26～40GHz磁調帶通濾波混頻組件研究

1、引言

近年來(lái)，隨著(zhù)微波毫米波技術(shù)的飛速發(fā)展，對寬帶微波毫米波測試儀器的提出了更高的要求，頻譜分析儀、噪聲系數分析儀等接收機類(lèi)儀器的工作頻率已經(jīng)拓展到40GHz，本文介紹了一種可以作為前端預選器用于寬帶接收機的非YIG（Yttrium-Iron-Garnet）鐵氧體磁調帶通濾波混頻組件。

傳統測量接收機中，將磁調濾波器、混頻器分開(kāi)單獨設計，成為兩個(gè)獨立的微波部件。磁調濾波器與混頻器之間通過(guò)電纜或適配器連接，濾波器的失配（典型情況下電壓駐波比為2.5）同混頻器的失配（典型情況下電壓駐波比為3）的相互作用，能引起頻率響應變壞約2.5dB，甚至更差。為了將這種相互作用減至最小，傳統的做法是將一個(gè)6dB匹配衰減器接在濾波器與混頻器之間，顯然這是以犧牲整機靈敏度為代價(jià)的。利用微波混合集成技術(shù)將磁調濾波器和諧波混頻器集成為一個(gè)組件，使得濾波器與混頻器之間的電長(cháng)度遠小于波長(cháng)，在不犧牲整機靈敏度的基礎上減小失配造成的頻響惡化；同時(shí)巧妙地利用鐵氧體磁調濾波器的雙耦合環(huán)結構實(shí)現射頻巴倫，采用雙平衡諧波混頻可以有效地抑制不需要的混頻產(chǎn)物，并拓展工作帶寬，提高動(dòng)態(tài)范圍。

2、濾波器耦合諧振腔的仿真設計

為了設計實(shí)現工作頻率為26～40GHz的濾波混頻組件，首先必須保證磁調濾波器耦合諧振腔的自諧振頻率遠高于工作頻率的上限。在設計允許的條件下，盡量減小耦合諧振腔和鐵氧體諧振子的物理尺寸是提高耦合諧振腔自諧振頻率的最直接的方法[1，2]。但是，如果過(guò)分地減小耦合諧振腔的尺寸，不僅給設計和加工帶來(lái)非常大的難度，而且會(huì )因為耦合環(huán)距離腔體壁過(guò)近，激發(fā)高次模，帶來(lái)寄生響應。

　　下面將介紹一種利用Ansoft公司HFSS（High Frequency Structure Simulator）高頻仿真軟件對耦合諧振腔進(jìn)行仿真計算，確定其自諧振頻率的方法。

　　首先根據設計經(jīng)驗，在HFSS軟件中繪制濾波器耦合諧振腔的模型，如圖1所示。仿真模型中并沒(méi)有放入鐵氧體諧振子的模型，這是因為加入該模型后仿真計算量會(huì )非常大，一般的計算機根本無(wú)法進(jìn)行下去。因此仿真結果與實(shí)際的測試會(huì )存在一定的偏差，如何修正這個(gè)偏差是設計時(shí)需要著(zhù)重考慮的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多次仿真計算和加工試驗測試，對比仿真結果和實(shí)測曲線(xiàn)，總結了這樣一個(gè)經(jīng)驗：軟件仿真耦合諧振腔的物理尺寸乘以一個(gè)0.8～0.9左右的系數后，再進(jìn)行加工裝配測試，測試結果與仿真結果基本一致。

圖1 耦合諧振腔的模型

圖2 耦合諧振腔仿真曲線(xiàn)

圖3 濾波混頻組件失諧隔離測試曲線(xiàn)

　　圖2是耦合諧振腔的仿真曲線(xiàn)，圖3是仿真尺寸乘以0.88的系數后設計加工的濾波混頻組件失諧隔離的實(shí)測曲線(xiàn)，兩個(gè)曲線(xiàn)基本一致；實(shí)測曲線(xiàn)因為集成了混頻器，其幅度偏低20dB左右。

3、磁調帶通濾波混頻組件的設計

　　圖4是雙平衡混頻器的電路原理圖，其中本振信號的作用相當于開(kāi)關(guān)，它交替地在正、負半周內使信號經(jīng)過(guò)不同的兩個(gè)二極管與輸出電路連通，相當于兩個(gè)單平衡混頻器交替工作。

圖4 雙平衡混頻器原理圖