CN118264205A - 一种基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器，包括微带环形电桥、四分之一波长阻抗变换器、第一反向并联二极管对和第二反向并联二极管对，并设有本振信号端口、中频信号端口和射频信号端口，微带环形电桥由第一子微带、第一本振带通滤波器、第二子微带和第二本振带通滤波器顺序连接而成，本振信号端口连接至第一本振带通滤波器与第一子微带的连接端，第一反向并联二极管对连接至第一本振带通滤波器与第二子微带的连接端，第二反向并联二极管对连接至第二本振带通滤波器与第二子微带的连接端，第二子微带上设有综合信号端口，中频信号端口和射频信号端口均通过四分之一波长阻抗变换器连接至综合信号端口。本发明可抑制无用杂波分量，且损耗低、结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及混频器，尤其涉及一种基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器。
背景技术
混频器是无线通信***中的重要器件，其工作原理是通过输入信号与本振信号在非线性器件中的“相乘”产生组合频率分量，筛选出有用频率分量并抑制无用分量，完成频率变换的功能。在发射机上变频中，将中频信号转换为射频信号；在接收机下变频中，将射频信号转换为中频信号。在毫米波频段，高频、输出稳定的本振源设计难度较大，多采用谐波混频器，谐波混频器采用本振的高次谐波参与混频，可降低混频器对本振源的需求。然而，由于混频过程会产生较多无用组合频率分量，且本振的高次谐波功率相较于本振基波的电平较低，因此谐波混频器更易受到无用组合分量的影响；在微波电路中，小型化、集成化是主流的趋势。为满足上述需求，有必要设计出新型的谐波混频器，实现结构紧凑的同时尽可能抑制杂波频率分量，弥补现有方案的不足。
由于在较高的微波频段以及毫米波频段，微带电路的物理尺寸本身就较小，同时也不是本专利要解决的问题，故有关减小电路尺寸的相关研究就不再赘述。
目前关于毫米波谐波混频器的报道多采用单端式的设计结构、采用反向并联二极管对作为混频器件。一种典型的结构如下：射频过渡、射频带通滤波器、反向并联二极管对、本振中频双工器；为给本振及射频信号提供接地回路，需要在二极管对前后增加四分之一波长开路枝节；为改善本振、射频、中频端口间的隔离度，需提高对双工器、滤波器的阶数要求。这种结构将射频信号与本振信号分设在二极管对的两侧馈入，并分别设计二极管对的匹配电路，可实现良好的变频损耗特性。但是，这种结构中也存在以下缺点：1.较多的四分之一波长匹配线会增加电路结构的复杂性，也会影响混频器的带宽；2.由于本振和射频分别从管对的异侧馈入，导致该类型电路往往会较为狭长，不仅会增大电路损耗，也会对基板的装配及使用时的稳定性造成负面影响。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器，可抑制杂波频率分量，且结构更简单、损耗更低。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器，包括微带环形电桥、四分之一波长阻抗变换器、第一反向并联二极管对和第二反向并联二极管对，并设有本振信号端口、中频信号端口和射频信号端口，所述微带环形电桥由第一子微带、第一本振带通滤波器、第二子微带和第二本振带通滤波器顺序连接而成，所述本振信号端口连接至所述第一本振带通滤波器与所述第一子微带的连接端，所述第一反向并联二极管对连接至所述第一本振带通滤波器与所述第二子微带的连接端，所述第二反向并联二极管对连接至所述第二本振带通滤波器与所述第二子微带的连接端，所述第二子微带上设有综合信号端口，所述中频信号端口和射频信号端口均通过所述四分之一波长阻抗变换器连接至所述综合信号端口。
优选的，所述中频信号端口通过中频低通滤波器连接至所述四分之一波长阻抗变换器。
优选的，所述射频信号端口通过射频带通滤波器连接至所述四分之一波长阻抗变换器。
优选的，所述微带环形电桥为180°微带环形电桥。
优选的，所述综合信号端口设置在所述第二子微带的中点，所述第一子微带和所述第二子微带的长度均为所述微带环形电桥的长度的1/3，所述第一本振带通滤波器和所述第二本振带通滤波器的长度均为所述微带环形电桥的长度的1/6。
优选的，所述第一本振带通滤波器和所述第二本振带通滤波器具体为耦合微带线带通滤波器，且耦合微带线长度为本振信号中心频率所对应工作波长的四分之一。
优选的，所述四分之一波长阻抗变换器的长度为射频信号中心频率所对应工作波长的四分之一。
优选的，所述中频低通滤波器具体为高低阻抗线低通滤波器。所述射频带通滤波器具体为耦合微带线带通滤波器。
优选的，所述中频信号端口和射频信号端口分别位于基板相对的两个侧边。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
(1)本发明可在不引入额外开、短路枝节的情况下，消除直流分量及本振的奇次谐波项，实现无用杂波分量抑制，电路结构简单，不会影响混频器带宽；
(2)电路整体结构紧凑、体积小，电路损耗低，装配简单，稳定性高；
(3)通过180°环形微带电桥馈入本振和射频信号，射频信号与本振信号隔离度高，基波造成的噪声较小。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器的结构图；
图2是本发明实施例在典型应用场景本振28GHz/射频60GHz时的版图；
图3为定中振4GHz、本振功率15dBm下，射频从56GHz变化到66GHz时，下变频损耗实测结果；
图4为定本振频率28GHz、功率15.5dBm下，射频从56GHz变化到64GHz时，下变频损耗实测结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明实施例提供了一种基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器，如图1所示，该混频器设有本振信号端口1、中频信号端口2和射频信号端口3，包括微带环形电桥4、四分之一波长阻抗变换器5、第一反向并联二极管对6和第二反向并联二极管对7，微带环形电桥具体为180°微带环形电桥，由第一子微带41、第一本振带通滤波器42、第二子微带43和第二本振带通滤波器44顺序连接而成，本振信号端口1连接至第一本振带通滤波器42与第一子微带41的连接端c，第一反向并联二极管对6连接至第一本振带通滤波器42与第二子微带43的连接端b，第二反向并联二极管对7连接至第二本振带通滤波器43与第二子微带44的连接端e，第一子微带41和第二本振带通滤波器43的连接端记为d，第二子微带43上设有综合信号端口a，中频信号端口2和射频信号端口3均通过四分之一波长阻抗变换器5连接至综合信号端口a。本振信号端口1、四分之一波长阻抗变换器5、第一反向并联二极管对6和第二反向并联二极管对7均通过并联方式与微带环形电桥4连接。第一反向并联二极管对6和第二反向并联二极管对7都是由反向并联的两个二极管构成，均通过过孔接地。中频信号端口2和射频信号端口3分别位于基板相对的两个侧边。
在具体实施时，本振信号中心频率可以设为28GHz，记为fLO，对应工作波长为λLO；射频信号中心频率可以为60GHz，记作fRF，对应工作波长为λRF；中频信号中心频率为4GHz，记作fIF。由于中频信号相比射频、中频信号，近似为基带信号，因此有：fRF≈2fLO以及λRF≈0.5λLO。本振28GHz/射频60GHz时的版图如图2所示。
中频信号端口2通过中频低通滤波器8连接至四分之一波长阻抗变换器5，射频信号端口3通过射频带通滤波器9连接至四分之一波长阻抗变换5。中频低通滤波器8优选为高低阻抗线低通滤波器，可适当弯折以减小体积，射频带通滤波器9优选为耦合微带线带通滤波器，耦合微带线的长度约为λRF的四分之一。
综合信号端口a设置在第二子微带43的中点，第一子微带41和第二子微带43的长度均为微带环形电桥4的长度的1/3，第一本振带通滤波器42和第二本振带通滤波器43的长度均为微带环形电桥4的长度的1/6。
本振信号端口1、中频信号端口2、射频信号端口3和综合信号端口a特征阻抗为50Ohm，微带环形电桥4中微带线的特性阻抗为70.7Ohm，四分之一波长阻抗变换器5的特性阻抗为35.3Ohm。射频信号需通过微带探针-波导结构馈入中频信号端口2；中频信号和本振信号可通过射频连接器直接馈入。
第一本振带通滤波器42和第二本振带通滤波器44优选为耦合微带线带通滤波器，且耦合微带线长度为本振信号中心频率所对应工作波长λLO的四分之一。
四分之一波长阻抗变换器5的长度为射频信号中心频率所对应工作波长λRF的四分之一，所述四分之一波长阻抗变换器5与微带环形电桥4相连的一端有一段50Ohm的短截线，其长度不超过最小可加工长度的2倍。
在具体实施时，本发明的二次分谐波混频器可以通过毫米波混合集成电路工艺制作，电路基板采用0.127mm的石英，反向并联混频二极管对采用MACOM公司的MA4E1318。
下面对本发明工作原理进行阐述。首先分析射频、本振和中频的通路；其次分析混频原理及混频后存在的组合分量。具体如下：
1、对本振信号进行分析。本振信号从本振信号端口1馈入微带环形电桥4，分别经弧cb、ce到达第一反向并联二极管对6和第二反向并联二极管对7。由于弧cb的长度为本振信号中心频率所对应工作波长的四分之一，弧ce的长度为本振信号中心频率所对应工作波长的四分之三，相位相差约为180°，故施加在第一反向并联二极管对6和第二反向并联二极管对7的本振信号等幅反相。而经劣弧ca和优弧ca到达综合信号端口a的本振功率同样相位相差180°，相互抵消。
2、对射频信号进行分析。射频信号从射频信号端口3馈入，到达综合信号端口a后，分别经劣弧ab、ae到达b和e。由于劣弧ab、ae长度均为射频信号中心频率所对应工作波长的二分之一，因此施加在b和e的射频信号等幅同相。在综合信号端口a，往第一反向并联二极管对6和第二反向并联二极管对7看去所呈现的阻抗均为50Ohm，所以要通过四分之一波长阻抗变换器5的特征阻抗为35.3Ohm，将25Ohm的阻抗变换至50Ohm，以实现综合信号端口a在射频频段的匹配。由于第一本振带通滤波器42和第二本振带通滤波器44对射频信号呈现截止特性，因此对于射频信号，优弧be所在的部分呈现开路特性，射频信号与本振信号隔离。
3、对中频信号进行分析。在b和e中混频后得到本振和射频的组合频率分量，对于下变频而言，有用的信号分量为fRF-2fLO，由于第一本振带通滤波器42和第二本振带通滤波器44对低频信号呈现截止特性，中频分量经综合信号端口a到达中频信号端口2，射频带通滤波器9可保障中频信号不会进入射频通路，中频低通滤波器8可滤除高频信号分量，保证只有中频信号通过。
4、混频原理。由上文所述可知：施加到b和e的本振信号等幅反相、射频信号等幅同相。b和e各接有一对反向并联二极管对。设混频后的分量为mfRF±nfLO，则反经向并联二极管对后，外部电流中只含有(m±n)为奇数的组合分量，即：fLO、3fLO、5fLO等本振信号的奇次谐波和fRF±2fLO、fRF±4fLO、fRF±6fLO等射频信号与本振偶次谐波混频分量以及射频信号fRF、3fRF等。而两管对中的上述频率分量在综合信号端口a点处叠加后，本振信号的奇次谐波被抵消、偶次谐波项及射频奇次谐波叠加。即，通路中只存在：fRF±2fLO、fRF±4fLO、fRF±6fLO等射频信号与本振偶次谐波混频分量以及射频信号fRF、3fRF等分量，且幅值为单个二极管对的两倍。
因此，本发明的混频器可实现如下功能：本振信号从本振信号端口1输入、在b和e等幅反相；射频信号从射频信号端口3馈入，在b和e等幅同相；两管对混频后的分量相互叠加，最终有用中频频率fRF-2fLO经中频端口输出。
对本发明实施例进行实验，结果如图3、4所示，图3为定中振频率4GHz、本振输入功率15dBm下，射频从56GHz变化到66GHz时下变频损耗实测结果，从图中可以看出：在59.5GHz～63GHz的射频信号输入下，变频损耗小于12dB；在56GHz～66GHz的射频信号输入下，变频损耗小于16dB，损耗较低，带宽较宽。图4为定本振频率28GHz、功率15.5dBm下，射频从56GHz变化到64GHz时下变频损耗实测结果，从图中可以看出，在56GHz～62.5GHz的射频信号输入下(即中频取0～6.5GHz)，变频损耗小于16dB，中频带宽较宽。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
Claims (10)
1.一种基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器，其特征在于：包括微带环形电桥、四分之一波长阻抗变换器、第一反向并联二极管对和第二反向并联二极管对，并设有本振信号端口、中频信号端口和射频信号端口，所述微带环形电桥由第一子微带、第一本振带通滤波器、第二子微带和第二本振带通滤波器顺序连接而成，所述本振信号端口连接至所述第一本振带通滤波器与所述第一子微带的连接端，所述第一反向并联二极管对连接至所述第一本振带通滤波器与所述第二子微带的连接端，所述第二反向并联二极管对连接至所述第二本振带通滤波器与所述第二子微带的连接端，所述第二子微带上设有综合信号端口，所述中频信号端口和射频信号端口均通过所述四分之一波长阻抗变换器连接至所述综合信号端口。
2.根据权利要求1所述的基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器，其特征在于：所述中频信号端口通过中频低通滤波器连接至所述四分之一波长阻抗变换器。
3.根据权利要求1所述的基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器，其特征在于：所述射频信号端口通过射频带通滤波器连接至所述四分之一波长阻抗变换器。
4.根据权利要求1所述的基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器，其特征在于：所述微带环形电桥为180°微带环形电桥。
5.根据权利要求1所述的基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器，其特征在于：所述综合信号端口设置在所述第二子微带的中点，所述第一子微带和所述第二子微带的长度均为所述微带环形电桥的长度的1/3，所述第一本振带通滤波器和所述第二本振带通滤波器的长度均为所述微带环形电桥的长度的1/6。
6.根据权利要求1所述的基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器，其特征在于：所述第一本振带通滤波器和所述第二本振带通滤波器具体为耦合微带线带通滤波器，且耦合微带线长度为本振信号中心频率所对应工作波长的四分之一。
7.根据权利要求1所述的基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器，其特征在于：所述四分之一波长阻抗变换器的长度为射频信号中心频率所对应工作波长的四分之一。
8.根据权利要求2所述的基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器，其特征在于：所述中频低通滤波器具体为高低阻抗线低通滤波器。
9.根据权利要求3所述的基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器，其特征在于：所述射频带通滤波器具体为耦合微带线带通滤波器。
10.根据权利要求1所述的基于微带电路的平衡式二次分谐波混频器，其特征在于：所述中频信号端口和射频信号端口分别位于基板相对的两个侧边。
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