CN110417354A - 基于谐波混频结构的Ku/Ka双频段混频器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于谐波混频结构的Ku/Ka双频段混频器，包括介质基板、微带电路、金属地以及波导滤波器F，所述金属地设置在介质基板的一面，微带电路设置在介质基板的另一面，所述微带电路包括本振输入模块A、中频输入模块B、Ka波段射频输出端口C、Ku波段射频输出模块D、反向并联二极管对电路E、Ka射频开关电路、Ku射频开关电路以及微带波导过渡电路。本发明工作频率为Ku/Ka两个波段，频差大。

Description

基于谐波混频结构的Ku/Ka双频段混频器
技术领域
本发明属于双频段混频器技术，具体为一种基于谐波混频结构的Ku/Ka双频段混频器。
背景技术
针对频域干扰，探测***如果能够转换工作频率，那么可以使得敌方干扰设备难以对准其中心频率，从而能够大大提高探测***的抗干扰能力。多频段、小型化的射频前端是该技术的关键，而混频器作为射频前端的核心器件，其是否能够实现多频段混频是该技术的难点。就目前公开发表的研究成果而言，大多数双频段混频器件工作频段较低，主要集中在X波段及以下，频差一般只有几个GHz，远远满足不了高抗干扰弹载探测器***的要求。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于谐波混频结构的Ku/Ka双频段混频器。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于谐波混频结构的Ku/Ka双频段混频器，包括介质基板、微带电路、金属地以及波导滤波器F，所述金属地设置在介质基板的一面，微带电路设置在介质基板的另一面，所述微带电路包括本振输入模块A、中频输入模块B、Ka波段射频输出端口C、Ku波段射频输出模块D、反向并联二极管对电路E、Ka射频开关电路、Ku射频开关电路以及微带波导过渡电路，本振输入模块A与反向并联二极管对电路E的一端连接，中频输入模块B、 Ka波段射频输出端口C、Ku波段射频输出模块D通过微带线分别与反向并联二极管对电路E的另一端连接；Ka射频开关电路用于控制Ka波段射频输出模块D 的通断，Ku射频开关电路用于控制Ku波段射频输出通道D的通断，波导滤波器 F通过微带波导过渡电路与Ka波段射频输出端口C连接。
优选地，所述本振输入通道A包括依次连接的接头-微带过渡电路、本振带通滤波器和匹配电路，所述接头-微带过渡电路用于将本振信号传送到本振带通滤波器，所述本振带通滤波器用于对本振信号进行滤波得到纯净的频谱，所述匹配电路用于实现并联反向二极管对的输入阻抗匹配。
优选地，所述本振带通滤波器采用五阶SIR耦合形式，其通带中心频率为 8GHz，在通带两侧有一对传输零点。
优选地，中频输入通道B包括依次连接的低通滤波器和SMA接头-微带电路过渡结构，中频信号通过SMA接头-微带电路过渡结构14，再经低通滤波器6滤波后输入。
优选地，所述低通滤波器采用CMRC结构，其通带频率为1GHz,在 15-17GHz,31-33GHz处具有25dB以上的频带抑制特性。
优选地，反向并联二极管电路E包括反向并联二极管和四分之一本振波长并联开路枝节和基于CMRC结构的第一信号反射单元和第二信号反射单元，所述第一信号反射单元和第二信号反射单元通过微带线连接，所述反向并联二极管、四分之一本振波长并联开路枝节均通过微带线与第二信号反射单元连接。
优选地，所述Ku射频输出通道D包括依次连接的带通滤波和K接头-微带电路过渡结构，带通滤波器采用五阶SIR耦合带通滤波器，带通滤波器中心频率为 16.5GHz，具有一对带外传输零点；Ku射频信号经带通滤波器滤波后经K接头- 微带电路过渡结构输出。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明工作频率为Ku/Ka两个波段，频差大；2)本发明采用PIN二极管设计射频开关电路，实现双频混频器工作频段切换；3)本发明在本振输入通道和Ka波段射频输出通道加入具有良好的带通特性和带外抑制特性的SIR耦合带通滤波器，在中频输出通道加入CMRC 低通滤波器，实现本振、射频和中频通道的良好隔离；4)本发明引入反射结构 CMRC,通过改变S11参数的相位实现混频器的低变频损耗特性。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是本发明采用的印刷电路板的结构示意图。
图2是本发明采用的微带电路示意图。
图3是本发明变频损耗和本振功率关系仿真结果图。
图4是本发明射频端口输出频谱仿真结果图。
图5是本发明射频通道四种状态变频损耗仿真结果图，图5(a)为状态1 变频损耗仿真结果图，图5(b)为状态2变频损耗仿真结果图，图5(c)为状态3变频损耗仿真结果图，图5(d)为状态4变频损耗仿真结果图。
图6是本发明射频端口噪声系数仿真结果图，图6(a)为Ku端口噪声系数仿真结果图，图6(b)为Ka端口噪声系数仿真结果图。
图7是本发明端口隔离仿真结果图，图7(a)为对IF端口隔离仿真结果图，图7(b)为对LO端口隔离仿真结果图，图7(c)为对Ku端口隔离仿真结果图，图7(d)为对Ka端口隔离仿真结果图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于谐波混频结构的Ku/Ka双频段混频器，包括介质基板 1、微带电路2、金属地3以及波导滤波器F，介质基板1选用Rogers5880板材，金属地3设置在介质基板1的一面，即介质基板1上全部敷铜形成金属地3，微带电路2设置在介质基板1的另一面。
如图2所示，所述微带电路包括本振输入模块A、中频输入模块B、Ka波段射频输出端口C、Ku波段射频输出模块D、反向并联二极管对电路E、Ka射频开关电路9、Ku射频开关电路16以及微带波导过渡电路12，本振输入模块A与反向并联二极管对电路E的一端连接，中频输入模块B、Ka波段射频输出端口C、 Ku波段射频输出模块D通过微带线分别与反向并联二极管对电路E的另一端连接；Ka射频开关电路9用于控制Ka波段射频输出模块D的通断，Ku射频开关电路16用于控制Ku波段射频输出通道D的通断，波导滤波器F通过微带波导过渡电路12与Ka波段射频输出端口C连接，Ka射频输出端口C与波导滤波器F一起构成Ka射频输出通道。
本振输入通道A由三部分组成：接头-微带过渡电路13、本振带通滤波器4 和匹配电路7。接头-微带过渡电路13将本振信号传送到本振带通滤波器4，信号经过本振带通滤波器4滤波得到纯净的频谱，再经过匹配电路7输入到反向并联二极管对电路中参与混频。匹配电路7用于实现并联反向二极管对的输入阻抗匹配，因为本振信号属于大功率信号，所以此匹配属于大信号匹配，匹配的目标是实现混频器的最小变频损耗。在某些实施例中，本振带通滤波器4采用五阶 SIR(阶跃阻抗)耦合形式，其通带中心频率为8GHz，在通带两侧有一对传输零点，能够滤除本振输入信号中的杂散信号，同时也起到端口隔离的作用。
中频输入通道B包括依次连接的低通滤波器6和SMA接头-微带电路过渡结构14，低通滤波器14采用CMRC结构，其通带频率为1GHz,在15-17GHz,31-33GHz 处具有25dB以上的频带抑制特性，使得中频端口与两个射频端口实现良好隔离。中频信号通过SMA接头-微带电路过渡结构14，再经低通滤波器6滤波后输入。
反向并联二极管电路E包括反向并联二极管DMK2380 17和用于闲频回收的四分之一本振波长并联开路枝节8和基于CMRC结构的第一信号反射单元10和第二信号反射单元11。所述第一信号反射单元10和第二信号反射单元11通过微带线连接在反向并联二极管对E和本振匹配电路7之间，所述四分之一本振波长并联开路枝节8通过微带线连接在中频低通滤波器6和反向并联二极管对E之间。在某些实施例中，反向并联二极管DMK2380 17、四分之一本振波长并联开路枝节8设置在微带线的两侧。四分之一本振波长并联开路枝节8以及基于CMRC 结构的第一信号反射单元10和第二信号反射单元11为两种闲频回收结构，该结构用于将闲散频率重新注入到二极管对中参与混频以达到减少变频损耗的目的。
Ku射频输出通道D包括依次连接的带通滤波5和K接头-微带电路过渡结构 15，带通滤波器5采用五阶SIR耦合带通滤波器，其中心频率为16.5GHz，具有一对带外传输零点。Ku射频信号经带通滤波器5滤波后经K接头-微带电路过渡结构输出给K接头。
Ka射频输出开关电路9和Ku射频输出开关电路16均选用PIN二极管 MA4AGFCP910。通过控制PIN二极管两端的电压来实现射频开关的通断切换，进而控制Ka/Ku两个通道的工作状态。
本发明基于谐波混频结构的Ku/Ka双频段混频器的工作原理如下：外部本振信号8GHz通过本振输入通道A输入到反向并联二极管对17右侧，外部中频信号通过中频输入通道B输入到反向并联二极管对17左侧，两路信号经过并联二极管对，产生一系列奇次谐波：
nfL±mfI m＝0,1，m+n为奇数
其中，fL是本振频率，fI是中频频率，当m＝0时，n为奇数，产生的是本振的奇次谐波，当m＝1时，n为偶数，产生的是本振频率和中频频率组合的奇次谐波。所需要的Ku射频为2fL+fI，为16.5GHz，所需要的Ka射频为4fL+fI，为 32.5GHz，其他不需要的频率为杂散频率，需要通过带通滤波器进行滤除。射频输出分为两路：Ka通道和Ku通道，Ku通道接有一个五阶SIR耦合带通滤波器，只允许Ku波段频率通过，同时起到端口隔离作用。Ka通道包括微带-波导过渡结构和电感膜片波导带通滤波器F，波导滤波器F用于滤除Ka波段以外的谐波分量。通过两路射频通路中的带通滤波器，所需的两路射频频率Ka/Ku被分离开来，完成了双频谐波混频功能，同时也实现射频端口和中频端口、本振端口之间的隔离。
采用电磁仿真软件ADS仿真软件对Ka/Ku双频段谐波混频器进行电路建模仿真。输入信号参数如下：
本振信号fLO＝8GHz，PLO＝9dBm，中频信号fIF＝0.5GHz，PIF＝-20dBm
混频器的指标主要包括：变频损耗、噪声系数、端口隔离度。对本振功率进行扫描，获得变频损耗—本振功率关系，如图3所示，仿真结果表明，最佳工作点在PLO＝7.9dBm，此时Ka通道的变频损耗为10.46dB，Ku通道的变频损耗为 9.82dB。两个射频端口仿真结果如图4所示，可以看出射频端口的输出频谱较为纯净，杂散频率压制在比较低的范围内。射频通道有四种工作状态：1.Ka通道开启，Ku通道开启；2.Ka通道截断，Ku通道开启；3.Ka通道开启，Ku通道截断4.Ka通道截断，Ku通道截断。四种状态的仿真结果如图5所示，状态1下 Ka通道的变频损耗为10.4～12.6dB，Ku通道的变频损耗为9.7～12.7dB；状态2下， Ka通道的变频损耗为24.6～33.1dB，Ku通道的变频损耗为16.2～17.3dB；状态3 下，Ka通道的变频损耗为10.3～13.8dB，Ku通道的变频损耗为25.2～39.9dB；状态4下，Ka通道的变频损耗为24.8～34dB，Ku通道的变频损耗为25.8～42dB。仿真结果表明，通道开启时，通道正常工作，通道截断时，通道变频损耗急剧增加，无法正常工作，符合设计要求。
在最佳工作点PLO＝7.9dBm扫描中频信号频率，噪声系数仿真如图6所示，仿真结果表明，在频率16.2～17.3GHz以内，Ku通道的噪声系数在9.3～11.35dB之间变化，在频率32.2～33.1GHz以内，Ka通道噪声系数在9.8～15.7dB之间变化。
在最佳工作点PLO＝7.9dBm，混频器端口隔离度的仿真结果如图7所示，结果表明各个端口之间的隔离度均超过40dB，表明端口滤波器设计取得了显著的效果。

Claims (7)

1.一种基于谐波混频结构的Ku/Ka双频段混频器，其特征在于，包括介质基板、微带电路、金属地以及波导滤波器F，所述金属地设置在介质基板的一面，微带电路设置在介质基板的另一面，所述微带电路包括本振输入模块A、中频输入模块B、Ka波段射频输出端口C、Ku波段射频输出模块D、反向并联二极管对电路E、Ka射频开关电路、Ku射频开关电路以及微带波导过渡电路，本振输入模块A与反向并联二极管对电路E的一端连接，中频输入模块B、Ka波段射频输出端口C、Ku波段射频输出模块D通过微带线分别与反向并联二极管对电路E的另一端连接；Ka射频开关电路用于控制Ka波段射频输出模块D的通断，Ku射频开关电路用于控制Ku波段射频输出通道D的通断，波导滤波器F通过微带波导过渡电路与Ka波段射频输出端口C连接。
2.根据权利要求1所述的基于谐波混频结构的Ku/Ka双频段混频器，其特征在于，所述本振输入通道A包括依次连接的接头-微带过渡电路、本振带通滤波器和匹配电路，所述接头-微带过渡电路用于将本振信号传送到本振带通滤波器，所述本振带通滤波器用于对本振信号进行滤波得到纯净的频谱，所述匹配电路用于实现并联反向二极管对的输入阻抗匹配。
3.根据权利要求2所述的基于谐波混频结构的Ku/Ka双频段混频器，其特征在于，所述本振带通滤波器采用五阶SIR耦合形式，其通带中心频率为8GHz，在通带两侧有一对传输零点。
4.根据权利要求1所述的基于谐波混频结构的Ku/Ka双频段混频器，其特征在于，中频输入通道B包括依次连接的低通滤波器和SMA接头-微带电路过渡结构，中频信号通过SMA接头-微带电路过渡结构14，再经低通滤波器6滤波后输入。
5.根据权利要求4所述的基于谐波混频结构的Ku/Ka双频段混频器，其特征在于，所述低通滤波器采用CMRC结构，其通带频率为1GHz,在15-17GHz,31-33GHz处具有25dB以上的频带抑制特性。
6.根据权利要求1所述的基于谐波混频结构的Ku/Ka双频段混频器，其特征在于，反向并联二极管电路E包括反向并联二极管和四分之一本振波长并联开路枝节和基于CMRC结构的第一信号反射单元和第二信号反射单元，所述第一信号反射单元和第二信号反射单元通过微带线连接，所述反向并联二极管、四分之一本振波长并联开路枝节均通过微带线与第二信号反射单元连接。
7.根据权利要求1所述的基于谐波混频结构的Ku/Ka双频段混频器，其特征在于，所述Ku射频输出通道D包括依次连接的带通滤波和K接头-微带电路过渡结构，带通滤波器采用五阶SIR耦合带通滤波器，带通滤波器中心频率为16.5GHz，具有一对带外传输零点；Ku射频信号经带通滤波器滤波后经K接头-微带电路过渡结构输出。
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