毫米波四次谐波混频器的分析

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1、硕士论文毫米波四次谐波混频器的研究1．3本文研究工作本文借鉴国内外对鳍线结构的研究，将使用ADS软件设计制作微带结构的3mrn四次谐波混频器和8mm四次谐波混频器，并对毫米波谐波混频器进行理论分析和研制。本文共分四章，除去本章外，后续各章内容如下：第二章扼要介绍了毫米波谐波混频器的工作原理、谐波平衡法和ADS应用软件。第三章对毫米波谐波混频器的三套结构方案进行了探讨，并通过ADS软件对它们依次进行设计和仿真，得到各方案的电路结构尺寸。第四章首先对毫米波谐波混频器的外壳及几个重要过渡段进行设计，在理论分析和仿真设计的基础上，对毫米波四次谐波混频器进行了实

2、验研究。硕士论文毫米波四次谐波混频器的研究2毫米波混频器理论分析2．1基本原理与～般毫米波混频器相比，毫米波谐波混频器(milimeterwaveHarmonicaMixer简称miTIWHM)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mnlw谐波混频器在mmw系统中备受关注且得到广泛应用。本文首先扼要介绍mmw混频器的工作原理。为以下分析简明起见，先忽略肖特基势垒二极管的寄生参量影响，将二极管认为是只有一个结电阻础的非线性电阻元件。在该电阻两端同时加上两个高频信号电压：低功率微弱的信号电压Vs和较高功率的本振VL，如图2．1

3、．1所示。审皇V_L_=图2．1．1、馄频器一般电原理图图2．1．1中的回路电流是vs和vL的函数。即i=／(圪+Zs)(2．1)因为吒》％，故可在本振电压圪附近对函数，进行泰勒级数展开，得到‘=f(vL)+厂’(圪)％+五1厂”(圪)略2+⋯+im!f“(吒)％⋯⋯(2·2)由于Vs为小量，可以忽略高次项。这里只取一阶近似，式(2．2)可以近似为i“f(VL)+，’(K)％(2．3)式中厂(K)和厂。(％)分别是只加本振电压时的二极管电流和随本振电压变化的二极管瞬时电导，令八K)=瓢屹=g(f)(24)设本振电压屹=Vzcosco。t，则厂(圪)和g

4、(，)也都必然是本振频率的周期性函数，可将其展开为傅里叶级数形式：堕主笙塞塞鲞垫婴盗堕婆堡塑矍塑塑墨————f(VL)=Ido+2∑』。cosnoJLt"=Ig(t)=go+2∑gocosncoLt若信号电压u=(,．coscot，则流过二极管的总电流为(2．5)∞f-la。+2)-"Iocosmod+(go+2y,gocosncolt)×V,．coscoj(2．6)，t=ln=l式(2．6)就是阻性混频器在小信号工作状态下的电流频谱表达式。由此可见，前两项均与信号频率无关，它只是由本振电压所决定的混频器电流成分。第三项才是由本振和信号共同决定的电流成

5、分。如果令n=l，2，3，⋯⋯代入式(2．6)，展开后可得到无穷多项具有不同频率成分的电流分量。图2．1．2给出其中一部分电流成分的大小和频谱分布。直流本振图2，1．2混频电流频谱分布由图可见，流过二极管的电流中包含有直流分量，信号本振的谐波分量如2∞，、col、2cos等，和频∞，+热及差频缺一col=劬F分量等等。如果使用中频带通滤波器单独取出其中的差频分量，滤除不需要的其它混频产物(或称混频寄生分量)，就可达到把微波信号频率变频为低的中频频率的目的。值得注意的是，所需要的差频分量仅是众多电流分量中的--d'部分。除此之外还有若干个寄生分量，它们也

6、是信号和本振混频所产生的，自然都包含有信号的能量。如果不加利用，自白滤除而损失，则会降低变频效率，为此人们研究了镜频回收问题。镜象频率为d)，=2col—COs，因为它处在以本振频率为轴、与信号频率对称或者说是“镜象”的位置上而得名，它的重要性在于：它是本振二次谐波和信号差拍产生的，具有不可忽视的功率。而且它离信号频率很近，一旦落在信号源的通频带内，它将消耗在信号源内阻上造成的功率损耗。因此镜频比起和频等其它频率成分对电路影响更为重要。如果在输入电路中设法使镜频能量反射回混频二极管，使之重新与本振差拍，产生中频电流(即q—cox=吐k)，叠加在最初获得

7、的中频电流上，从而可以使混频硕士论文毫米波四次谐波混频器的研究效率得以提高。本文研究的是四次谐波平衡混频器，其本振频率只有基波频率的四分之一，电路采用两个混频二极管构成平衡式混频电路，如图2．1．3所示：V(ti(t)图2．1．3反向二极管对工作原理图由表面势垒二极管的伏安特性可知，流过每个二极管的电流和二极管两端的电压关系为：i=io(e“⋯-1)i2=io(e“‘“一1、其中口=七的q是电荷电量，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，ntcl一。⋯～一_⋯，数，iD是二极管的饱和电流。信号电压和本振电压分别为：K(t)=Kcoscotvat)=圪eos(

8、mLt+吼)由于f吒扮{％f，则=极管对两端的电压可近似为：y(f)=Vs(t)+Vz(t)z