V波段正交二次谐波混频器的研究

摘要

V波段指频率范围为50～75GHz的毫米波频段，该波段在世界上许多国家都被分配了大量的民用频谱资源，利用该波段能够实现最大40Gbps的近距离超高传输速率和大容量的无线通信，在地面宽带保密通信、星际通信链路等领域具有广泛应用前景。正交混频器通过对一路本振信号与一路射频信号进行混频得到两路幅度相等、相位正交的中频信号，集频率搬移和相位转换于一体，在零中频接收机、镜像抑制接收机中有着广泛的应用。毫米波谐波混频器使用本振信号的谐波与射频信号混频，使混频所需要的本振频率得到有效地降低，解决了高性能毫米波本振源实现难度大、成本高的问题。本文以实现宽频带、低变频损耗的V波段谐波混频器以及高性能V波段正交混频器为目标，基于反向并联的Schottky势垒二极管对，采用混合集成电路的方式，研制了一种V波段二次谐波混频器，并以此为基础进行了组件型V波段正交二次谐波混频器的实验研究，最后以小型化为目标研制完成了一种集成化的V波段正交二次谐波混频器。论文的主要内容包括:
　　1、在深入分析反向并联二极管对谐波混频工作原理的基础上，基于高截止频率的商用双Schottky结二极管芯片，采用毫米波混合集成电路结构设计了一种V波段二次谐波混频器。根据V波段二次谐波混频器的设计要求和现有工艺条件，确定了基于反向二极管对(APDP)电路结构的混频电路设计方案。利用HFSS仿真软件设计优化了波导-微带探针，使微带电路与波导输入良好契合。为了改善混频器的变频损耗、拓宽工作带宽，同时阻止本振与射频信号的泄露，设计并优化了本振带通滤波器以及中频低通滤波器。通过提取无源结构的S参数，并与混频二极管精确等效电路模型相结合，以拓宽混频器工作带宽、降低变频损耗为目的，优化了谐波混频器匹配电路等整体电路的参数。在此基础上，加工制作了两套V波段二次谐波混频器实验样品，构建了相应的测试系统，对变频损耗等技术参数进行了测试。实测结果为:当固定本振频率30GHz、功率15dBm，射频频率在57～64GHz范围内，变频损耗低于10dB，不平坦度小于2dB，典型值为9dB;射频频率在56～66GHz范围内，变频损耗低于11dB，不平坦度小于3dB。最佳本振功率约为15dBm，1dB压缩点约3dBm。当本振频率在25～35GHz范围内，本振-中频隔离度大于35dB。测试结果表明，两套样品性能参数一致性良好，与现有报道的混合集成V波段二次谐波混频器相比，变频损耗及工作带宽等性能有明显的提高。
　　2、在上述单路谐波混频器研制的基础上，利用V波段90°波导定向耦合器、Ka波段波导功分器以及两个V波段二次谐波混频器进行了组件形式的V波段正交混频器的分析与实验研究。针对现有的V波段90°定向耦合器进行了结构配合设计，确定了正交混频器的组合方式和实现方案。优化设计并加工制作了Ka波段波导T形功分器，实测结果表明当本振信号频率在25～35GHz范围内，功分器两路输出功率不平衡度小于0.1dB。在完成了组件的装配后，对组件形式的V波段正交混频器性能进行了实验测试。当固定本振频率30GHz，射频频率在56～65GHz范围内时，I、Q两路变频损耗实测结果低于14dB，最大不平衡度在2dB以内。当固定中频频率100MHz时，测得I、Q两路信号相位差在91°左右，实现良好的中频信号正交性能。最后，将研制的V波段正交混频器与中频3dB正交耦合器组合成镜像抑制混频器，当固定中频100MHz时，测得镜频抑制度在本振频率为29～31GHz时大于10dB。
　　3、为了实现体积小、重量轻结构紧凑的V波段正交混频器，采用混合集成电路技术设计了集成一体化结构的V波段正交混频器。首先设计了以微带线作为输入方式的单路V波段二次谐波混频器。出于集成化的考虑，针对V波段90°微带三分支定向耦合器和Ka波段微带Wilkinson功分器分别进行了仿真优化设计，在此基础上，利用ADS仿真软件建立了正交混频器整体电路的联合仿真模型，并对电路参数进行了进一步仿真优化。按照仿真优化结果加工了集成化的V波段正交混频器实验样品。实验测试结果表明，当固定本振频率30GHz，射频频率56～66GHz时，变频损耗低于20dB，不平衡度低于2dB。固定中频100MHz时，I、Q两路中频信号相位差在89°附近，相位正交性良好。最后，将该正交混频器与中频正交耦合器组合成镜像抑制混频器组件，在本振频率为29～31GHz范围内，测得镜频抑制度大于15dB。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 V波段正交谐波混频器的研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文内容安排

第二章 毫米波谐波混频器与正交混频器的基本原理

2．1 混频器的主要技术指标

2．2 混频器的分类

2．3 正交混频器的原理分析

2．4 谐波混频器的原理

2．5 本章小结

第三章 V波段二次谐波混频器的仿真设计与实验研究

3．1 V波段二次谐波混频器的设计方案

3．2 二极管与介质基片的选取

3．3 射频波导-微带过渡的设计

3．4 本振波导-微带过渡的设计

3．5 本振带通滤波器的设计

3．6 中频低通滤波器的设计

3．7 V波段二次谐波混频器的整体仿真设计

3．8 V波段二次谐波混频器的实验研究

3．9 本章小结

第四章 组件型V波段正交二次谐波混频器的研究

4．1 V波段正交二次谐波混频器的设计方案

4．2 Ka波段功分器

4．3 V波段90°定向耦合器

4．4 V波段正交二次谐波混频器的仿真设计

4．5 V波段正交二次谐波混频器的制作与实验研究

4．6 V本章小结

第五章 集成化V波段正交二次谐波混频器的研究

5．1 集成化V波段正交二次谐波混频器的设计方案

5．2 微带输入的V波段二次谐波混频器

5．3 V波段微带分支线90°定向耦合器

5．4 Ka波段Wilkinson功分器

5．5 集成化V波段正交二次谐波混频器的整体仿真

5．6 集成化V波段正交二次谐波混频器的实验研究

5．7 本章小结

第六章 结束语

致谢

参考文献