基于自振蕩混頻的X波段單器件收發(fā)電路設計分析

基于自振蕩混頻的X波段單器件收發(fā)電路設計分析

作為通信系統中的兩個(gè)關(guān)鍵的電路單元，混頻器和振蕩器起著(zhù)至關(guān)重要的作用。在無(wú)線(xiàn)通信中，混頻器與振蕩器的設計直接關(guān)系到整個(gè)電路是否具有高性能與高穩定性的品質(zhì)。

在接收前端電路中，混頻器作為實(shí)現頻率搬移的器件，將由天線(xiàn)所接收到的射頻(Radio Frequency，RF)信號與振蕩器所提供的本地振蕩(Local Oscillation，LO)信號源進(jìn)行線(xiàn)性的頻率變換，從而得到方便處理的中頻(Intermediate Frequency，IF)信號。

而在發(fā)射前端電路中，混頻器將低頻的基帶信號與振蕩器提供的本地振蕩信號進(jìn)行頻率搬移后變換為所需的高頻信號。

振蕩器與混頻器充當著(zhù)的頻率搬移組合電路被廣泛的運用在雷達、遙感、通信等領(lǐng)域中。

針對上述問(wèn)題，學(xué)者們經(jīng)過(guò)研究提出了一種基于單個(gè)器件既可以產(chǎn)生振蕩信號又具備混頻功能的電路組件。

這種電路組件被稱(chēng)為自振蕩混頻器(SOM)，其通過(guò)對電路的設計，來(lái)增強管子自身的非線(xiàn)性效應，并使管子產(chǎn)生自振蕩信號，可與輸入的射頻信號進(jìn)行混頻從而產(chǎn)生中頻信號。

這相當于將振蕩器與混頻器的功能集合于一體。其原理圖如下圖2所示。

基于單個(gè)器件同時(shí)進(jìn)行信號的產(chǎn)生和頻率轉換的電路設計

基于單個(gè)器件同時(shí)進(jìn)行信號的產(chǎn)生和頻率轉換的電路設計可以追溯到1915年，當時(shí)就有學(xué)者在文獻中記錄： 可采用真空管來(lái)設計一種即產(chǎn)生振蕩頻率、又能與輸入的射頻功率進(jìn)行頻率合成的系統。

上世紀 50 年代是無(wú)線(xiàn)電通信發(fā)展的早期，由于自振蕩混頻技術(shù)的使用可以減少無(wú)線(xiàn)電接收機中有源器件的使用數量，因此一般采用二極管進(jìn)行設計的自振蕩混頻電路被廣泛地應用于無(wú)線(xiàn)電接收系統中。

1960年初，隨著(zhù)固態(tài)器件的出現和逐步發(fā)展，有關(guān)自振蕩混頻技術(shù)的需求逐漸減少。

隨著(zhù)有源器件制作工藝的不斷發(fā)展，場(chǎng)效應管(FET)的出現以及其相比于二極管更易于集成的特性，使得FET更多地被應用于自振蕩混頻電路中。

自振蕩混頻技術(shù)也因此重新引起了人們的關(guān)注。

自本世紀以來(lái)，由于自振蕩混頻技術(shù)在實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信系統的低成本、小功耗等設計方面具有一定的研究意義與發(fā)展前景，該技術(shù)得以再次被重視與研究，并進(jìn)一步地發(fā)展且被應用在更多的領(lǐng)域中。

基波頻率為1.9GHz，輸入射頻頻率為5.79GHz 時(shí)可達到最高轉換增益為11.5dB。該三次諧波電路實(shí)物圖和轉換增益隨輸入射頻頻率變換的仿真與測試圖如下圖4所示。

除此之外， 為了進(jìn)一步提高自由振蕩信號與射頻信號的隔離度，平衡結構的自振蕩混頻器也被設計出來(lái)。

該結構的自振蕩混頻器主要由兩個(gè)對稱(chēng)放置的相同晶體管以及微帶線(xiàn)構成，其中兩個(gè)晶體管的柵極由一條微帶線(xiàn)連接起來(lái)。

為了實(shí)現較低的相位噪聲，采用了諧振頻率為5.2GHz的H槽缺陷接地結構(DGS)建立了一款平結構自振蕩混頻器。

該電路可產(chǎn)生4.77GHz的振蕩信號，當輸入信號為5.2GHz時(shí)，可產(chǎn)生430MHZ的信號，此時(shí)可實(shí)現的轉換增益達到1dB。該電路正反面實(shí)物圖如下圖5(a)、(b)所示。

近幾年來(lái)，由于其低功耗與低成本的優(yōu)勢，自振蕩混頻技術(shù)被應用于雷達、通信等多個(gè)領(lǐng)域，使其得以進(jìn)一步的發(fā)展。

通過(guò)合平面貼片天線(xiàn)和開(kāi)槽方形貼片諧振器(SSPR)，使得電路具有高群延遲峰值的雙極帶通濾波器的特性。

測得本振頻率為10.676GHz，輸出中頻信號的頻率為6.3MHZ，此時(shí)變頻增益為4.45dB，該電路可用做多普勒雷達進(jìn)行短距離的運動(dòng)探測。該自振混頻器如下圖6所示：

測試表明，自振蕩信號為10.86GHz，當輸入的射頻信號頻率為10GHz時(shí)，測得的變頻增益高達10dB。該電路可用于低成本低功耗的無(wú)線(xiàn)通信系統。

相比于國外，國內對于自振蕩混頻技術(shù)的研究起步較晚，所以相關(guān)研究進(jìn)展相對較為緩慢。但是近年來(lái)，在國內該技術(shù)又開(kāi)始引起了重視并逐步發(fā)展著(zhù)。

在1GHz的帶寬內該電路的平均變頻增益可達到2.2dB。該K波段自振蕩混頻器電路實(shí)物如下圖7所示。

綜合國內外發(fā)展趨勢來(lái)看，低成本，高性能的射頻電路一直是學(xué)者們旨在研究重要方向。而國內目前主要重點(diǎn)研究的方向為非平衡結構的自振蕩混頻器電路。

自振蕩混頻技術(shù)的理論基礎

自振蕩混頻技術(shù)就是將振蕩器與混頻器的功能集成在一個(gè)單一的電路上。當沒(méi)有射頻信號輸入時(shí)，自振蕩混頻電路相當于一個(gè)振蕩器。因此在針對自振蕩混頻技術(shù)進(jìn)行研究時(shí)，首先是要對自振蕩性能進(jìn)行研究，然后再對混頻性能進(jìn)行研究。

1.微波振蕩器的原理

一般把無(wú)需加上外部信號激勵，就能將直流電能轉變?yōu)榫哂幸欢l率特性的交流信號輸出的非線(xiàn)性器件稱(chēng)為振蕩器。

振蕩器是毫米波接收與發(fā)射系統中的重要組成部分其性能指標的優(yōu)劣影響著(zhù)整個(gè)系統的穩定性。振蕩器按照輸出波形的不同，可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。

按反饋結構的不同，振蕩器可分為串聯(lián)反饋振蕩器和并聯(lián)反饋振蕩器；按工作原理來(lái)講，振蕩器一般被分為反饋式振蕩器和負阻式振蕩器。

2.反饋式振蕩器的工作原理

并聯(lián)反饋振蕩器的設計基于反饋振蕩原理，其電路網(wǎng)絡(luò )模型如圖9所示。

圖中顯示，電路結構中主要包含了正向增益為G的放大網(wǎng)絡(luò )和反饋系數H的反饋網(wǎng)絡(luò )，其中反饋網(wǎng)絡(luò )由環(huán)路的固定相移和諧振器組成。

根據巴克豪森豪森判據(Barkhausen Criterion)和奈奎斯特準則(Nyquist Criterion)反饋式振蕩器能夠穩定振蕩的三個(gè)必要條件有：

(1)開(kāi)環(huán)增益 Af(jo)大于1；

(2)環(huán)路的相位為2nΠ(n-0,1,2,3...)，且振蕩頻點(diǎn)處的相頻特性為負斜率；

(3)仿真時(shí)，奈奎斯特圓圖在振蕩頻率附近用半徑很小的半圓沿順時(shí)針圍繞點(diǎn)。

由于振蕩器是一個(gè)非線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )較為復雜，且滿(mǎn)足上述三個(gè)條件的電路，仍然無(wú)法保證起振。有關(guān)振蕩器的精確設計是有一定難度的，精確分析振蕩點(diǎn)的頻率是較為復雜的。

在仿真時(shí)，可能會(huì )發(fā)現多個(gè)頻點(diǎn)均滿(mǎn)足上述三個(gè)條件，一般而言相位條件最優(yōu)的頻點(diǎn)是實(shí)際最有可能產(chǎn)生振蕩的地方。

3.負阻式振蕩器的工作原理

線(xiàn)性電阻和非線(xiàn)性電阻都屬于正電阻器件。一般可知流過(guò)正電阻的電流越大，那么兩端的壓降也會(huì )越大，這意味著(zhù)消耗的功率也越多。

與之相反，負阻器件可以將直流功量可以產(chǎn)生功率供給外部電路。負阻具有能量變換特性，負阻式振蕩器主要是利用負陽(yáng)器件的這一特性來(lái)抵消電路中的正阻器件所產(chǎn)生的損耗，當達到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，振蕩便會(huì )產(chǎn)生。

振蕩電路中的有源器件(包括雪崩二極管、Gunn效應二極管、晶體三極管等)充當著(zhù)負阻角色。

與只需在直流偏置狀態(tài)下便可產(chǎn)生負阻的二極管器件不同，晶體三極管如BJT、FET、pHEMT等則不僅需要在直流偏置的狀態(tài)下，還需要加上反饋網(wǎng)絡(luò )，才能使具有負阻特性。

一般將有源器件采用二極管的負阻式振蕩電路稱(chēng)為單端口負阻式振蕩電路，采用三極管的則稱(chēng)為雙端口負阻式振蕩電路。

4.自振蕩混頻電路的分析求解方法

自振蕩混頻器可以等效為一個(gè)非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò )。由于非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò )工作時(shí)具有定的復雜度，所以需要由相關(guān)的非線(xiàn)性的分析方法對其進(jìn)行分析。

經(jīng)過(guò)研究后，常見(jiàn)的非線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )分析方法由如下幾種： 冪級數法、Vlterra級數法、時(shí)域積分法以及諧波平衡(Harmonic Balance，HB)法等。

這些方法各有適用的電路網(wǎng)絡(luò )， 因此需要根據實(shí)際仿真的電路特性來(lái)進(jìn)行選擇。

冪級數法與Volterra級數法對于弱非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò )的分析比較精確，但是對于求解大信號激勵下的強非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò )卻無(wú)能為力，該方法求解強非線(xiàn)性電路時(shí)，無(wú)論是速度還是精確度都達不到要求。

時(shí)域積分法進(jìn)行求解分析時(shí)，則對仿真模型的精確度要求非常高。

而諧波平衡法是一種通過(guò)在時(shí)域和頻域上不斷交替輪換來(lái)計算非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò )，最終求得平衡解的方法。

其是使用最簡(jiǎn)便且有效的求解非線(xiàn)性電路的工具，而且應用范圍不僅包括弱非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò )，也同樣適用于強非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò )。

綜合考慮上述各個(gè)分析求解方法各自的適用領(lǐng)域，采用諧波平衡法對設計的自振蕩混頻電路進(jìn)行分析是最合適的。

采用諧波平衡法分析電路的基本思路為：找到一組能夠使非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò )中的線(xiàn)性與非線(xiàn)性子電路方程得到相同電流的端口電壓波形或諧波電壓分量，最后進(jìn)行求解。

諧波平衡分析法的實(shí)質(zhì)就是對非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò )建立相關(guān)的諧波平衡方程并求解。

參考文獻：

[1].《現代微波濾波器的結構與設計》

[2].《微波自振混頻技術(shù)研究》

[3].《V波段高距離分辨率組件》