0.12THz谐波混频器的设计与研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学物理电子学院 作者:邢晓俊

  在太赫兹通信、雷达、电子对抗、测量等系统中,所遇到的首要问题便是太赫兹波信号的频率变换,谐波混频器是太赫兹通信系统中最为核心的器件,其性能的好坏将直接决定接收系统和发射系统的性能,本文对0.12THz的二次谐波混频器进行理论分析,在理论分析的基础上对该混频器进行设计仿真,理论仿真结果表明0.12THz的二次谐波混频器的损耗小于8dB,并对于优化后的模型在RT/duroid 5880为电路基片上进行加工测试,测试结果表明本文设计的0.12THz二次谐波混频器衰减为7dB,已经达到了国际先进水平。

  在太赫兹通信、雷达、电子对抗、测量等系统中,所遇到的首要问题便是太赫兹波信号的频率变换。超外差接收机中的混频器实际上是起到频谱向下搬移的功能,即将较高频率的射频信号经过非线性器件变换成较低频率的中频信号。混频器是超外差接收机中的关键部件,它的指标很大程度上决定了整个接收系统的性能。由于在太赫兹低端亚毫米波频段,同频段高性能的本振源成本高,技术难度大,采用分谐波混频技术是解决此问题的有效途径,只需射频频率1/2、1/4甚至1/8的本振频率即可实现混频。

  目前太赫兹频段混频器研究较少,而分谐波混频器更是由于其损耗过大,而在实际运用中非常影响通信系统的性能指标,本文通过理论研究、结合仿真设计,对仿真结果进行优化,将最终优化结果模型尺寸加工测试,理论与实际加工测试结果都表明,本文设计的0.12THz谐波混频器的损耗低于8dB。

1、理论分析

  本设计采用管对二极管反向并联结构实现分谐波混频电路。与一般毫米波混频器相比,毫米波分谐波混频器可以采用微波振荡器作为其本振源,而高稳定微波本振源比较容易实现,因此毫米波分谐波混频器在毫米波系统中备受关注且得到广泛应用。采用管对式的分谐波混频电路是毫米波和亚毫米波混频的一种较好方式。

  混频二极管工作时的电压电流特性分析如下。当两个二极管极性相反地并联在一起时。

  可见,采用管对实现谐波混频有诸多优势:

  (1)外部电流只含有偶次本振谐波混频项,而且幅度比单管大一倍;

  (2)管对背向排列可以防止反向击穿带来的固有损坏;

  (3)奇次本振谐波混频项仅存在于管对环路内部,因此电路中输出的干扰频率将减少,从而可减少混频损耗。

  (4)外部电流中无直流分量,混频器无需设置直流通路,使电路结构简化。

  (5)减少噪声。混频时,根本没有基波混频输出,因此本振引入噪声仅在2ωL±ωif(ωif为中频频率)附近的噪声才会经混频而输出,此噪声已大大减弱了。

2、0.12THz二次谐波混频器设计

  首先确定分谐波混频器整体电路的拓扑结构,通过查阅大量文献以及充分的理论分析,确定电路拓扑如图2所示,采用目前最为主流的基于GaAs肖特基二极管和悬置微带的电路结构,由射频端口过渡,射频滤波,本振双工(包括本振端口过渡和中频滤波输出)三部分组成。在射频端通过一个金属片充分接触腔体实现RF和直流的接地。射频滤波器通本振、阻射频,实现两个端口间的隔离。中频信号从本振端通过一个低通滤波器输出。对0.12THz谐波混频器的无源结构进行设计,无源结构包括由射频端口过渡,射频滤波,本振双工(包括本振端口过渡和中频滤波输出)三部分。运用电磁仿真软件对各部分无源结构进行优化,达到设计要求。

110GHz分谐波混频器电路拓扑结构示意图

图2 110GHz分谐波混频器电路拓扑结构示意图

  其中射频端口过渡设计如下:RF信号通过标准波导WR8馈入,经此过渡将信号引入到悬置微带,从而传输到位于悬置微带条带上的二极管对。波导-悬置微带的原理及设计方法与波导-微带的相同。探针中心到短路活塞的长度选取约λ/4,那里的电场在波导中最强,探针的输入阻抗是和探针的形状、工作频率、波导短路活塞距离都有函数关系,可以通过优化计算来设计探针,首先固定波导短路活塞距离,调整探针的深入长度和探针的宽度,使该结构驻波特性最佳。然后在软件波端口的阻抗计算器中计算出1端口的输入阻抗Z1,采用λ/4阻抗变换器,实现阻抗匹配。由Z2=Z1×Z2,其中Z2的取值一般为50Ω,计算到阻抗变换器特性阻抗Z,最后计算得到该阻抗变换器的线宽。另外,由于电路整体设计的考虑,RF和直流地需放置于射频输入端,这在一定程度上恶化了过渡性能。仿真模型如图3所示。

射频过渡仿真模型

图3 射频过渡仿真模型

4、结论

  本文对0.12THz的二次谐波混频器进行理论分析,在理论分析的基础上对该混频器进行设计仿真,理论仿真结果表明0.12THz的二次谐波混频器的损耗小于8dB,并对于优化后的模型在RT/duroid 5880为电路基片上进行加工测试,测试结果表明本文设计的0.12THz二次谐波混频器衰减为7dB,以及达到了国际先进水平。从本文的研究可以看出合理的电路拓扑、准确的器件建模和无源电路的优化是实现宽带、低变频损耗分谐波混频的关键技术。

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