摘 要：研究一種用于近程雷達(dá)的毫米波混頻器的設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)上采用簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)的單端混頻器結(jié)構(gòu)，通過(guò)環(huán)行器來(lái)實(shí)現(xiàn)本振和信號(hào)的輸入，環(huán)行器的功率分配可根據(jù)雷達(dá)的作用距離來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用鰭線結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)混頻器的匹配輸入，通過(guò)一個(gè)濾波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)中頻輸出，盡可能地減小混頻損耗。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)工作頻率為30 GHz時(shí)，變頻損耗僅為6 dB。

關(guān)鍵詞：環(huán)行器；鰭線；混頻；單端混頻

中圖分類(lèi)號(hào)：TN733 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0107602

Design of a Fin-line Mixer

ZHU Sujun，YE Yuhuang

(College of Physics and Information，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，350002，China)

Abstract：This paper studies a millimeter mixer design used for the short range radar.The single-end mixer is adopted，it is simple at circuit structure and easy to realize.The input of local oscillator and signal is realized by the circulator.The power distribution of the circulator is designed according to the range coverage of radar.The match input of mixer is realized adopting the fin-line and the IF output is achieved through a filter circuit，to reduce as much as possible conversion loss.After test，the conversion loss is only 6 dB when the operating frequency is 30 GHz.

Keywords：circulator;fin-line;mixer;single-end mixer

微波混頻器是通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等系統(tǒng)接收機(jī)中的關(guān)鍵部件，他的指標(biāo)很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此研究高性能混頻器也成為一個(gè)非常重要的課題。此前一般的單端混頻器的變頻損耗為10 dB，本文提出了一種用鰭線來(lái)設(shè)計(jì)混頻器的方法并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理

混頻器的工作原理如圖1所示。頻率為f0，強(qiáng)度為P的微波信號(hào)s1由1 端口進(jìn)入環(huán)行器，根據(jù)環(huán)行器的工作原理，信號(hào)主要從2 端口輸出，小部分泄漏到3端口，設(shè)2端口輸出的信號(hào)強(qiáng)度為kP，然后經(jīng)天線發(fā)射出去，再由目標(biāo)反射回來(lái)。由于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)多普勒效應(yīng)，返回到2端口的信號(hào)s2頻率為f0(1+2vrc)，強(qiáng)度為kPG2λ2σ(4π)3R4。再傳到3端口的信號(hào)s3頻率為f0(1+2vrc)，強(qiáng)度為k2PG2λ2σ(4π)3R4，1端口泄漏到3端口的信號(hào)s3′頻率為f0，強(qiáng)度為(1-k)P。最后s3與s3′經(jīng)3端口送入混頻二極管^[1]。

[JP2]其中，vr為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，G為收發(fā)共用天線的增益，σ為目標(biāo)的散射截面積，R為目標(biāo)距離雷達(dá)天線的距離，k為環(huán)行器理想情況下從1端口到2端口的功率傳遞系數(shù)。[JP]

實(shí)際中，當(dāng)作用目標(biāo)距離R為不同情況時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整環(huán)行器的功率分配系數(shù)k來(lái)實(shí)現(xiàn)混頻的要求。例如，取R為300 m，假設(shè)天線增益為31 dB，λ選取0.01 m，σ取單人目標(biāo)為0.5 m2，根據(jù)雷達(dá)的接收能力，取本振與信號(hào)之比為109。理論上可估算出k的值為0.995，實(shí)際中，環(huán)行器正向衰減設(shè)計(jì)取0.3 dB，隔離度為24 dB，可以滿足上述要求，也是可以實(shí)現(xiàn)的?？梢?jiàn)，改變R的值，在其他指標(biāo)不變的條件下，只需改變環(huán)行器的功率分配即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然增大發(fā)射功率，也可以使R的值變化。

混頻電路采用單鰭過(guò)渡將信號(hào)和本振加到混頻管上，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。為減少中頻輸出電路引起的信號(hào)和本振回路的不連續(xù)性，設(shè)計(jì)中將混頻電路盡可能靠近波導(dǎo)壁，在中頻輸出位置的波導(dǎo)壁內(nèi)開(kāi)一槽縫，使中頻由此引出，為使混頻管處獲得最大的電場(chǎng)量，短路面CD 段設(shè)計(jì)為λ/4，為減少信號(hào)和本振回路的不連續(xù)性，單鰭過(guò)渡段AB 為2λ，鰭線縫隙BC 段為λ/4，中頻輸出電路采用高低阻抗設(shè)計(jì)的低通濾波器引出，同時(shí)偏置經(jīng)中頻電路引入加到混頻管上。

圖3是混頻二極管的工作原理圖，RJ為結(jié)電阻，是起混頻作用的非線性電阻，CJ為結(jié)電容。本文選擇混頻二極管為DMA5353-030，工作頻率為26～40 GHz，最大的噪聲系數(shù)為7.5 dB。

1.2 鰭線阻抗變換段

本文所選的阻抗變換為特征指數(shù)t=1.435 的正弦變換段，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示，他的函數(shù)表達(dá)式為^[2，3]:

為防止微波信號(hào)由中頻輸出電路泄漏，在偏置電路中設(shè)計(jì)一帶阻濾波器，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。 設(shè)計(jì)為n=2 的等波紋濾波器，可使得在f=30 GHz處獲得衰減達(dá)到20 dB 性能^[4]。圖中:



式中:λ0為信號(hào)波長(zhǎng)，εr 為基片介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。[LL]

帶阻濾波器的導(dǎo)帶寬度W的設(shè)計(jì)可近似按矩形同軸線設(shè)計(jì)，根據(jù)導(dǎo)帶的特性阻抗Z0，相結(jié)介電常數(shù)εr。襯底的厚度h，查曲線^[5]可求得W 值。

2 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

測(cè)試混頻器性能的原理圖如圖6所示。

當(dāng)提供f=30 GHz的信號(hào)，同時(shí)使信號(hào)頻率發(fā)生變化，測(cè)出不同情況下的混頻損耗L，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

由于采用未封裝的混頻管，寄生參量Cp，Ls及Rs引起的損耗很小，同時(shí)鰭線的引入和特殊的中頻輸出電路，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，本設(shè)計(jì)的混頻損耗比較小，能很好地完成混頻功能。同時(shí)本設(shè)計(jì)還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)環(huán)行器的功率分配關(guān)系來(lái)滿足近程雷達(dá)測(cè)試距離的要求。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1995.

［2］胡建凱，黃振起.3 mm FM/CW 組件中鰭線混頻器的研究[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2001，21(1):10-13.

［3］馬凱學(xué).毫米波混頻技術(shù)的研究[M].西安:西安工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［4］張學(xué)建，蔡松.K波段波導(dǎo)平面電路混頻器的設(shè)計(jì)[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1984(4):44-49.

［5］甘本.微波傳輸線設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:人民郵電出版社，1981.

作者簡(jiǎn)介

祝素軍 男，碩士研究生，就讀于福州大學(xué)物理與信息學(xué)院。

葉宇煌 男，副教授。主要從事微波電路的研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>