基于180°混合網絡及十字耦合器的平衡混頻器設計

施鱈凇 朱曉維

【摘? 要】設計了一種基于180°混合網絡的Q波段平衡混頻器。該混合網絡由90°定向耦合器以及90°延時線構成，其中耦合器采用基片集成波導的十字型結構來減小布板面積，延時線采用微帶結構來最大程度簡化電路。實驗結果表明，該種混合網絡和傳統定向耦合器相比，能夠大幅度提高中頻與射頻的隔離度，用以實現單平衡中的較寬帶寬。

【關鍵詞】平衡混頻器;基片集成波導;定向耦合器;混合網絡

1? ?引言

隨著微波毫米波電路技術的逐步發展，多普勒雷達測速、測距技術已越來越廣泛地應用于軍工及民用場合。作為其射頻收發系統中的核心部件之一，混頻器的設計往往決定了整個鏈路系統的性能指標，尤其當工作頻率處于毫米波段。傳統的平衡混頻器可以在單層板上由微帶線及各種結構的定向耦合器[1-3]組合而成。

本文提出了一種基于十字型SIW（Substrate Integrated Waveguide，基片集成波導）耦合器的單平衡混頻器，根據中頻電流的疊加原理將傳統的耦合器用180°混合網絡進行替換，最終達到了理想的仿真與實測結果。

2? ?混頻理論分析

由傳統的90°耦合器構成的單平衡結構，中頻輸出的等效電流為兩管的疊加（如式 （1）所示），其中Uscosωst為射頻輸入信號，ULcosωLt為本振信號，

g（ωt）=g0+2gncosnωt為二極管在本振信號激勵下的等效導納，其電流方向及混頻器結構如圖1所示：

從公式（1）可以看出，該結構的中頻輸出包含有射頻和本振的泄漏信號，這意味著射頻到中頻的隔離度并不理想，這會影響混頻器的變頻帶寬。為了解決這個問題，可以將耦合器替換為180°混合網絡，根據相似的分析方法，可以得到中頻電流表達式為：

可以看出中頻電流中只有混頻分量，從而大大提升了端口之間的隔離度。

3? ?耦合器設計

如前文所述，混合網絡由SIW耦合器及微帶延時線構成，其中耦合器的設計為整個混頻電路的關鍵。在Q波段的高頻信號下，微帶結構的耦合器不僅帶寬窄，而且受限于加工精度，很容易出現頻偏等問題。而SIW結構雖然尺寸較大，但能很好地避免這兩種情況，并且由于類矩形波導的結構特性，SIW是射頻與中頻間天然的隔離器，因此本文采用SIW十字耦合器結構，在提高帶寬和隔離度的同時能最大限度地縮小布板面積。圖2為SIW耦合器結構，圖3為基于SIW耦合器的混頻器版圖。

4? ?仿真及測試結果

混頻器的測試結果如圖4到圖7所示。當中心頻率為33 GHz時，15 dB變頻損耗帶寬為3.3 GHz，最低損耗為9.3 dB。通帶內射頻與本振的隔離度大于15 dB。當本振功率大于10 dBm時，變頻損耗趨于穩定，混頻器的輸入1 dB壓縮點近似為4.8 dBm。

5? ?結束語

本文提出了一種基于SIW十字耦合器的單平衡混頻器。測試結果表明，該Q波段混頻器在15 dB變頻損耗下的相對帶寬為10%。帶內隔離度大于15 dB，同時具有良好的線性度。由于電路中的匹配結構形式簡單，能夠很靈活地調整混頻器的工作頻帶，因此可以廣泛應用于毫米波雷達系統中。

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