V波段宽中频正交混频器及应用研究

摘要

正交混频器是一种集频率搬移和相位转换于一体的混频器，在雷达、通信、遥感遥测等微波、毫米波系统中有广泛的应用。V波段蕴含着极大的频谱资源，但目前国内该频段的技术基础及应用研究尚处于起步阶段。本文采用混合集成电路研制了一种V波段宽中频I/Q混频器，并对其设计方法、测试方案及其在镜像抑制混频器方面的应用进行了深入的研究。论文的主要内容包括:
　　1、以实现混频器的宽中频带宽为目标，采用五端口混合环代替传统的四端口混合环方案，对V波段反相型单平衡混频器进行了仿真分析与优化设计。首先采用紧凑型耦合微带线结构设计了一种通带为52-68GHz的V波段宽频带、低插损带通滤波器，并将其与宽带波导-微带探针过渡连接起来进行精确的建模和仿真优化。采用高低阻抗线结构设计了截止频率为30GHz的中频低通滤波器，该滤波器同时对50-70GHz的射频信号具有23dB以上的抑制度。在此基础上，建立了带通滤波器、波导-微带探针及中频滤波器与五端口混合电桥的一体化HFSS仿真模型，通过优化电路参数，提取了其五端口S参数。最后，选用UMS公司DBES105a型号的肖特基势垒二极管和介电常数为2.2、厚度为0.127mm的Rogers Duriod5880介质基片，利用ADS对单平衡混频器进行整体谐波仿真优化，得到了中频带宽5GHz以上、变频损耗10dB左右的仿真设计结果。
　　2、完成了带通滤波器、单平衡混频器微带电路及屏蔽腔体的加工制作、电路组装与性能调试。首先单独测试了带通滤波器的性能指标，连同两个波导-微带转换的插入损耗在55-65GHz范围内实测结果为1.6-2.1dB，实现了良好的低插损性能。合理设计了V波段单平衡混频器测试方案，构建了实验测试平台，并对组装完成的两套单平衡混频器的性能进行了实验测试。结果表明:在固定本振60GHz，射频在55-65GHz内扫频，输出中频在0-5GHz的频率范围内，变频损耗典型值为13dB;在固定本振55GHz，射频在52-60GHz内扫频，变频损耗典型值为11dB。所研制的混频器中频带宽达到了国外同类产品的指标。最后，将实测结果与仿真分析结果相对比，分析了幅相平衡度对混频器性能的影响。
　　3、在上述单平衡混频器研制的基础上，采用本振信号同相功分，射频信号正交功分实现正交混频器的设计方案，设计、加工并组装测试了E-T结3dB波导功分器和E面分支线3dB波导正交耦合器，将它们与两个性能一致性良好的单平衡混频器组合起来，构成了一种V波段正交混频器组件，测试了该组件的变频损耗等主要性能指标。测试结果表明:在固定本振频率60GHz，射频在55-65GHz内扫频，输出中频在0-5GHz范围内，下边带变频损耗典型值为15dB，上边带为17dB; I/Q两路中频输出信号的正交性能良好;本振端与射频端的隔离度典型值为25dB。
　　4、对V波段I/Q混频器在镜频抑制混频器方面的应用进行了实验研究。利用实验室已有的中频耦合器模块与上述I/Q混频器组件组装起来，利用正交混频器输出中频等幅正交的特点，构成一种平衡式的镜像抑制混频器。实验测试结果显示，当固定中频为100MHz时，在54-57GHz的射频范围内，镜频抑制优于15dB，在54-62GHz内，优于10dB。另外，分析了利用正交混频器实现移相式单边带调制器的原理与特点。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文工作安排

第2章 毫米波混频器理论分析

2．1 肖特基势垒二极管及其混频原理

2．1．1 肖特基势垒二极管

2．1．2 二极管混频原理

2．2 混频器的分类

2．3 单平衡混频器的原理及其特点分析

2．3．1 单平衡混频器原理

2．3．2 单平衡混频器的本振源噪声抵消原理分析

2．4 混频器主要技术指标

2．4．1 变频损耗

2．4．2 噪声系数

2．4．3 隔离度

2．4．4 线性特性

2．5 本章小结

第3章 V波段单平衡混频器的仿真设计与实验研究

3．1 单平衡混频器方案研究

3．1．1 反相型与π／2型单平衡混频器电路特性对比分析

3．1．2 反相型单平衡混频器中五端口和四端口混合环方案对比

3．2 滤波器的仿真设计

3．2．1 中频低通滤波器

3．3．2 射频带通滤波器

3．3 180度混合环的仿真设计

3．4 波导-微带探针过渡的仿真设计

3．4．1 三种波导-微带过渡结构

3．4．2 波导-微带探针过渡的原理分析

3．4．3 波导-微带探针过渡的仿真设计

3．5 单平衡混频器的仿真设计

3．5．1 介质基片的选取

3．5．2 二极管的选取

3．5．3 单平衡混频器仿真设计

3．6 单平衡混频器测试

3．6．1 最佳本振功率测试

3．6．2 1dB压缩点测试

3．6．3 变频损耗测试

3．6．4 隔离度测试

3．7 测试与仿真结果对比分析

3．8 本章小结

第4章 V波段正交混频器的仿真设计与实验研究

4．1 正交混频器原理分析

4．2 正交混频器方案分析

4．3 E-T结波导功分器

4．3．1 功分器的仿真设计

4．3．2 功分器测试

4．4 E面分支波导耦合器

4．4．1 耦合器的仿真设计

4．4．2 耦合器测试

4．5 正交混频器的仿真设计与制作

4．6 正交混频器测试

4．6．1 变频损耗测试

4．6．2 相位特性测试

4．7 本章小结

第5章 正交混频器的应用研究

5．1 正交混频器在镜像抑制混频器中的应用

5．1．1 镜像抑制混频器原理分析

5．1．2 镜像抑制混频器的实现和性能分析

5．2 正交混频器在单边带调制中的应用

5．3 本章小结

第6章 结束语

致谢

参考文献