阅读说明：本技术 一种用于扩频的双端口平面谐波混频器 (Dual-port plane harmonic mixer for spread spectrum ) 是由 郭健 钱澄 于 2019-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种用于扩频的双端口平面谐波混频器,包括射频带通滤波器、射频输入匹配电路、反向并联的肖特基二极管对、本振中频匹配电路和本振中频低通滤波器。本发明提供的谐波混频器,具有带宽宽、电路结构简单、可用纯平面微带电路实现、便于与其他平面电路集成的优点。本发明通过调整该电路中各个组成部分的参数,该结构适用于四次谐波混频以上的高次谐波混频,通过与频谱仪内置扩频本振结合,可以很方便的将微波频段频谱仪扩展到毫米波乃至太赫兹波段。(The invention discloses a dual-port plane harmonic mixer for spread spectrum, which comprises a radio frequency band-pass filter, a radio frequency input matching circuit, a Schottky diode pair connected in parallel in an opposite direction, a local oscillator intermediate frequency matching circuit and a local oscillator intermediate frequency low-pass filter. The harmonic mixer provided by the invention has the advantages of wide bandwidth, simple circuit structure, capability of being realized by a pure plane microstrip circuit and convenience for integration with other plane circuits. The structure is suitable for higher harmonic mixing above fourth harmonic mixing by adjusting the parameters of each component in the circuit, and can conveniently extend the microwave frequency band frequency spectrograph to millimeter wave and even terahertz wave bands by combining with a built-in spread spectrum local oscillator of the frequency spectrograph.)

一种用于扩频的双端口平面谐波混频器

技术领域

本发明属于平面谐波混频技术领域，特别涉及一种用于扩频的双端口平面谐波混频器。

背景技术

频谱分析仪是进行信号测量的重要仪器之一，是德科技和罗德与施瓦茨公司是国际上可提供频谱分析仪的两家主流公司。截至目前，两家公司提供的主流频谱仪的分析频率上限为26.5GHz、50GHz，近来也推出了频率直达67GHz的频谱分析仪。当然，频谱分析仪的工作频率越高，其价格也越昂贵。

为了降低用户对高频测量的低成本需求，频谱分析仪通常都有用于频率扩展的选件，提供本振及中频接口，用于外接谐波混频器来扩展频谱仪的测量频率。例如是德科技的PXA系列其提供一个扩频SMA接口，该接口为本振和中频共用接口，同时提供本振输出并接收中频输入信号，仪器内部自带双工器对这两个信号进行区分，其本振频率范围3.75～14.1GHz。这种单个扩展接口的频谱仪适合与两端口谐波混频器配合实现频率扩展。两端口混频器只有两个物理接口，即一个射频接口和一个本振/中频共用接口。罗德与施瓦茨的FSW系列提供三个扩频SMA接口，其中有一个与PXA系列类似的本振/中频共用接口，适配于双端口谐波混频器；另有一对独立的本振和中频接口，适配于三端口谐波混频器。三端口谐波混频器即为常规的谐波混频器，射频、本振和中频各有一个物理接口。FSW系列的本振信号频率范围为7.65～17.45GHz，比PXA系列本振频率略高。此外，谐波混频器的工作频段通常为一个标准波导频段，例如26.5～40GHz，33～50GHz，50～75GHz，75～110GHz等等。

是德科技和罗德与施瓦茨两家公司也推出了系列的谐波混频器用来扩展微波频谱仪的测量频率(例如将26.5GHz的频谱仪通过谐波混频器扩展到直到110GHz)。是德科技的11970系列谐波混频器为三端口高次谐波混频器，适配于其早期的频谱仪；M1970系列智能谐波混频器为双端口谐波混频器，适配于PXA以及更新的系列频谱仪。罗德与施瓦茨公司的FS-Z系列谐波混频器为三端口混频器，适配于其自身的FSW系列频谱仪。

尽管采用谐波混频器来实现频谱仪的高频测量与直接购买高频频谱仪相比已经大大降低了成本，但是单个谐波混频器仍然售价不菲。对于这些谐波混频器技术，目前国外仪器制造商尚未公开，研制可靠的高频谐波混频器极有必要。

对于可用于频谱仪扩展的高次谐波混频技术，国内外也有一些报道。这些谐波混频器都为三端口谐波混频器，并且一般都采用立体三维结构的电路。洪伟(洪伟，毫米波谐波混频器扩频技术，电子科技，2003年第11期，pp55-56)报道了一种三端口毫米波谐波混频器，该混频器采用波导与带状线结合的结构，将二极管直接放置于波导腔体内进行射频信号的耦合。谢同芳(谢同芳廖品霖，一种波导谐波混频器，实用新型，CN89213389.9，1990.7.11)同样介绍了一种基于波导结构的三端口谐波混频器。张波等人(张波钱骏司梦姣等，一种340GHz八次谐波混频器，发明专利，CN201510514409.X，2015.8.20)提出了一种采用悬置微带线(三维)结构的三端口混频器。丁德志等人(丁德志徐金平陈振华，基于肖特基二极管改进模型的W波段宽带八次谐波混频器，红外与毫米波学报，34卷(3期)，2015.6)提出了一种基于鳍线转换的三端口谐波混频器。Y.Huang等人(Y.Huang,W.Hui andB.Alderman,"A W Band Third-Harmonic Mixer Using Planar Schottky Diodes,"2018International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology(ICMMT),Chengdu,2018,pp.1-3)同样提出了一种基于波导三维结构谐波混频器。以下不再一一列举，总而言之，已报道的谐波混频器几乎都为三端口混频器、大多采用波导结构、大多数谐波混频器未能工作在整个波导频段。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于扩频的双端口平面谐波混频器，该混频器结构简单、纯平面、便于集成，可用于现有主流频谱仪的宽带频率扩展。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种用于扩频的双端口平面谐波混频器，包括射频带通滤波器、射频输入匹配电路、反向并联的肖特基二极管对、本振中频匹配电路和本振中频低通滤波器；所述平面谐波混频器的各个组成功能电路都为平面微带结构。

所述射频带通滤波器位于射频输入端，其后顺次连接射频输入匹配电路、两个反向并联的肖特基二极管对、本振中频匹配电路和本振中频低通滤波器，最后与本振/中频端口相连。由此看出，所述平面谐波混频器只有两个端口，即射频输入端，以及本振/中频共用端口。

进一步的，所述射频带通滤波器通过输入宽带射频信号、提供直流地、有效抑制本振及中频信号。所述射频带通滤波器只能通过全频段射频信号，而对本振和中频频率信号具有抑制作用，该带通滤波器还有为本振及中频信号提供信号回路(等效地)作用；此外，该射频带通滤波器采用带有接地金属化孔的滤波结构，可以为二极管提供直流信号地，保证二极管有效工作。

进一步的，所述射频带通滤波器采用带有接地金属化孔的滤波结构。

进一步的，所述射频带通滤波器采用并联短路线宽带带通滤波器结构。

进一步的，所述本振中频低通滤波器采用紧凑微带谐振单元结构。

所述低通滤波器可以通过本振及中频信号，而对全频段射频信号具有抑制作用，从而该低通滤波器还有提供射频信号回路(等效地)的作用。

所述反向并联肖特基二极管对在偶次谐波混频器中使用广泛，其可以将本振奇次谐波限制在二极管对以内，从而可以有效抑制本振奇次谐波，降低谐波混频器的变频损耗。

所述射频输入匹配电路和本振中频匹配电路分别位于反向并联二极管对两侧，用于其输入及输出匹配，实现全波段频段的低损耗变频。

本发明涉及一种应用于毫米波/太赫兹频段的平面谐波混频器，该谐波混频器只有两个端口，即射频端口和本振/中频共用端口，该谐波混频器无需其他设备辅助，可直接用于将现有的主流频谱分析仪(例如是德科技的PXA系列以及罗德与施瓦茨的FSW系列)的频率由微波频段扩展到毫米波乃至太赫兹波段。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的用于扩频的平面谐波混频器是一种双端口谐波混频器，具有结构简单、纯平面电路便于装配及与其他电路集成和成本低的优点，可用于现有主流频谱仪的频率扩展。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为具体实施例中射频带通滤波器模型及仿真结果图；

图3为具体实施例中本振中频低通滤波器的仿真结果图；

图4为具体实施例中W波段八次谐波混频器变频损耗的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。本发明描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的其他实施例，都属于本发明所保护的范围。

如图1所示为一种用于扩频的双端口平面谐波混频器包括射频带通滤波器1、射频输入匹配电路2、反向并联的肖特基二极管对3、本振中频匹配电路4和本振中频低通滤波器5；所述射频带通滤波器1位于射频输入端，其后顺次连接射频输入匹配电路2、两个反向并联的肖特基二极管对3、本振中频匹配电路4和本振中频低通滤波器5，最后与本振/中频端口相连。

本发明以W波段(WR-10波导，波导频段为75～110GHz)八次谐波混频器为例具体介绍其中各个单元电路的设计，对于其他频段其他谐波次数的混频器的设计同样有效。

W波段八次谐波混频器可配合是德科技PXA或更新的系列，罗德与施瓦茨公司的FSW系列频谱仪进行频率扩展，仪器接收中频频率低于1GHz，对应的本振频率范围约9.5～13.625GHz，都处于上述两种系列频谱仪提供的本振频率范围之内。当然，在设计某个频段谐波混频器时，首先必须考虑谐波混频器所需的本振频率是否在仪器提供的本振频率范围之内；若高于仪器能提供的本振频率，则需要考虑提高谐波混频器的谐波次数，从而降低所需本振频率，使其落在仪器提供的频率范围之内。

所述射频带通滤波器1采用并联短路线宽带带通滤波器结构(G.L.Matthaei,L.Young and E.M.T.Jones,Microwave Filters,Impedance-Matching Networks,andCoupling Structures.Norwood,MA,USA:Artech House,1985,pp.595–614.)，该结构具有带宽宽、损耗小的优点，并且该滤波器的并联短路线自然提供二极管所需的直流地。图2给出了该滤波器的三维电磁场仿真模型及仿真结果，由仿真结果可以看出，该滤波器的带宽能够满足75～110GHz的通带要求，并且在本振及中频频段的抑制效果较好。

所述本振中频低通滤波器5采用CMRC(compact microstrip resonant cell，紧凑微带谐振单元)结构(Q.Xue,K.M.Shum,and C.H.Chan,“Low Conversion-Loss FourthSubharmonic Mixers Incorporating CMRC for Millimeter-Wave Applications,”IEEETrans Microw Theory Tech,vol.51,no.3,pp.1449-1454,2003)，该结构具有结构紧凑，阻带宽、带外抑制好的优点。本发明采用两级CMRC结构构成宽阻带低通滤波器，其模型和仿真结果(三维模型仿真为了提高仿真的准确性，我们分段进行网格剖分仿真，最后再将仿真结果拼合在一起)如图3所示。由仿真结果可以看出，该低通滤波器截止频率为30GHz，可以通过中频和本振信号，对75～110GHz的抑制在25dB以上。

此外，在进行混频器设计时，还需要对所述反向并联的肖特基二极管3对进行建模，通常采用三维电磁场模型会更加准确。

最终我们把所述射频带通滤波器1、本振中频低通滤波器5以及反向并联的肖特基二极管对3三维电磁场模型仿真得到的S参数导入到电路仿真软件中(例如是德科技的ADS)。所述射频输入匹配电路2和本振中频匹配电路4在ADS中分别由两段(也可多段)微带传输线构成，通过调整微带线的线宽和长度来优化混频器的变频损耗，从而得到最终的所有的电路参数。图4给出了该谐波混频器的最终变频损耗仿真结果。