【精品课件】微波混频器电路

电路中设计微带线长度时都是以信号频率对应的微带导 内波长为基准的，一方面是由于信号频率和本振频率很接近， 按信号波长设计对本振传输带来的影响不大； 另一方面是 由于信号功率比较弱，电路设计务必要保证信号的损失最小，
单端混频器电路以微带形式光刻在介质基片上，为平面 电路，其结构简单，制造容易，体积小，质量轻，但性能较 差，实际应用不多。然而这种单端混频器也是其他各种混频 器的基础，其基本结构及其设计思想对于其他混频器都具有 参考意义。
给出图3-21所示结构的混频器实验性能如下：信号频率 fS=4 GHz，中频fif=70 MHz，中放带宽为±10 MHz，中放噪 声系数Fif=1.7 dB，镜像抑制滤波器对信号的插入损耗为0.4 dB。二极管的直流电流为2.2 mA，本振功率为4 mW，混频 器-中放组件的总噪声系数为4.1 dB
图3-21中在二极管输入接点处放置了一个平行耦合带阻 滤波器，组成此滤波器的微带线总长约为λSg／2，其中λSg／ 4长度与主线作平行耦合。根据无源微波元器件的性能，它 是以fi为带阻中心频率的带阻滤波器，对镜像频率提供开路
对图3-21和图3-22中镜像抑制滤波器的一般要求是：对 镜频有足够的衰减(约20 dB)，对输入信号的插入损耗足够 小(小于0.5 dB)。为了保证达到这一要求，信号和镜频边带 的频率间隔应足够宽，中频不能选得太低。根据经验，中频 fiS≈1.5 BS，其中BS为信号带宽，故这类混频器是窄带的，其 信号相对带宽小于10％。
2. 要降低混频器的变频损耗和噪声系数，除了必须对各高 次闲频提供短路终端外，还需对镜像频率提供短路和开路终 端。在电路设计中所采取的措施是在信号输入端的适当位置 加入镜像抑制滤波器，把镜像功率反射回二极管后再次参加 混频，得到附加的中频输出。图3-21和图3-22分别给出了镜 像短路和镜像开路的单端混频器微带电路。
1—定向耦合器；2—阻抗变换器；3—相移线段；4—混频二极管； 5—高频旁路; 6—半环电感及缝隙电路；7—中频及直流通路； 8—匹配负载；9—镜像抑制滤波器
图 3-21 镜像短路单端混频器微带电路
1—定向耦合器；2—阻抗变换器；3—相移线段；4—混频二极管； 5—高频电路; 6—半环电感及缝隙电容；7—中频及直流通路； 8—匹配负载；9—镜像抑制滤波器
(2) 在定向耦合器与混频二极管之间接有λSg/4(λSg为信号 频率对应的微带导内波长)阻抗变换器及相移线段。相移线
λSg／4阻抗变换器完成定向耦合器的端口②与频二极管之 间的阻抗匹配，使信号和本振最有效地加到二极管上。
(3) 在二极管的右边接有低通滤波器，由λSg／4终端开 路线、半环电感和缝隙电容组成。它的作用是滤除信号和本 振及其各次谐波等高频信号，λSg／4终端开路线对高频信号 呈现短路输入阻抗，高频信号将从这里短路接到地板上而不 会从中频端口输出，但这一开路线对中频信号则呈现较大容 抗而近似不影响中频传输。为了对偏离中心频率fS的其他高 频信号也提供低阻抗，λSg／4开路线采用低阻线(阻抗为5～ 10 Ω)，即微带线很宽。中频引出线上的半环电感和缝隙电 容组成谐振于本振频率的并联谐振回路，以进一步加强对本 振的抑制，阻止它进入中频回路，但这一并联谐振回路对中 频则近似短路，中频可以顺利通过。
图 3-22 镜像开路单端混频器微带电路
从图3-21与图3-22的对比可见，图3-21中提供镜像短路 的滤波器是一段长约λSg／4(λSg为镜像频率对应的微带导内 波长)、终端开路的微带线，这段线对镜像频率提供很低的 阻抗，使镜频近似短路。 该微带线一般放在紧靠二极管输 入接点的地方，使混频产生的镜频分量在二极管接点处就被 短路到地。如果该微带线离开二极管有一段距离(不等于λSg ／2)，那么这一小段线的电抗就会形成镜像电压，而不能将 镜像真正短路。电路的其他部分与图3-20相同。
3.4 微波混频器电路
微波混频器的基本电路包括单端混频器、平衡混频器和 双平衡混频器，在这些基本混频器电路的基础上增加镜像信 号处理技术就可构成镜像回收混频器，包括滤波器式镜像回 收混频器和平衡式镜像回收混频器。
为了保证有效地进行混频，微波混频器的基本电路都应 满足以下几项主要原则：① 信号功率和本振功率应能同时 加到二极管上，二极管要有直流通路和中频输出回路；② 二极管和信号回路应尽可能做到匹配，以便获得较大的信号 功率；③ 本机振荡器与混频器之间的耦合应能调节，以便 选择合适的工作状态；④ 中频输出端应能滤掉高频信号， 以防止渗入中频放大器。
1—定向耦合器；2—阻抗变换器；3—相移线段；4—阻性混频二极管; 5—高频旁路；6—半环电感及缝隙电容；7—中频和直流通路；8—匹配负载
图 3-20 微带型微波单端混频器的电路结构
(1) 定向耦合器除保证信号和本振功率有效加在二极管 上之外，还可以保证信号端口和本振端口之间有适当的耦合 度。其耦合度不宜取得过大和过小，耦合过松，会使完成正 常混频要求的本振功率过大；耦合过紧，则由于定向耦合器 的端口③接有匹配负载，信号功率传到定向耦合器的端口③ 后被负载吸收过多， 导致信号功率损耗加大。一般耦合度 取为10 dB。
(4) 为能构成中频电流流动的通路，在二极管输入端还 接有中频通路。为了减小本振功率并改善混频器的噪声性能， 可以给二极管适当加一个较小的正向偏压，但从简化电路出 发，往往工作于零偏，这时仍要保证为混频电流中的直流成 分提供通路。图3-20所示的直流通路就是由中频接地线兼做 的。它是长度为λSg／4奇数倍的终端短路微带线，为主传输 通道提供近似开路阻抗，同时它设计成线条很窄的高阻线， 目的都是使它对信号和本振的传输没有影响。
3.4.1 1. 单端混频器是一种最简单的混频器，前节的分析实际上
就是以单端混频器为例进行的，其工作原理和性能已经详细 讨论，这里主要关注其电路结构。图3-20给出了微带型单端 混频器的电路结构，它由耦合微带线定向耦合器、1/4波长 阻抗变换器、阻性混频二极管(通常采用梁式引线肖特基势 垒二极管)、中频和直流通路及高频旁路等部分组成。信号 从电路左边送入，经定向耦合器和阻抗变换器加到混频二极 管上，本振功率从定向耦合器的另一端口输入也加到二极管 上。