一種鰭線混頻器的設計

摘 要：研究一種用于近程雷達的毫米波混頻器的設計，電路結構上采用簡單易于實現的單端混頻器結構，通過環行器來實現本振和信號的輸入，環行器的功率分配可根據雷達的作用距離來進行設計，采用鰭線結構來實現混頻器的匹配輸入，通過一個濾波電路來實現中頻輸出，盡可能地減小混頻損耗。經測試，當工作頻率為30 GHz時，變頻損耗僅為6 dB。

關鍵詞：環行器；鰭線；混頻；單端混頻

中圖分類號：TN733 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0107602

Design of a Fin-line Mixer

ZHU Sujun，YE Yuhuang

(College of Physics and Information，Fuzhou University，Fuzhou，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、電子對抗等系統接收機中的關鍵部件，他的指標很大程度上決定了整個系統的性能，因此研究高性能混頻器也成為一個非常重要的課題。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設計混頻器的方法并給出了實驗結果。

1 電路結構和工作原理

混頻器的工作原理如圖1所示。頻率為f0，強度為P的微波信號s1由1 端口進入環行器，根據環行器的工作原理，信號主要從2 端口輸出，小部分泄漏到3端口，設2端口輸出的信號強度為kP，然后經天線發射出去，再由目標反射回來。由于目標的運動，根據多普勒效應，返回到2端口的信號s2頻率為f0(1+2vrc)，強度為kPG2λ2σ(4π)3R4。再傳到3端口的信號s3頻率為f0(1+2vrc)，強度為k2PG2λ2σ(4π)3R4，1端口泄漏到3端口的信號s3′頻率為f0，強度為(1-k)P。最后s3與s3′經3端口送入混頻二極管^[1]。

[JP2]其中，vr為目標的運動速度，G為收發共用天線的增益，σ為目標的散射截面積，R為目標距離雷達天線的距離，k為環行器理想情況下從1端口到2端口的功率傳遞系數。[JP]

實際中，當作用目標距離R為不同情況時，可以通過調整環行器的功率分配系數k來實現混頻的要求。例如，取R為300 m，假設天線增益為31 dB，λ選取0.01 m，σ取單人目標為0.5 m2，根據雷達的接收能力，取本振與信號之比為109。理論上可估算出k的值為0.995，實際中，環行器正向衰減設計取0.3 dB，隔離度為24 dB，可以滿足上述要求，也是可以實現的。可見，改變R的值，在其他指標不變的條件下，只需改變環行器的功率分配即可實現。當然增大發射功率，也可以使R的值變化。

混頻電路采用單鰭過渡將信號和本振加到混頻管上，其結構示意圖見圖2。為減少中頻輸出電路引起的信號和本振回路的不連續性，設計中將混頻電路盡可能靠近波導壁，在中頻輸出位置的波導壁內開一槽縫，使中頻由此引出，為使混頻管處獲得最大的電場量，短路面CD 段設計為λ/4，為減少信號和本振回路的不連續性，單鰭過渡段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計的低通濾波器引出，同時偏置經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為結電阻，是起混頻作用的非線性電阻，CJ為結電容。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t=1.435 的正弦變換段，其結構如圖4 所示，他的函數表達式為^[2，3]:

為防止微波信號由中頻輸出電路泄漏，在偏置電路中設計一帶阻濾波器，結構如圖5 所示。 設計為n=2 的等波紋濾波器，可使得在f=30 GHz處獲得衰減達到20 dB 性能^[4]。圖中:



式中:λ0為信號波長，εr 為基片介質的相對介電常數。[LL]

帶阻濾波器的導帶寬度W的設計可近似按矩形同軸線設計，根據導帶的特性阻抗Z0，相結介電常數εr。襯底的厚度h，查曲線^[5]可求得W 值。

2 實際測試結果

測試混頻器性能的原理圖如圖6所示。

當提供f=30 GHz的信號，同時使信號頻率發生變化，測出不同情況下的混頻損耗L，實驗結果如表1所示。

3 結 語

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，同時鰭線的引入和特殊的中頻輸出電路，從實驗數據結果可以看出，本設計的混頻損耗比較小，能很好地完成混頻功能。同時本設計還有另外一個優點，可以通過設計環行器的功率分配關系來滿足近程雷達測試距離的要求。

參 考 文 獻

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

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

［3］馬凱學.毫米波混頻技術的研究[M].西安:西安工業大學出版社，2002.

［4］張學建，蔡松.K波段波導平面電路混頻器的設計[J].福州大學學報:自然科學版，1984(4):44-49.

［5］甘本.微波傳輸線設計手冊[M].北京:人民郵電出版社，1981.

作者簡介

祝素軍 男，碩士研究生，就讀于福州大學物理與信息學院。

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、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”