稀有金属 2004,(03),470-472 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.03.005

端口驻波比对混频器变频损耗影响

钱蓉 孙晓玮

中国科学院上海微系统与信息技术研究所,中国科学院上海微系统与信息技术研究所,中国科学院上海微系统与信息技术研究所 上海200050 ,上海200050 ,上海200050

摘 要：

设计 2 4.1GHz集成环形混频器电路 , 用AglientADS软件进行了仿真优化 , 对研制混频器电路进行了性能测试和分析。测试结果表明 , 通过调节端口驻波比可以较大改善混频器的变频损耗 , 使混频器的变频损耗最大减少 10dB左右。

关键词：

混频器;变频损耗;驻波比;

中图分类号： TN771

收稿日期：2003-09-20

基金：国家“8 63”项目 ( 2 0 0 2AA13 5 2 70 );

Effect of Ports SWR of Mixer on Conversion Loss

Abstract：

GHz integrated ring mixer circuit was designed and simulated with agilent ADS software. Performances of fabrication mixer circuit were measured and analyzed. Measured results show that adjusting ports SWR of mixer may improve conversion less of mixer. The biggest conversion frequency loss is reduced about by 10 dB.

Keyword：

mixer; conversion loss; SWR of ports;

Received： 2003-09-20

微波毫米波混频器是雷达、 通信系统的微波接收机以及很多微波毫米波测试设备所不可缺少的组成部分, 二极管混频器由于噪声低、 稳定性好, 特别是频率高等优点使其在毫米波与亚毫米波混频器中得到广泛使用 ^[1,2,3] 。 微波单片集成电路虽然具有提高器件可靠性等优点, 但对工艺条件要求高, 使用微波毫米波电路中混合集成电路仍然是目前普通采用的方法, 而芯片倒扣技术的发展, 大大改善了混合集成电路性能, 使混合集成电路仍具有较大的生命力。 本文设计了用于汽车防碰撞雷达系统中的24.1 GHz混合集成混频器, 采用了环形桥平衡结构和芯片倒扣技术。 用ADS软件进行了电路优化, 设计的电路实现了端口驻波比可调, 对研制的电路性能进行了测试。

1 电路设计与仿真

图1是环形混频器结构示意图, 整个环的周长为1.5 λ_g, 各臂的特性阻抗 Ζ=√2Ζ0(Ζ0=50Ω) , 电路设计RF中心频率为24.1 GHz, 输出中频为100 MHz, 图中1端口为射频RF输入端口, 2端口为本振信号LO输入端口, 3端口为中频信号输出端口, 3个端口之间各相差半波长, 因此可以形成较好的端口隔离, RF端和LO端口的隔直流电容, 用微带耦合器实现, IF端口用λ_g/4高阻抗线引出, 相当于低通滤波器, B, C点的直流接地采用穿背孔接地, 微波接地采用了扇形线短路器, 同时在RF和LO端口设计了调配金属线, 通过调节金属线的长短, 调节端口驻波比。 混频二极管为Alplia公司的DMK2790, 二极管的频率范围20～100 GHz, 它们的spice模型参数如表1。

图2给出了电路仿真结果, 图2 (a) 是RF端口驻波比VSWR1随频率的变化曲线, 在中心频率24.1 GHz时, VSWR1=1.527; 图2 (b) 是LO端口驻波比VSWR2随频率的变化曲线, 在中心频率24.1 GHz时, VSWR2=1.388; 图2 (c) 为混频输出频谱, 在RF功率为0 dBm, LO功率为10.5 dBm时, 中频输出功率为1 MHz, 变频损耗为4.12 dB; 图2 (d) 为中频输出功率随本振功率的变化曲线, 由图看出, 不同的本振功率, 中频输出功率不同, 在本振功率为10.5 dBm时, 变频损耗最小 (4.12 dB) 。 因此在使用混频器可以选择合适的本振功率。

图1 环形混频器结构示意图

Fig.1 Schematic of ring mixer

表1DMK2790二极管spice模型参数

Table 1Spice model parameter of DMK2790 diode

IS/Amp	RS/Ω	n	TD/S	CJ0/Pf	m	EG/eV	VJ/eV	xn	FC	BV/V	IBV/A
0.5e-12	4	1.05	1e-11	0.05	0.26	1.43	0.82	2	0.5	4.0	1e-05

图2 RF端口驻波比VSWR1随频率的变化曲线 (a) ; LO端口驻波比VSWR2随频率的变化曲线 (b) ; 混频器输出频谱 (c) ; 中频输出功率随本振动率变化的曲线 (d)

Fig.2 Simulating VSWR1 versus frequency for RF port (a) ; Simulating VSWR2 versus frequency for LO port (b) ; Output spectrum of mixer (c) ; IF output power versus LO power (d)

m1: f=24.10 GHz, VSWR1=1.527; m2: f=24.10 GHz, VSWR2=1.388; m3: f=1.000 MHz, dBm (vif) =-4.120; m4: Indep (m4) =10.500, Plot-vs (dBm (vif[::, 1]) , LO power) =-4.120

2 混频器研制

混频器研制包括混频器无源电路流片和混频二极管与电路之间倒扣工艺。 混频器无源电路用半绝缘GaAs材料的基底芯片过小, 普通倒扣工艺无法进行, 自行研究了一种新的工艺方法, 完成了微小芯片倒扣工艺, 研制混频器芯片面积为4 mm×4.8 mm, 图3是其实物照片。

3 测试结果与分析

混频器电路测试是在Cascade Microtech的微探针台上进行的, 射频信号源为HP-8722D矢量网络分析仪, 本振信号源为Agilent 83731B信号源外加倍频器, 中频输出频谱用MS2668C频谱分析仪测量, RF端口驻波比用HP-8722D矢量网络分析仪测得。 测试分两种情况:其一为未加端口调配线情况, 其二为加端口调配线情况, 其变频损耗测试结果如表2所示。

图3 混频器实物照片

Fig.3 Photograph of mixer

表2混频器测结果

Table 2Measurement results of mixer

参 数	信号频 率/GHz	信号功 率/dBm	本振频 率/GHz	本振功 率/dBm	中频功 率/dBm	变频损 耗/dB
加调配块前	24.1	-16	24	10	-35	19
加调配块后	24.1	-16	24	10	-24.7	7.3

从表2看出, 加调配块前, 变频损耗为19, 变频损耗太大, 无法应用于雷达系统中, 而加调配块后, 变频损耗为7.3, 满足雷达系统要求, 为了分析原因, 测试了两种情况下RF端口驻波比, 如图4所示, 加调配块前: RF端口反射系数最小在频率29～30 GHz, 而在设计中心频率24.1 GHz, 反射系数S₁₁≥-4, 而且带宽很窄, 这是导致混频器变频损耗大的根本原因。 加入调配块后, RF端口驻波比则明显改善, 带宽加宽, 在22.5～30 GHz, S₁₁≤-4; 变频损耗大大减小, 达11.7 dB。 测试和设计结果出现偏差, 导致端口驻波比的频率偏移的原因主要是由下面几个可能因素造成的: (1) 无源电路研制中, 光汇板的精度和工艺中过腐蚀改变了线条尺寸; (2) GaAs基底减薄后的厚度与设计值的偏差; (3) 芯片倒扣时, 倒扣位置的准确度以及粘接剂用量的多少会对端口反射系数造成影响; (4) 直流接地好坏, 也直接影响混频器性能。 通过加入调配快, 可以较好地弥补因上述原因导致混频器性能的变坏。

图4 射频信号端口反射系数与频率关系曲线

Fig.4 Reflection coefficient S₁₁ of RF port versus frequecy

4 结 论

采用ADS软件优化设计了24.1 GHz平衡环形倒扣混频器, 通过在RF和LO端口引入调配块, 改善了端口驻波比, 大大降低了变频损耗, 弥补了因工艺偏差导致的测试结果与设计的不一致。

参考文献

[1] 　KalejaMartinM , HerbArnoldJ, RassshoferRalphH , etal.　AnI Qmixerat76.5GHzUsingflip chipmountedsiliconSchottkydiodes[A].2001IEEEMTT SInternationalMicrowaveSymposium[C].2001, 3:1653.

[2] 　HeslerJeffreyL , HaiKai, HeSong, etal.　Afixed tuned400GHzsubharmonicmixerusingplannarschottkydiodes[A].TenthInterna tionalSymp.onSpaveTerahertzTechnology, Charlottesville[C ].1999, 3:5.

[3] 　VirkRS , MaasSA , CaseMG , etal.　Alow costW bandMICmixerusingflip chiptechnology[J].IEEEMicrowave&GuidedWaveLett., 1997, 7 (9) :249.