第3章毫米波固态电路20140316-毫米波混频器和倍频器
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三毫米波段二次谐波混频器_向博
流过二极管对的电流对电压求导数，得时变电
导：
g（ t）
= di（ t） dv
= 2αIsch（ αv（ t） ）
．
（ 3）
加上本振信号 V = VLOcosωLOt 时，利用第一类 的 n 阶修正贝塞尔函数公式，对 g（ t） 进行傅里叶级
数展开如下：
g = 2αIs［I0 （ αVLO ） + 2I2 （ αVLO ） cos2ωLO t
向 博等： 三毫米波段二次谐波混频器
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良好． 带 外 对 46． 3 GHz 本 振 信 号 抑 制 良 好，此 处 S21 为 － 21 dB，回波 S11 为 － 0． 04 dB． 带外对射频 80 ～ 99 GHz 信号抑制良好，优于 － 33 dB． 中频低通 滤波器再加上终端开路线能进一步增加中频信号与 本振和射频的隔离．
+ 2I4 （ αVLO） cos4ωLOt + …］ ．
（ 4）
由式（ 4） 可知，混频电导是偶函数，其傅里叶展
开式中不含奇次项． 在已加本振的混频管对上，再加
上一个小射频信号 Vscosωst，混频电流展开式中将 出现 2ωLO － ωs ，4ωLO － ωs 等混频分量．
归纳出如下管对混频特性： 外部电流只含有偶
射频端口的 T 型结构如图 6 所示，采用有限元方 法进行分析． 参数性能见图 7． 由图可见，S21 很小，即 端口 1 和端口 2 间射频信号导通良好； S31 曲线表示 射频和中频端口隔离度优于 35 dB； S32 曲线表示本 振与中频信号隔离度优于 37 dB； S22 曲线表示本振 信号回波约为 0． 3 dB． 该电路达到设计要求．
采用软件 HFSS 对图 2 所示过渡模型［8-9］进行 仿真分析． 实验验证结构为两个过渡相连，即输入波 导通过转换过渡连接到微带，再通过转换过渡连接 到波导输出． 仿真模型波导为端口 1，微带为端口 2．
毫米波三倍频器的研究
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒｉｐｌｅｒ Ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｆｏｒ ｍａｘｉｍｕｍ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＡＤＳ ａｎｄ ＨＦＳＳ ｓｏｆｔ－ｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｒｅａｃｈｅｓ ｍａｘｉｍｕｍ ｖａｌｕｅ
签名： 鱼 维
日期：办，口年６月／－Ｐ Ｅｌ
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１．３国内外发展动态
倍频器作为发射机、频率合成器、接收机本振源等电子设备中非常重要的非 线性电路，国内外己对它进行了广泛的研究。目前，国内外对倍频器的研究主要 集中在毫米波高端、亚毫米波频段，国外已经在亚毫米波的理论研究和实际应用 中都取得了很大进展。
１ ９９８年Ｊｏｈｎ Ｔｈｏｒｎｔｏｎ等报道了一种２５０ＧＨｚ的肖特基二极管三倍频器【６】，在输
毫米波倍频器是毫米波技术中的一项重要内容，具有以下优点： １．降低了设备的主振频率，并且把工作频率扩展到毫米波、亚毫米波段。 ２．把微波设备所具有的高频率稳定度和相噪特性好的特点扩展到毫米波、亚 毫米波频段上。 ３．固态倍频器体积小、易于集成。 ４．使用寿命较长。 目前小功率的短波长毫米波、亚毫米波固态源的获得主要依靠倍频方法实现。 因此，进行毫米波、亚毫米波倍频器的研究具有很重要的意义。
ｓｏ ｅｆｒｅｃｔｉｖｅｌｖ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｃｌｕｔｔｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｄｉｏｄｅ ｐａｉｒｓ ｗａｓ ｍｏｄｅｌｅｄ ａｎｄ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ
毫米波振荡原理
毫米波振荡原理
毫米波的振荡原理基于电磁相干振荡理论。
英国物理学家弗洛里赫提出，生物组织中的DNA、RNA、蛋白质、酶等大分子和生物膜均有各自固定的振荡频率，这些频率正处于毫米波的振荡频率范围之内。
因此，当毫米波作用于这些生物大分子和生物膜时，可以引起谐振，进而对细胞产生一系列生物学效应，如修复细胞、激活细胞、提升自身抵抗疾病和治愈疾病的能力等。
毫米波振荡器产生毫米波（8mm），经隔离器加至环行器，再由天线定向辐射出去，并在空间以电磁波形式传播。
当此电磁波在空间遇到目标（弹丸）时反射回来，如果目标是运动的，则反射回来的电磁波频率附加了一个与目标运动速度成正比的多普勒频率。
此回波被天线接收下来，经环行器加至混频器，在混频器中与经环行器泄漏的信号（作为本振信号）进行混频。
混频器为非线性元件，其输出有多种和差频率，如fd、f0±fd、2f0±fd等，经前置放大器选频得多普勒信号（频率为fd），再经长电缆（长50～100m）送至预处理系统的主放大器，主放大器附有自动增益控制与手动增益控制电路。
手动增益用来调整放大器的总增益，自动增益控制用来增加放大器的动态范围。
以上信息仅供参考，如果您还想了解更多信息，建议查阅相关书籍或论文。
毫米波400W连续波固态功放设计
毫米波400W连续波固态功放设计李新胜【摘要】针对未来深空测控及其他航天器的测控通信需求,提出了一种基于单片微波集成电路(MMIC)的新颖高效2×6路结构的波导功率合成方案.利用三维电磁场软件HFSS建模仿真,并以此为基础研制了38 W功放模块和功率合成器.通过模块化设计、分布式散热和结构一体化等多种技术措施,设计的毫米波固态功放实现了192路芯片高效率合成.测试结果表明,在1 GHz带宽内输出P1dB功率达到400W(连续波),合成效率达到80％以上,散热效果理想,设备稳定.【期刊名称】《无线电工程》【年(卷),期】2017(047)001【总页数】4页(P59-61,70)【关键词】Ka频段;连续波;固态功放;合成器;合成效率;热设计【作者】李新胜【作者单位】中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南郑州450047【正文语种】中文【中图分类】TN73由于Ka频段测控系统在信噪比、带宽和抗干扰能力等方面的先天优越性，未来深空探测任务的上行工作频段将逐渐从目前的S频段、X频段向Ka频段方向过渡、发展。
但由于Ka频段微波单片集成电路(MMIC)自身的功率限制，必须进行大规模芯片合成，这又给合成效率和散热带来极大的压力。
为适应高功率、高合成效率、高效散热和小型化的未来需求，可通过双面探针(波导微带转换)实现小型化要求，尽力减小各级波导合成器尺寸和减少波导接口数量来降低损耗，通过结构和散热一体化设计达到高效导热和散热的目的。
本文采用一种新颖的非二进制合成器结构，实现大规模功率合成以及合理的热设计，有效规避了二进制结构采用256路结构而导致不必要的输出功率偏高的弊端，不仅缩小了整机体积、减小了供电功率、提高了合成效率，而且大大减轻了散热压力。
整机采用12路合成的方案，合成器采用BJ320波导结构。
毫米波400 W固态功放的方案组成框图如图1所示。
主要组成部分包括：驱动与监控模块、末级模块、2分路器/合成器、2分路器/合成器、微波组件、分布式供电电源和冷却装置以及各种对外接口等。
微波毫米波技术基本知识
PHEMT有更高的功率，成为毫米波功率器件的主 流。
HBT效率高，1/f相噪低, InP基HBT振荡管工作频 率已达138GHz。
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毫米波MMIC
82年第一只Ka 波段MMIC二极管混频器问世以来， MMIC品种迅速增多，性能改善，工作频率提高： 美国TRW和Hughes公司InP基MMIC工作频率已超过 250GHHz。 TRW公司InP HEMT 功率MMIC：
可以说，DGS是PBG的一种特例。
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四、国外毫米波器件和系统应用
现代武器装备的需求促进了毫米波技术 的发展，毫米波技术发展的需要又带动 了半导体和微电子电路技术和工艺的进 步，使毫米波技术成为当今一门知识密 集的综合性技术学科，国外毫米波设备 快速发展，每年以30%-40%的速度增长， 成为军事电子领域的“ 朝阳”产业。
★微波电路的小型化，特别是三维电路的发展 不仅以先进的电路制造工艺为基础，而且依赖 计算电磁学和商用电磁仿真软件的迅速发展。
★随着射频集成电路（RFIC）、单片集成电路 （MMIC）和超大规模集成电路（VLSI）技术 的迅速发展，低成本、高性能的高速数字、射 频、微波和毫米波集成电路和系统的互连和封 装成为重要的理论和工艺技术课题。
商用CAD软件应运而生。
Ansoft公司 软件 ：designer和HFFS
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计算电磁学及其应用
★随着集成密度的增加和工作频率的提高，设计者 必须认真对待互连和封装中的各种电磁效应问题， 如电路间的互耦，寄生谐振，电磁干扰和电磁兼容 性等问题。
★在电磁场与微波技术学科中，以电磁场理论为基 础，以高性能计算技术为手段，运用计算数学提供 的各种方法，诞生了一门解决复杂电磁场理论和工 程问题的应用科学－计算电磁学(computational electromagnetics)
毫米波理论与技术第1章绪论
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
1.2 毫米波的大气传播特性
毫米波的大气窗口和吸收带
（1）大气“窗口”
中心频率f(GHz) 35 94 140 220
波长λ (mm)
带宽B(GHz)
8.6
16
3.2
23
2.1
26
1.4
70
优点：使雷达可用窄脉冲和宽带调制技术获得目标的细部特 性；拓宽现有的通信频谱。 （2）大气吸收带
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
毫米波理论与技术
总 学 时：40学时 开课时间：春季 主讲教师：徐跃杭 Email：yuehangxu@
课程简介
先修课程
《导波场论》、《电磁场理论》、《微波技术基础》、《 微波网络》、《微波固态电路》
课程内容
毫米波 传输线、无源元件、有源器件理论； 毫米波器件和电路设计技术； 毫米波混合/单片集成技术（HIC&MMIC）；
35GHz
海拔 4km 30
O2
60 频率\GHz
在毫米波频段有 220GHz 四个传播衰减相 140GHz 对较小的大气 94GHz “窗口”，任何 一个毫米波“窗 口”的可用带宽 H 2O 几乎都可以把包 O2 括微波频段在内 的所有低频频段 100 150 300 容纳在内。
衰减\(dB/km)
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
1.3 毫米波的特点及其应用
角分辨率
在一般情况下能获得的角分辨率α就等于天线波束的半功 率宽度（或由信号处理获得的等效波束宽度），它与辐 射波长λ、天线（或透镜）直径D有如下的关系 α=k λ/D 系数k决定于天线孔径上的电流分布，典型值为1～1.3。 上式表明，波长越短，天线直径越大，波束宽度越窄， 角分辨率就越高。 例：一个12cm孔径的天线在94GHz给出1.8°的波束宽度 ，同样孔径尺寸的天线在10GHz的波束宽度为18 °。
毫米波检波器倍频器与谐波平衡法
分裂法的特点是比较简单，但收敛性较差，分裂系数要比较小才能够保证收 敛。当分裂系数较大时，有可能出现发散现象。 三、牛顿法 利用牛顿法求多变量函数的零点。 牛顿法的迭代公式：
∂F (V ) p V = V − F (V ) ∂V V =V p
p +1 p −1
其中： JF = ∂F (V ) ∂I G = YN Ω +j ×N + ∂V ∂V ∂Q c ∂V
k= l k ≠l
∂Qc ,n ,k ∂Vm,l
1 21T ∂qc ,n ( t ) − j ( k −l )ωt = ∫ 1 e dt T − 2T ∂vm ( t )
主要优点：收敛性较好。 主要确定：内存和计算量较大。 四、反射法 反射发模拟电路的接入过程。 将非线性子网络和线性子网络之间的各个端口上接入基波的整数波长的传 输线，不会影响电路的稳定状态。
I N +1
Z c1
Vs (t )
VN +1
Z s (ω )
1
v1,i ( t )
Z c1
2v1,i ( t )
NL1
Zc2
2v2,i ( t )
2 线性 子网络
v2,i ( t )
Zc2
NL2
非线性 子网络
I N +2
VL (t )
Z cN
v N ,i ( t )
2vN ,i ( t )
VN + 2
Vs = [ 0 0.5 0 0]
T
如果 Z 0 =50Ω, L1 =1nH , C1 =0.1 pF = a0 0.1, = a1 0.05, = a2 0.00
0.0014 − j 0.0034 0 0]
电子科技大学微波固态电路总回顾
总回顾—— 第三章微波晶体管放大器 G
单向化设计（ S12≈0S ） − Γ (1
2 2 S
S 21
2
M
固定增益电路
GTu =
2
21
)(1 − Γ L )
2 2 2
2
(1 − S11Γ S )(1 − S22 Γ L )
2 2
= S21 ⋅
1− Γ S
多级放大器晶体管选择 宽带放大器
1 − S11Γ S
原理图捕捉；支持工具；层次设计 ；电路元件库； 模拟控制 ；优 化；版图；存在多种不同类型的分析研究电路响应的模拟引擎
总回顾—— 第三章微波晶体管放大器
功率合成技术
链状结构 按电路拓扑 结构分类 树状结构 N口结构 Wilkinson合成器 Rucker合成器 圆锥合成器 辐射状合成器 行波合成器 器件级 谐振型 按功率合成 方式分类 电路级 非谐振型 准光功率合成 空间级 自由空间波功率合成 混合型 腔体谐振 介质谐振 空间型 按传输线 形式分类 波导型 平面型
ΓSm ΓLm
P′
ΓLm Γ*Lm
ΓL′
总回顾—— 第三章微波晶体管放大器
微波晶体管功率放大器的特性 1）功率 耗散功率
PDC ≈ I cVcb
，输入功率Pin，输出功率Pout，
小功率：PDC<1 W, 中功率：1W≤PDC ≤ 5W,大功率：PDC>5W 功率单位：1mW=0dBm 1W=1000mW=30dBm 10W=40dBm
考核方式——
平时（作业和出勤率）：10%；实验（8学时）：20%； 期末考试（第15周，一页纸开卷，填空5~10/判断5~10/简答3~5，2小时）： 70% ；
非考试重点——
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3.3.3 亚谐波混频器 反向并联二极管对偶次谐波混频电路
优点：可降低毫米波本振频率要求；
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.3 亚谐波混频器
亚谐波混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.3 亚谐波混频器 亚谐波混频器
• 300-360GHz sub-harmonic mixer using planar Schot tky diodes [B. Thomas 2005]
3.3.3 亚谐波混频器 单片亚谐波混频器
• E-band monolithic Schottky diode pair subharmonic mix er [E.B. Stoneham 2006]
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3.3.3 亚谐波混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
VB
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
Cj Cj(0)
V
3.4 .1 二极管倍频器
二极管倍频电路的基本形式
并联型（电流激励型）和串联型（电压激励型）
滤波器 滤 G f n滤 G f nD I D R V 滤 滤 Rfg波 f1 波 g fL 1 g 1 RS L g 波 器 器波 1 D 1 器 器 vS
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3.3 混频器
两端器件—二极管混频器原理
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3.3 混频器
三端器件—FET混频器原理
非线性源
阻性混频
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3.3.1 单端混频器
单端混频器原理图
二极管、F ET等 优点：简单、变频损耗小（特别是巴伦和阻抗变换较难 实现的频率）、本振功率低； 缺点：杂波太多、带宽窄、隔离度差（LO/IF）；
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3.3.2 平衡混频器 毫米波吉尔伯特混频器
射频信号从 M1 和 M2 的栅极输入 , MOS 管工作在饱和区 , 将射频电压信号转 化为电流信号 ; 本振信号从 M3、M4、M5 和 M6 的栅极输入 , MOS 管工作在 开关状态。由开关电路对 RF 电流信号进行开关调制 , 实现混频功能。 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.4 .1 二极管倍频器 变容二极管的管芯结构和等效电路
平面管芯结构和台面管芯结构
SiO2 Cr-Au 欧姆接触 P Au-Ge
+ +
A N N+硅 B
P+ 耗尽层
N N -GaAs C
等效电路
Rj Ls Rj Rs Cj
(a) 管芯等效电路 sps
Rs Cj Cp
Ls
Rs
Cj
Cp
(b) 封装管完整的等效电路
下变频
上变频
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3.3 混频器
混频器的分类
根据非线性器件：
(1)二端器件混频器（二极管） (2)三端器件混频器（FET、CMOS、HBT）
根据电路结构和工作特点：
单端混频器 平衡混频器（单平衡和双平衡） 亚谐波混频器（偶次谐波和寄次谐波） 镜像抑制混频器
信号频率fs端口的信源热噪声是kT0f，经过混频器变换成中频噪声； 在镜频 fi附近f内的热噪声与本振频率 fp之差为中频，也将变换成中频 噪声输出； 混频器内部损耗电阻热噪声以及混频器电流的散弹噪声，还有本机振 荡器所携带相位噪声都将变换成输出噪声， Pnd 。
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
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3.3.2 平衡混频器
鳍线平衡混频器
鳍线－共面线平衡混频器
鳍线－带线平衡混频器
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3.3.2 平衡混频器
电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3.2 平衡混频器 V频段单片集成混合环平衡混频器
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3.3.2 平衡混频器 双平衡混频器
特点：比单平 衡具有更高的 端口隔离度和 杂散抑制度。
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3.3.2 平衡混频器 双平衡混频器
• 70-90GHz monolithic HBT star mixer [Velocium]
3.3 混频器
噪声系数
m——混频器变频损耗
Pno kT0 f / m kT0 f / m Pnd
Pno Tm tm kT0 f T0
FSSB
kTm f mtm kT0 f Lm
FDSB
Pno 1 am t m 2k ' T0 f / m 2
根据混频器特性：
有源混频器： “hot”晶体管，特点是有增益，但结构复杂、不可逆； 无源混频器：二极管、“cold”晶体管（阻性FET混频器），线性度好；
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3.3 混频器
两端器件—二极管混频器原理
二极管种类 PN结二极管 肖特基势垒二极管 PIN二极管 变容二极管 典型应用 检波器、混频器、调制 器（响应较慢） 检波器、混频器、调制 器（响应快） 开关、衰减器等 调谐器、倍频器、VCO 等
变频是频谱搬移电路
(ｂ） 输出信号 (a) 输入信号 电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义
3.3 混频器
主要技术指标
噪声系数 变频损耗/增益 隔离度（LO/IF/RF） 动态范围 线性度（三阶交调） 本振功率 镜频抑制度 端口驻波
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但转换效率低；
电抗型倍频器优点是转换效率高，但工作不稳定
，易产生振荡；
倍频器的只要技术指标：
• • • • • • 工作频率和倍频次数； 倍频器的变频损耗（或效率）； 倍频器输出功率； 倍频器的驱动功率； 杂波抑制（波型纯度）； 输入/输出驻波。
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二端器件 变容二极管（非线性电抗倍频） 阶跃二极管（非线性电抗倍频） IMPATT二极管（非线性电感倍频） 电阻性二极管 肖特基势垒二极管（非线性电阻倍频） 三端器件（电抗和电阻倍频）
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3.4 倍频器
电阻型倍频优点是工作带宽宽，不易产生振荡，
3.3 混频器
噪声系数
• 定义
Pno F Pns
Pno：当系统输入端噪声温度为T0 = 290K时，到输出端 的总噪声资用功率； Pns ：仅由有用信号输入所产生的 那一部分输出的噪声资用功率。
根据混频器具体用途不同，噪声系数有两种：单边带噪声 和双边带噪声； 混频器输出端的中频噪声功率主要包括三部分：
滤波器 f1 RS
滤波器 nf1 iS RL GS f1
D nf1 GL
滤波器 滤波器
滤波器 nf1 GS iS Gg L1 R1 Rn Cn GL
RS
Hale Waihona Puke vSL1 R1 C1 Ln Rn Cn 滤波器 f1 滤波器 nf1 i1 in RL D L1 R1 C1 Ln Rn Cn
D C1 Ln D Rn
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3.3.2 平衡混频器
平衡二极管MMIC混频器，采用的是混合环结构耦合器
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3.3.2 平衡混频器 单片有源平衡混频器
• 32-46GHz monolithic GaAs PHEMT balanced mixer [Mimix]
3.3.3 亚谐波混频器 单片四次谐波混频器
• 60GHz Uniplanar MMIC 4-Subharmonic Mixer [M. W. Chapman 2002]有限宽度地共面（FGC）波导
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3.3.4 镜像抑制混频器
镜频抑制混频器原理
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3.3.1 单端混频器 二极管单端混频器
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3.3.1 单端混频器 单端混频器
• 230GHz single ended mixer [J.W. Archer 1981]
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(c) 封装管的简化等效电路
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3.4 .1 二极管倍频器
变容二极管的非线性特性
结电容
零偏压结电容
C j0 dq Cj dv vr 1 V D
反向偏压绝对值 PN结的势垒电位差
结电容变化系数
• γ=1/3 缓变结 • γ=1/2 突变结 • γ>1 超突变结
• V band singly balanced diode mixer [C. Florian 2005]
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3.3.2 平衡混频器 W频段单片集成混合环平衡混频器
• 91-99GHz monolithic HEMT Schottky diode singly b alanced mixer [Velocium]
3.3.1 单端混频器
阻性FET MMIC组成的镜像抑制混频器
优点：交调失真小； 直流功耗小；RF/LO 隔离度好。