信號輸入端與射頻信號輸入端相互垂直、而射頻信號輸入端與中頻信號輸出端中心線相互重合。本振信號經標準波導口饋入本振信號輸入端，依次經介質基片背面的單面對稱鰭線過渡結構和槽線結構傳輸後，由介質基片背面、與槽線結構末端相連的槽線耦合扇形片B2耦合至介質基片正面的微帶耦合扇形片Bi，最後經介質基片正面的懸置微帶線加載到兩隻反向並聯的混頻二極體的一端；射頻信號經標準波導口饋入射頻信號輸入端，依次經介質基片正面的單面對稱鰭線過渡結構和槽線結構傳輸後加載到兩隻反向並聯的混頻二極體的另一端；混頻二極體產生的中頻信號依次經介質基片正面的懸置微帶線和中頻濾波器C後，由中頻微帶傳輸線輸出。本發明提供的W波段寬帶混頻器除具備上述基本特徵外，還具有以下部分或全部技術特徵1)介質基片背面的槽線耦合扇形片B2與介質基片正面的微帶耦合扇形片Bl相互交錯但不相重疊，形成非對稱耦合結構；2)中頻濾波器C為三個開口環諧振單元級聯而成的三階低通濾波器，其三個開口環諧振單元的尺寸和開口方向均不相同、但諧振頻點都落在W波段內；3)中頻濾波器C和中頻微帶傳輸線屏蔽於較本振端和射頻端橫截面更小的矩形腔體中；4)介質基片背面的單面對稱鰭線過渡結構末端加載了一個本振端匹配縫隙A3，介質基片正面的單面對稱鰭線過渡結構末端和介質基片正面的槽線結構上各加載了一個射頻端匹配縫隙Al ；5)靠近本振輸入埠的基片正面加載了一個金屬片A4，靠近射頻輸入埠的介質基片背面加載了另一個金屬片A2，兩個金屬片A2和A4的形狀可以是矩形或U形。本發明實質是在本振和射頻端引入一些特殊結構以減小電磁波由於阻抗不匹配帶來的反射，在中頻端採用三階改進型開口諧振環結構的低通濾波器，並將其放置於截面尺寸較小的腔體中，提高本振與中頻、射頻與中頻的隔離度。本振(LO)信號由標準矩形波導饋入，首先經過單面對稱鰭線結構和槽線結構，然後再由與槽線結構末端相連的槽線耦合扇形片B2耦合至微帶耦合扇形片Bi，最後由微帶耦合扇形片Bl經懸置微帶線加載到兩隻混頻管上。其中，槽線結構到懸置微帶線的能量傳輸是通過耦合的方式實現的，在本振能量耦合處，介質基片背面是與槽線結構末端相連的槽線耦合扇形片B2，介質基片正面為由懸置微帶線向側邊引出的微帶耦合扇形片B1，B1與B2相互交錯但不相重疊，形成非對稱耦合結構。首先，扇形片可以改善阻抗匹配效果減小本振信號反射；其次，如果上下扇形片位置重疊，二者之間會形成「諧振腔」的效果，腔內會產生電磁波諧振使能量束縛在該空間內不能得到良好傳輸，交錯但不重疊的結構避免了 「腔」結構的產生，抑制了諧振，同時使兩個扇形片佔據了更大空間，電磁波有更大的空間可以進行耦合，增大了耦合度；最後，扇形片的結構採用非對稱圓弧形狀，非對稱的結構具有不同尺寸的徑向長度，可以在更寬的頻帶上實現匹配。因此，採用這種空間上交錯但不重疊的非對稱扇形片提高了本振信號能量的利用率。為了改善匹配，本發明採用了加載縫隙的支節匹配技術，由於本振(LO)工作頻率相對固定，因此只採用了一個本振端匹配縫隙A3，將其加載於基片背面的鰭線過渡結構上；而射頻要求在整個W波段均匹配良好，單支節顯然不易實現，故在射頻(RF)端的介質基片正面單面對稱鰭線過渡結構和槽線結構上各加載了一個射頻段匹配縫隙Al，以實現在較寬的頻帶內阻抗匹配良好。調節縫隙的尺寸和位置，可以在不同頻段起到阻抗匹配的效果。其原因在於，在過渡結構的銜接處有電路形式的突變，這種不連續性導致電磁波較大的反射，引入縫隙後相當於增加了電容效應，且等效電容值能夠隨頻率而發生變化，在阻抗不連續處起到寬帶阻抗匹配的效果，從縫隙處向兩側看過去阻抗匹配較好時能量得到良好傳輸，而且縫隙的引入並不額外增加電路結構，簡便易用，改變縫隙結構的尺寸和位置能夠改變最佳匹配頻段，可以根據實際所需進行調節。此外，在這兩個埠還可以增加額外的金屬片，即本振(LO)端介質基片正面的金屬片A4和射頻(RF)端介質基片背面的金屬片A2。金屬片的形狀可以是矩形或U形，其作用是能夠有效降低埠的反射係數。其原因在於，經過二極體非線性混頻後會產生各種頻率的電磁波，頻率低于波導截止頻率的電磁波由于波導自身的抑制作用被反射回二極體重新利用；而W波段的頻率則可能從波導埠反向傳播出去，導致反射係數增大，加入金屬片後，該金屬片能夠對高頻電磁波產生強烈的反射，將它們反射回混頻器使之重新利用，同時由於金屬片尺寸較小，它們對入射波的影響非常小，所以能夠保證信號的良好饋入。該金屬片也可以採用多種形式，本發明中採用了矩形片A4、U形A2等結構，調節它們的尺寸和位置，可以改變反射最佳頻段的位置，在某指定頻段內達到最小的埠反射。通過以上兩種匹配技術，能夠順利實現本振端良好匹配和射頻端在整個W波段內寬帶匹配的目標。在中頻輸出端，中頻濾波器C是一個由三個開口環諧振單元級聯而成的三階低通濾波器，其三個開口環諧振單元的尺寸和開口方向均不相同、但諧振頻點都落在W波段內。一個固定尺寸的開口環諧振單元結構可以在其諧振頻點上會產生較強的抑制作用，抑制頻點及抑制度與環結構的尺寸和開口方向相關，級聯若干個不同尺寸的開口環諧振單元可構成若干階濾波器，就可在較寬的頻段內實現高抑制度。在本發明中，通過合理選擇三個開口環諧振單元尺寸和開口方向，使它們的諧振頻點都落在W波段內；另外，單元之間的連接方式也會對整個濾波器性能產生較大的影響，本發明採用了在相鄰兩單元間用不在同一直線上的微帶線級聯，這種錯位的微帶連接線額外地增加了高低阻抗的濾波效果，增強了整個中頻濾波器C的性能，很好地實現了在整個W波段產生高抑制度，從而有效抑制本振與射頻信號洩漏到中頻輸出端，也提高了射頻與本振能量的利用率。相比傳統的高低阻抗濾波器，這種中頻濾波器C能夠有效抑制頻率較高的本振與射頻信號，提高中頻與本振、射頻的隔離度，性能良好的同時也具有更緊湊、更小型化的結構尺寸，設計過程也十分簡便。此外，中頻濾波器C被一個具有較小的橫截面的矩形腔體屏蔽起來了，中頻信號通過低通濾波器傳輸出去，一方面被包圍在腔體中可以減小中頻信號的輻射與洩露，降低傳輸過程中的損耗，另一方面也可以抑制較高頻率的電磁波，使高頻率的射頻與本振電磁波既不能夠通過低通濾波器傳輸出去，也不能夠通過矩形腔體傳輸出去，將這部分能量反射回混頻管處而得到重新利用，進一步增大了中頻與射頻、本振埠的隔離度，降低了變頻損耗。綜上所述，本發明的有益效果是1.通過一系列創新結構，有效降低了射頻和本振端的能量反射，增大電磁能量利用率，通過調節匹配縫隙和金屬片的結構形狀、尺寸和位置，能夠調節匹配頻段及帶寬，實現了本振和射頻端的良好阻抗匹配特性，使在整個W頻段內的射頻信號都能夠良好的傳輸至二極體發生混頻，達到寬帶混頻的效果。2.在減小反射的基礎上，通過一些結構有效地增大了本振能量的耦合，提高了本振信號的利用率。3.在中頻埠採用效果更好的中頻濾波器和小金屬腔體結構，有效抑制了高頻的本振與射頻信號，大大增加了本振與中頻、射頻與中頻的隔離度。
圖1是本發明提供的W波段寬帶混頻器中混頻電路結構示意圖。圖2是本發明提供的W波段寬帶混頻器中混頻電路正面結構示意圖。圖3是本發明提供的W波段寬帶混頻器中混頻電路背面結構示意圖。圖4是本發明提供的W波段寬帶混頻器的測試數據曲線。
具體實施例方式圖1為本發明的一個具體實施例結構示意圖，該寬帶混頻器電路結構製作在厚度為0. 127mm的RT5880基板上。圖2是本發明提供的W波段寬帶混頻器中混頻電路正面結構示意圖。圖3是本發明提供的W波段寬帶混頻器中混頻電路背面結構示意圖。本振端從鰭線過渡結構到槽線結構，在鰭線過渡結構末端的位置處引入了矩形縫隙A3，其對鰭線過渡結構到槽線結構的過渡和槽線結構到微帶耦合過渡都產生匹配作用。射頻端引入兩個矩形縫隙Al，一個是靠近二極體粘接的位置的槽線結構上，能夠對二極體產生匹配，另一個是在鰭線過渡結構末端的位置，使鰭線過渡結構與之後的電路匹配，這兩個匹配縫隙使在整個射頻頻段範圍內產生儘量小的反射。在本振埠鰭線過渡位置加入了矩形金屬片A4，由於本振是單頻信號，用矩形片就可以產生較好的匹配效果。在射頻埠加入的是U形金屬片A2，由於射頻信號頻帶較寬，採用該結構可以在較寬的頻帶上得到良好的匹配。在本振端槽線結構到微帶的耦合過渡結構中，槽線結構末端加入槽線耦合扇形片B2，在微帶上，加入了非對稱的微帶耦合扇形片Bi，上下兩個扇形結構相互交錯但不重疊。扇形結構能夠分別在槽線和微帶端進行匹配，使能量得到良好傳輸及利用，此外，相互交錯但不重疊的結構增大了電磁場能量耦合的空間，能夠增大耦合度，而且能夠避免「腔」形結構引起的諧振。中頻濾波器C是一個由三個尺寸大小和開口方向均有所不同的開口環諧振單元級聯而成的三階低通濾波器。三個尺寸大小和開口方向均有所不同的開口環諧振單元分別在不同頻點上產生抑制，且連接相鄰兩單元的微帶線不在同一直線上，以此來額外增加高低阻抗的低通濾波效果，實現在整個W波段內的高抑制度。這種濾波器比能夠產生相同抑制度的傳統高低阻抗濾波器的尺寸要小的多。在中頻輸出端的濾波器被高0. 645mm、寬0. 75mm的腔體D屏蔽，可以計算出該腔體的截止頻率為200GHz，遠遠大於W波段的頻率，從而有效地抑制了本振與射頻信號洩漏到中頻輸出端，提高了隔離度。進行實際電路加工和測試，測試本振頻率為92. 5GHz，輸入功率為lOdBm，射頻輸入功率為OdBm，中頻端由K接頭將信號引出，通過測試，該結構的寬帶混頻器在整個W波段內變頻損耗均在IOdB以下，射頻在92GHz 97GHz範圍內其反射係數S11可以達到-IOdB以下，見圖4，而且該最佳反射頻段可以通過調節埠的匹配結構來改變。
權利要求
1.一種W波段寬帶混頻器，包括印製於介質基片兩面、並裝配於金屬波導腔內的單平衡混頻電路；所述單平衡混頻電路包括本振信號輸入端、射頻信號輸入端和中頻信號輸出端，其中本振信號輸入端與射頻信號輸入端相互垂直、而射頻信號輸入端與中頻信號輸出端中心線相互重合；本振信號經標準波導口饋入本振信號輸入端，依次經介質基片背面的單面對稱鰭線過渡結構和槽線結構傳輸後，由介質基片背面、與槽線結構末端相連的槽線耦合扇形片(B2)耦合至介質基片正面的微帶耦合扇形片(Bi)，最後經介質基片正面的懸置微帶線加載到兩隻反向並聯的混頻二極體的一端；射頻信號經標準波導口饋入射頻信號輸入端，依次經介質基片正面的單面對稱鰭線過渡結構和槽線結構傳輸後加載到兩隻反向並聯的混頻二極體的另一端；混頻二極體產生的中頻信號依次經介質基片正面的懸置微帶線和中頻濾波器(C)後，由中頻微帶傳輸線輸出；其特徵在於介質基片背面的槽線耦合扇形片(B2)與介質基片正面的微帶耦合扇形片(Bi)相互交錯但不相重疊，形成非對稱耦合結構。
2.根據權利要求1所述的W波段寬帶混頻器，其特徵在於，所述中頻濾波器(C)為三個開口環諧振單元級聯而成的三階低通濾波器，其三個開口環諧振單元的尺寸和開口方向均不相同、但諧振頻點都落在W波段內。
3.根據權利要求2所述的W波段寬帶混頻器，其特徵在於，所述中頻濾波器(C)和中頻微帶傳輸線屏蔽於較本振端和射頻端橫截面更小的矩形腔體中。
4.根據權利要求1、2或3所述的W波段寬帶混頻器，其特徵在於，介質基片背面的單面對稱鰭線過渡結構末端加載了一個本振端匹配縫隙(A3)，介質基片正面的單面對稱鰭線過渡結構末端和介質基片正面的槽線結構上各加載了一個射頻端匹配縫隙(Al)。
5.根據權利要求1、2或3所述的W波段寬帶混頻器，其特徵在於，靠近本振輸入埠的基片正面加載了一個金屬片(A4)，靠近射頻輸入埠的介質基片背面加載了另一個金屬片(A2)。
6.根據權利要求4所述的W波段寬帶混頻器，其特徵在於，靠近本振輸入埠的基片正面加載了一個金屬片(A4)，靠近射頻輸入埠的介質基片背面加載了另一個金屬片(A2)。
7.根據權利要求5所述的W波段寬帶混頻器，其特徵在於，所述金屬片(A2、A4)的形狀為矩形或U形。
8.根據權利要求6所述的W波段寬帶混頻器，其特徵在於，所述金屬片(A2、A4)的形狀為矩形或U形。
全文摘要
一種W波段寬帶混頻器，屬於毫米波器件技術領域。本發明在現有的混頻器基本結構基礎上，採用一些創新性結構特徵，在目前的加工精度範圍內可以有效拓展混頻器的變頻帶寬，降低變頻損耗，增大埠間隔離度。這些創新性結構特徵包括1)本振信號能量耦合結構採用相互交錯但不相重疊的非對稱耦合結構；2)中頻濾波器採用尺寸和開口方向均不相同的三個開口環諧振單元級聯而成的低通濾波器；3)中頻端採用小尺寸矩形腔屏蔽；4)本振端和射頻端增加匹配縫隙和反射金屬片等等。
文檔編號H03D7/16GK102394568SQ20111031815
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月19日 優先權日2011年10月19日
發明者林先其, 樊勇, 蘇鵬, 靳俊葉 申請人:電子科技大學