錢嵩松, 陳和峰, 趙 蕓

(1.南京理工大學(xué),江蘇南京210094;2.304廠,山西長(zhǎng)治046012)

0 引言

混頻器是現(xiàn)代雷達(dá)、通信系統(tǒng)中的重要組成部件之一。從國(guó)外的發(fā)展形勢(shì)看,自上世紀(jì)九十年代起,亞毫米波混頻器即已逐漸成為研究熱點(diǎn),進(jìn)入本世紀(jì)以來,亞毫米波混頻器更是得到了很大的發(fā)展。

例如,1997年 Hesler等人研制出基于肖特基管的亞毫米波混頻器,在 585 GH z時(shí)由1.16mW本振功率驅(qū)動(dòng)得到的雙邊帶系統(tǒng)噪聲為2 380 K[1]。2006年,Siles等人研制出了一個(gè)基于一對(duì)反向并聯(lián)肖特基二極管的400 GHz混頻器,并建立了一套用于仿真優(yōu)化毫米波、亞毫米波混頻器設(shè)計(jì)的CAD工具[2]。2009年,Bertand Thomas和Sim on Rea等人研制出(320～340)GH z的分諧波鏡像抑制混頻器,在通帶范圍內(nèi)鏡像抑制度達(dá)到(7.2～24.1)dB[3]。

國(guó)內(nèi)目前在35 GH z頻段已有一些成熟的產(chǎn)品,在94 GH z頻段也正在大力發(fā)展之中,而亞毫米波頻段的混頻器才起步。本文介紹一種亞毫米肖特基單端混頻器的設(shè)計(jì)與制作。

1 混頻器設(shè)計(jì)

本文介紹的亞毫米波混頻器是基于肖特基混頻管的,因此主要的設(shè)計(jì)理論與方法與微波毫米波混頻器是一致的。設(shè)計(jì)過程涉及五個(gè)方面[4]:

a)RF輸入阻抗;

b)IF輸出阻抗;

c)LO輸入阻抗;

d)帶外閑頻的最佳端接阻抗;

e)各端口間的隔離度。

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

所設(shè)計(jì)的亞毫米波混頻器工作頻率為360 GH z,中頻帶寬(2～6)GHz。設(shè)計(jì)變頻損耗小于18 dB。

設(shè)計(jì)混頻器的第一點(diǎn)考慮是混頻管的選擇,通常是要求其截止頻率為工作頻率的十倍以上。當(dāng)前所能獲得的可能工作頻率最高的二極管截止頻率大約只有1 500GHz,其它主要參數(shù):反向飽和電流 Is=0.1 pA;二極管理想因子 η=1.15;零偏結(jié)電容C j0=40 fF;內(nèi)建電勢(shì) φbj=1 V。

由于亞毫米波能量的微弱性,要求混頻電路的基片必須是低損耗的,此外也要求其介電常數(shù)較為穩(wěn)定。結(jié)合加工單位方面的工藝水平,最后選用的材料相對(duì)介電常數(shù)為3.4,損耗角正切為0.001,基片厚為50μm。

1.2 設(shè)計(jì)過程

混頻器采用基波混頻方案?，F(xiàn)有的亞毫米波源的輸出功率僅為-3 dBm左右,不能驅(qū)動(dòng)多管混頻器,因此采用單管混頻。即便如此,這個(gè)輸入本振功率也仍然難以保證穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)混頻管,因此必須加上一個(gè)直流偏置電路。

對(duì)于通常的單管混頻器而言,一個(gè)重要的組成部分是本振與信號(hào)的耦合電路,耦合電路既要保證本振與信號(hào)能量最大幅度的加在混頻管上,又要確保兩者之間有良好的隔離度。本混頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使本振與信號(hào)已在同一波導(dǎo)中了,因此并不需要設(shè)計(jì)耦合電路。360 GH z混頻器方案,如圖1所示。

圖1 360 GH z單端混頻器

為將RF及LO信號(hào)引入混頻腔體采用H面波導(dǎo)-微帶過渡。微帶線平面與波導(dǎo)入射電磁波的傳播方向垂直,通過探針把波導(dǎo)中的電場(chǎng)耦合到微帶線上去,耦合孔開在波導(dǎo)寬邊,為了減少微帶線對(duì)波導(dǎo)內(nèi)部電場(chǎng)的影響,耦合孔的大小要盡可能小,但應(yīng)確保微帶線的寬度。

本設(shè)計(jì)中的耦合孔大小為0.3 mm×0.2 mm。微帶線厚度是0.01 mm,而其寬度則需優(yōu)化選擇。由于中心頻率已經(jīng)處于亞毫米波段,在絕對(duì)帶寬完全可以保證的情況下,探針直接連接到50Ω微帶線。最終由HFSS軟件仿真得到在中心頻率處的回波損耗達(dá)到20 dB,可以滿足設(shè)計(jì)要求。

從中頻低通濾波器來的負(fù)載端輸出中頻信號(hào)。采用六節(jié)巴特沃茲型低通濾波器,截止頻率為20 GHz,這種濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)。由于考慮到加工精度的原因,取高阻抗線為90Ω,低阻抗線為20Ω。

仿真結(jié)果表明,低通濾波器在中頻信號(hào)處的回波損耗達(dá)到18 dB,對(duì)(30～50)GHz的抑制度達(dá)20 dB以上,在保證通帶低插損的情況下,具有很好的帶外抑制。

由于本振功率難以驅(qū)動(dòng)二極管,需要設(shè)計(jì)直流偏置電路。為了簡(jiǎn)化電路尺寸,方便加工,同樣采用高低阻抗線串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明,在中心頻率處的插入損耗達(dá)到25 dB以上。

由于二極管在信號(hào)功率的激勵(lì)下呈現(xiàn)的阻抗并不是50Ω,需要阻抗匹配。匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)在工作頻段內(nèi)保證無損耗地傳輸功率,在工作頻段外保證功率全反射。

因此,匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在負(fù)載終端功率最大程度地吸收,盡可能減少信號(hào)功率在傳輸過程中損耗?，F(xiàn)將混頻器各個(gè)分部在HFSS中分別仿真得到相應(yīng)參數(shù)后,將其打包成s2p文件,結(jié)合混頻二極管的參數(shù),在ADS中進(jìn)行總體仿真優(yōu)化。最終得到優(yōu)化后變頻損耗隨中頻頻率變化的曲線,如圖2所示。

圖2 仿真變頻損耗

由圖2可以看出:在中頻(2～6)GH z范圍內(nèi),變頻損耗在(15～17)dB之間,最優(yōu)處達(dá)到 15 dB,滿足設(shè)計(jì)要求。

2 混頻器加工

由于本混頻器工作頻率非常高,因此微帶電路的相應(yīng)尺寸也非常小,最細(xì)處僅0.02 mm,而整個(gè)微帶電路的厚度也只有0.01 mm。針對(duì)這種精度的設(shè)計(jì),通常用于微波乃至毫米波電路的腐蝕加工方法已不能滿足要求。

為此本項(xiàng)目開發(fā)了一種以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的新型微帶線加工工藝,涉及的基本工藝包括濺射、圖形化、電鍍、器件釋放等。此處,還需進(jìn)行多層結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合力、正負(fù)膠疊層技術(shù)、犧牲層技術(shù)、多層釋放技術(shù)等問題進(jìn)行了較為深刻的研究,選用合適的材料,并確定了合適的工藝參數(shù)。

根據(jù)亞毫米波混頻器的設(shè)計(jì)情況,器件為三層結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)分別為金屬接地層-介質(zhì)層-微帶層,如圖3所示。

圖3 微帶線結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)實(shí)際情況,工藝流程設(shè)計(jì)如圖4所示:

a)對(duì)玻璃基片進(jìn)行清洗、烘干;

b)制備犧牲層,涂覆5μm厚的正膠;

c)濺射種子層Cr/Cu,約1100埃;

d)制備金屬接地層,涂膠、光刻、電鍍鎳10 um厚;

e)濺射金屬保護(hù)層Cu,1000埃,制備這層金屬層的目的是保證在Su-8膠顯影時(shí)不會(huì)對(duì)正膠造成腐蝕;

f)制備介質(zhì)層,疊層旋涂Su-8膠30 um厚;

g)濺射種子層Cr/Cu,約1100埃;

h)微帶層的制備,涂膠、光刻、電鑄鎳/金,共厚10 um。

完成上述流程之后,再進(jìn)行自上而下逐層溶解的方法來進(jìn)行器件釋放。

混頻器的機(jī)械腔體由于結(jié)構(gòu)尺寸微小難以加工。最細(xì)小的孔尺寸為0.6×0.28 mm2,針對(duì)這種結(jié)構(gòu),最終采用分割部件進(jìn)行線切割的方法加工。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)及加工工藝,最終得到的360 GH z混頻器電路基片如圖5所示,而整體器件如圖6所示,二極管及中頻輸出、直流偏置均由金絲點(diǎn)焊連接。

圖4 工藝流程圖

圖5 360 GHz混頻器電路基片

圖6 360 GHz混頻器整體器件

目前國(guó)內(nèi)還沒有能進(jìn)行亞毫米波混頻器的測(cè)試手段,因此暫不能對(duì)混頻器的性能進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。但本項(xiàng)目中同時(shí)也在進(jìn)行其它亞毫米波器件的設(shè)計(jì)加工,總體方案是構(gòu)建一個(gè)完整的亞毫米波探測(cè)系統(tǒng),先在總體上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),待條件成熟再逐步優(yōu)化各部件設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

借鑒了成熟的毫米波混頻器的設(shè)計(jì)方法,并基于MEMS加工技術(shù),完成了一個(gè)肖特基亞毫米波混頻器設(shè)計(jì)及加工。由于該混頻器是常溫工

作,不需要杜瓦瓶制冷,因此結(jié)構(gòu)很緊湊,有望在需要小型化工作的地方獲得很好的應(yīng)用。

[1] J.L.Hesler,W.R.Ha ll,T.W.Crowe,etc.Fixed-tuned Subm illimeter Wavelength W aveguide M ixers Using Planar Schottky-barrier Diodes[J].IEEE T ransactions on M icrowave Theory and Techniques,1997,45(5):653-658.

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[3] Bertand Thoma,Simon Rea.A 320–360 GH z Sub-harmonically Pumped Image Rejection M ixer Using Planar Schottky Diodes[J].IEEEM icrow ave and Wireless,2004

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