0.12THz諧波混頻器的設計與研究
在太赫茲通信、雷達、電子對抗、測量等系統中，所遇到的首要問(wèn)題便是太赫茲波信號的頻率變換，諧波混頻器是太赫茲通信系統中最為核心的器件，其性能的好壞將直接決定接收系統和發(fā)射系統的性能，本文對0.12THz的二次諧波混頻器進(jìn)行理論分析，在理論分析的基礎上對該混頻器進(jìn)行設計仿真，理論仿真結果表明0.12THz的二次諧波混頻器的損耗小于8dB，并對于優(yōu)化后的模型在RT/duroid 5880為電路基片上進(jìn)行加工測試，測試結果表明本文設計的0.12THz二次諧波混頻器衰減為7dB，已經(jīng)達到了國際先進(jìn)水平。
在太赫茲通信、雷達、電子對抗、測量等系統中，所遇到的首要問(wèn)題便是太赫茲波信號的頻率變換。超外差接收機中的混頻器實(shí)際上是起到頻譜向下搬移的功能，即將較高頻率的射頻信號經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性器件變換成較低頻率的中頻信號�；祛l器是超外差接收機中的關(guān)鍵部件，它的指標很大程度上決定了整個(gè)接收系統的性能。由于在太赫茲低端亞毫米波頻段，同頻段高性能的本振源成本高，技術(shù)難度大，采用分諧波混頻技術(shù)是解決此問(wèn)題的有效途徑，只需射頻頻率1/2、1/4甚至1/8的本振頻率即可實(shí)現混頻。
目前太赫茲頻段混頻器研究較少，而分諧波混頻器更是由于其損耗過(guò)大，而在實(shí)際運用中非常影響通信系統的性能指標，本文通過(guò)理論研究、結合仿真設計，對仿真結果進(jìn)行優(yōu)化，將最終優(yōu)化結果模型尺寸加工測試，理論與實(shí)際加工測試結果都表明，本文設計的0.12THz諧波混頻器的損耗低于8dB。
1、理論分析
本設計采用管對二極管反向并聯(lián)結構實(shí)現分諧波混頻電路。與一般毫米波混頻器相比，毫米波分諧波混頻器可以采用微波振蕩器作為其本振源，而高穩定微波本振源比較容易實(shí)現，因此毫米波分諧波混頻器在毫米波系統中備受關(guān)注且得到廣泛應用。采用管對式的分諧波混頻電路是毫米波和亞毫米波混頻的一種較好方式。
混頻二極管工作時(shí)的電壓電流特性分析如下。當兩個(gè)二極管極性相反地并聯(lián)在一起時(shí)。
可見(jiàn)，采用管對實(shí)現諧波混頻有諸多優(yōu)勢：
(1)外部電流只含有偶次本振諧波混頻項，而且幅度比單管大一倍;
(2)管對背向排列可以防止反向擊穿帶來(lái)的固有損壞;
(3)奇次本振諧波混頻項僅存在于管對環(huán)路內部，因此電路中輸出的干擾頻率將減少，從而可減少混頻損耗。
(4)外部電流中無(wú)直流分量，混頻器無(wú)需設置直流通路，使電路結構簡(jiǎn)化。
(5)減少噪聲�；祛l時(shí)，根本沒(méi)有基波混頻輸出，因此本振引入噪聲僅在2ωL±ωif(ωif為中頻頻率)附近的噪聲才會(huì )經(jīng)混頻而輸出，此噪聲已大大減弱了。
2、0.12THz二次諧波混頻器設計
首先確定分諧波混頻器整體電路的拓撲結構，通過(guò)查閱大量文獻以及充分的理論分析，確定電路拓撲如圖2所示，采用目前最為主流的基于GaAs肖特基二極管和懸置微帶的電路結構，由射頻端口過(guò)渡，射頻濾波，本振雙工(包括本振端口過(guò)渡和中頻濾波輸出)三部分組成。在射頻端通過(guò)一個(gè)金屬片充分接觸腔體實(shí)現RF和直流的接地。射頻濾波器通本振、阻射頻，實(shí)現兩個(gè)端口間的隔離。中頻信號從本振端通過(guò)一個(gè)低通濾波器輸出。對0.12THz諧波混頻器的無(wú)源結構進(jìn)行設計，無(wú)源結構包括由射頻端口過(guò)渡，射頻濾波，本振雙工(包括本振端口過(guò)渡和中頻濾波輸出)三部分。運用電磁仿真軟件對各部分無(wú)源結構進(jìn)行優(yōu)化，達到設計要求。
圖2 110GHz分諧波混頻器電路拓撲結構示意圖
其中射頻端口過(guò)渡設計如下：RF信號通過(guò)標準波導WR8饋入，經(jīng)此過(guò)渡將信號引入到懸置微帶，從而傳輸到位于懸置微帶條帶上的二極管對。波導-懸置微帶的原理及設計方法與波導-微帶的相同。探針中心到短路活塞的長(cháng)度選取約λ/4，那里的電場(chǎng)在波導中最強，探針的輸入阻抗是和探針的形狀、工作頻率、波導短路活塞距離都有函數關(guān)系，可以通過(guò)優(yōu)化計算來(lái)設計探針，首先固定波導短路活塞距離，調整探針的深入長(cháng)度和探針的寬度，使該結構駐波特性最佳。然后在軟件波端口的阻抗計算器中計算出1端口的輸入阻抗Z1，采用λ/4阻抗變換器，實(shí)現阻抗匹配。由Z2=Z1×Z2，其中Z2的取值一般為50Ω，計算到阻抗變換器特性阻抗Z，最后計算得到該阻抗變換器的線(xiàn)寬。另外，由于電路整體設計的考慮，RF和直流地需放置于射頻輸入端，這在一定程度上惡化了過(guò)渡性能。仿真模型如圖3所示。
圖3 射頻過(guò)渡仿真模型
4、結論
本文對0.12THz的二次諧波混頻器進(jìn)行理論分析，在理論分析的基礎上對該混頻器進(jìn)行設計仿真，理論仿真結果表明0.12THz的二次諧波混頻器的損耗小于8dB，并對于優(yōu)化后的模型在RT/duroid 5880為電路基片上進(jìn)行加工測試，測試結果表明本文設計的0.12THz二次諧波混頻器衰減為7dB，以及達到了國際先進(jìn)水平。從本文的研究可以看出合理的電路拓撲、準確的器件建模和無(wú)源電路的優(yōu)化是實(shí)現寬帶、低變頻損耗分諧波混頻的關(guān)鍵技術(shù)。
