26～40GHz磁調(diào)帶通濾波混頻組件研究

1、引言

        近年來，隨著微波毫米波技術的飛速發(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(shù)分析儀等接收機類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(diào)帶通濾波混頻組件。

        傳統(tǒng)測量接收機中，將磁調(diào)濾波器、混頻器分開單獨設計，成為兩個獨立的微波部件。磁調(diào)濾波器與混頻器之間通過電纜或適配器連接，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(tǒng)的做法是將一個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的。利用微波混合集成技術將磁調(diào)濾波器和諧波混頻器集成為一個組件，使得濾波器與混頻器之間的電長度遠小于波長，在不犧牲整機靈敏度的基礎上減小失配造成的頻響惡化；同時巧妙地利用鐵氧體磁調(diào)濾波器的雙耦合環(huán)結構實現(xiàn)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，提高動態(tài)范圍。

2、濾波器耦合諧振腔的仿真設計

        為了設計實現(xiàn)工作頻率為26～40GHz的濾波混頻組件，首先必須保證磁調(diào)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，如果過分地減小耦合諧振腔的尺寸，不僅給設計和加工帶來非常大的難度，而且會因為耦合環(huán)距離腔體壁過近，激發(fā)高次模，帶來寄生響應。

　　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行仿真計算，確定其自諧振頻率的方法。

　　首先根據(jù)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非常大，一般的計算機根本無法進行下去。因此仿真結果與實際的測試會存在一定的偏差，如何修正這個偏差是設計時需要著重考慮的問題。經(jīng)過多次仿真計算和加工試驗測試，對比仿真結果和實測曲線，總結了這樣一個經(jīng)驗：軟件仿真耦合諧振腔的物理尺寸乘以一個0.8～0.9左右的系數(shù)后，再進行加工裝配測試，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

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

3、磁調(diào)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關，它交替地在正、負半周內(nèi)使信號經(jīng)過不同的兩個二極管與輸出電路連通，相當于兩個單平衡混頻器交替工作。
 

圖4 雙平衡混頻器原理圖
 
　　雙平衡混頻器設計的關鍵在于4只混頻二極管的特性一致，而且兩邊的不平衡—平衡變換器也相當平衡，這樣就可以使二極管電橋的輸入輸出端完全隔離，射頻端口和本振端口就完全隔離了。實際上由于二極管的寄生參量及不平衡—平衡變換器不可能作到理想的平衡、對稱，所以混頻器各個端口之間的隔離度必為有限值。

　　本文磁調(diào)帶通濾波混頻組件的設計中采用集成的二極管管堆來保證二極管電橋的平衡性，因此設計的重點和難點是寬帶射頻不平衡—平衡變換器的設計。一個有趣的現(xiàn)象是，從鐵氧體諧振子兩邊分別耦合出來的信號相位相差180度，這樣就可以利用鐵氧體諧振子來構成寬帶射頻不平衡—平衡變換器[3]，具體設計電路如圖5所示。因為集成了磁調(diào)帶通濾波器，本振到射頻的端口隔離可以增加70dB以上。
 

圖5 磁調(diào)帶通濾波混頻組件電路圖

圖6 磁調(diào)帶通濾波混頻組件剖面圖
 
　　磁調(diào)帶通濾波混頻組件整體示意圖如圖6所示，磁路設計上盡量減小磁極間隙，并采用高飽和磁化強度的鐵磁合金，實現(xiàn)了線性調(diào)諧至40GHz[4]。諧振子的選擇上采用LAF（Lithium-Aluminum-Ferrite）小球替代傳統(tǒng)的YIG小球，將濾波器通帶帶寬由幾十兆赫茲提高到150兆赫茲以上。

4、測試結果

　　磁調(diào)帶通濾波混頻組件不同頻率點的通帶響應曲線如圖7所示，26GHz處通帶帶寬約為160MHz，40GHz處通帶帶寬達到了300MHz以上。
 

圖7 不同頻率點的通帶曲線

圖8 變頻損耗測試曲線
 
　　圖8是濾波混頻組件的變頻損耗響應曲線，整個工作頻帶內(nèi)沒有過大的起伏，頻率高端變頻損耗變大是由于本振巴倫高端性能惡化引起的。濾波混頻組件的失諧隔離測試曲線參見圖3，達到60dB以上。

5、結論

　　本文介紹了一種利用HFSS仿真軟件對磁調(diào)帶通濾波器耦合諧振腔進行仿真計算的方法，采用此方法可以減少反復設計加工驗證的次數(shù)，縮短設計周期，節(jié)約成本。描述了一種新穎的非YIG磁調(diào)帶通濾波混頻組件的設計過程，給出了測試結果，該組件及其延伸產(chǎn)品已經(jīng)成功地應用在寬帶微波毫米波測試儀器中。