毫米波奇次谐波混频器设计与测试技术

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1、中北大学学位论文1.绪论1.1课题研究的目的及意义随着雷达、卫星通讯等技术的不断发展，微波技术主要朝着高频段和宽带宽两大方向不断发展。现阶段，微波技术的主要研究热点在于毫米波乃至亚毫米波段。技术要发展，测试须先行，微波测试仪器作为对微波器件或组件的性能信息获取的重要工具，其[1]技术水平直接制约着微波技术的发展。毫米波混频器作为微波测试仪器接收前端的重要部件，被广泛应用于频谱仪、网络测试仪等仪器中。它是一个三端口器件，由射频RF端、本振LO端、中频输出IF端构成，采用非线性或时变元件，达到了把接收到的高频信号变换为易于处理的中频信号的[2]目的。因此，在微波测试仪器中，混频器性能的优良与

2、否直接关系到整个系统的好坏，所以，高性能的混频器的研究便成为了一个十分重要的课题。混频器低频的IF高频率的信号RF信号本振LO源图1.1毫米波混频器由于在毫米混频器接收到的RF信号非常高，而同频段的本振源难以实现且成本高，[3]因此在毫米波波段，混频器的研制主要以谐波混频器的研制为主。谐波混频器的对本[4]振源的频率的要求为射频RF信号频率的1/n，克服了同频段本振源难以实现的难题。[5]因此，毫米波混频器的研究又主要集中在毫米波谐波混频器领域。在以上的背景下，本文针对目前毫米波谐波混频器的研究多集中于对偶次谐波混频1中北大学学位论文器进行研究，而对奇次谐波混频器的研究较少的状况，从奇次

3、谐波产生的原理出发，分别在5mm波段和3mm波段研制了3次谐波的奇次谐波混频器。且针对混频器输入、输[6]出频率不同，难以实现快速自动扫频测试的情况，全面的介绍了混频器的测试方法，并选择了合适的测试方法对设计出的混频器进行了全面的测试。1.2毫米波谐波混频器的发展现状国外对毫米波谐波混频器的研究起步较早，因此对这一领域的研究更加深入，且由于其先进的加工工艺，所以在毫米波谐波混频器这一领域上大大领先于国内的水平。在研究报道方面，MichaelWCgapman等在一篇论文中分析了一种60GHz的四次谐波混频器，该混频器在工作频率RF为58.5GHz，中频输出IF为2.5GHz时，其变频损[7

4、]耗最低，达到了11.3dB。这是目前报道过的工作频率为60GHz的最好的四次谐波混频器。在1995年，AsherMadjar等制作了一种工作频率在W频段上的四次谐波混频器，该混频器在RF为94GHz，混频器的变频损耗在输出的中频为2.5GHz时最优，达到了[8]15dBm。而在2004年，PhichetKittara，PaulGrimes等人成功研制出了工作频率高达[9]700GHz的SIS对鳍线混频器。BertrandThomas等人于2005年在一篇文章中报道了一种低噪声亚谐波混频器，其工作频率为300-360GHz，在其工作频率段内，这种混频器[10]的变频损耗在10dB上下波动

5、，具有很好的工作效果。而国外目前有一些专门制作毫米波谐波混频器的公司，它们制作出的产品的性能也大大领先于国内的研究水平。国外目前主要研制毫米波谐波混频器的公司有Farran、Millitech、Quinstar等公司，这些公司制作出的毫米波谐波混频器在各自的工作频段上都有较好的性能。表1.1在5mm波段国外各公司制作出的谐波混频器的对比公司名称FarranMilltechQuinsstarRF频率(GHz)50-7050-7550-75谐波次数689LO功率(dBm）≤189-167-14最低变频损耗(dB)2529282中北大学学位论文在5mm波波段，国外各个公司制作出的毫米波谐波混频

6、器的对比如表1.1所示。由表1.1可以看出在5mm波波段，所有的毫米波谐波混频器的差别不是很大，变频损耗大多在28左右，Farran公司的混频器变频损耗虽然只有25，但其覆盖的射频频率较窄，只有50-70GHz。而Quinsstar公司的混频器谐波次数达到了9次，但其变频损耗却只有28dB，可见奇次谐波混频器在变频损耗上比偶次谐波混频器较优，本设计因而把设计目标放在了奇次谐波混频器的研制上。在3mm波波段，国外各个公司制作出的毫米波谐波混频器的对比如表1.2所示。表1.2在3mm波段国外各公司谐波混频器的对比公司名称FarranMilltechQuinsstarRF频率（GHz）75-1

7、1075-11075-110谐波次数889LO功率（dBm）≤189-187-14最低变频损耗(dB)383532由表1.2可以看出，在3mm波段Farran公司和Milltech的8次谐波混频器的变频损耗分别为38dB和35dB，明显要大于Quinsstar公司的9次谐波混频器，且其对本振功率的要求只有7-14dBm，也小于另外两个公司的产品。由此可见，工作频率越高，奇次谐波混频器的优越性就体现得越明显。鉴于国外一些公司对毫米波谐