X波段雷達(dá)接收機(jī)前端有源低噪聲混頻器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種低噪聲混頻器，具體為一種X波段雷達(dá)接收機(jī)前端有源低噪聲混頻器，包括定向耦合器、匹配電路、混頻二極管和低通濾波器，射頻信號(hào)接定向耦合器的一輸入端，本振信號(hào)接定向耦合器的另一輸入端，定向耦合器的兩輸出端接混頻二極管，混頻二極管輸出端連接匹配電路，匹配電路輸出接低通濾波器，所述定向耦合器的兩個(gè)輸出端分別設(shè)有一直流偏置電路。該混頻器解決了X波段信號(hào)在混頻處理中出現(xiàn)噪聲系數(shù)過(guò)大的問(wèn)題，與同類(lèi)產(chǎn)品相比，本設(shè)計(jì)具有更小的噪聲系數(shù)和更小的幾何尺寸。
【專(zhuān)利說(shuō)明】X波段雷達(dá)接收機(jī)前端有源低噪聲混頻器
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】： 本發(fā)明屬于微波電路領(lǐng)域，涉及一種低噪聲混頻器，具體為一種應(yīng)用于X波段雷達(dá)接 收機(jī)前端的有源低噪聲混頻器

【背景技術(shù)】： 雷達(dá)接收機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，它的主要功能是對(duì)雷達(dá)天線接收到的微弱信 號(hào)進(jìn)行預(yù)選、放大、變頻、濾波、解調(diào)和數(shù)字化處理，同時(shí)抑制外部的干擾、雜波以及機(jī)內(nèi)噪 聲，使回波信號(hào)盡可能多地保持目標(biāo)信息，以便進(jìn)一步進(jìn)行信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理。
[0002] 混頻器電路一般用于根據(jù)本地振蕩器（L0)頻率，將輸入信號(hào)從一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到 另一個(gè)頻率。對(duì)于降頻轉(zhuǎn)換應(yīng)用，混頻器將高輸入頻率，變換為低輸出頻率；對(duì)于升頻轉(zhuǎn)換 應(yīng)用，輸入頻率將是低頻率信號(hào)，輸出將是高頻率信號(hào)。本地振蕩器（L0)頻率或信號(hào)也被 認(rèn)為是參考頻率或信號(hào)，高射頻（RF)頻率或信號(hào)也被認(rèn)為是數(shù)據(jù)頻率信號(hào)。這些頻率轉(zhuǎn)換 通過(guò)對(duì)嵌入在混頻器電路的混頻器內(nèi)核進(jìn)行非線性操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。連同所需的混頻輸出信號(hào) 一起，混頻器典型地生成其他互調(diào)產(chǎn)物和端到端泄漏，這些都被很好地抑制了。在雷達(dá)接收 機(jī)前端系統(tǒng)中，經(jīng)常需要利用混頻器電路將某一射頻帶內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)換至另一中頻帶。
[0003]


【發(fā)明內(nèi)容】
： 針對(duì)現(xiàn)有X波段雷達(dá)接收機(jī)前端混頻器設(shè)計(jì)中存在噪聲系數(shù)過(guò)大的不足，本發(fā)明提供 一種X波段雷達(dá)接收機(jī)前端有源低噪聲混頻器的設(shè)計(jì)方法，工作頻率為9. 31GHZ-9. 51GHz (X波段)。該有源混頻器解決了 X波段信號(hào)在混頻處理中出現(xiàn)的噪聲系數(shù)過(guò)大的問(wèn)題，與同 類(lèi)產(chǎn)品相比，本設(shè)計(jì)具有更小的噪聲系數(shù)和更小的幾何尺寸。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為： 一種X波段雷達(dá)接收機(jī)前端有源低噪聲混頻器，包括定向耦合器、匹配電路、混頻二極 管和低通濾波器，射頻信號(hào)接定向耦合器的一輸入端，本振信號(hào)接定向耦合器的另一輸入 端，定向耦合器的兩輸出端接混頻二極管，混頻二極管輸出端連接匹配電路，匹配電路輸出 接低通濾波器，所述定向耦合器的兩個(gè)輸出端分別設(shè)有一直流偏置電路。
[0005] 本發(fā)明的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，直流偏置電路由直流電源、偏壓接入點(diǎn)、微帶線和扇形 微帶線組成，直流電源與偏壓接入點(diǎn)連接，偏壓接入點(diǎn)另兩端口分別與微帶線和扇形微帶 線連接，微帶線的另一端接定向耦合器的輸出端。
[0006] 所述微帶線長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)；扇形微帶線的扇形半徑為1/4波長(zhǎng)，扇形中心角為 45-90度。1/4波長(zhǎng)為4. 75毫米，4. 75毫米是以9. 41GHz為中心頻率時(shí)的1/4波長(zhǎng)尺寸。
[0007] 兩路直流偏置電路中一路為正向偏置,另一路為反向偏置。
[0008] 正向偏置中直流電源正極與偏壓接入點(diǎn)連接，負(fù)極接地；反向偏置中直流電源負(fù) 極與偏壓接入點(diǎn)連接，正極接地。
[0009] 兩路直流偏置電路中直流電源分為+2V和-2V。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)本發(fā)明通過(guò)對(duì)基板與混頻二極管的選擇，并且創(chuàng)新性地添加了正負(fù)直流偏置電路， 提高二極管的初始偏置，使得所述的混頻器具有較好的性能參數(shù)，如降低混頻器的噪聲系 數(shù)（NF〈5dB)和改善變頻損耗（GonvGain〈5dB)。
[0011] (2)本發(fā)明有源低噪聲混頻器具有較小的幾何尺寸和可調(diào)試性強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)際尺 寸為30_*31_，可用于對(duì)應(yīng)頻段的船舶導(dǎo)航雷達(dá)接收機(jī)中，便于產(chǎn)品的量產(chǎn)。
[0012]

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】： 下面結(jié)合附圖以及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步闡述： 圖1為現(xiàn)有X波段低噪聲混頻器的電路拓?fù)鋱D。
[0013] 圖2為現(xiàn)有X波段低噪聲混頻器的初始電路原理圖。
[0014] 圖3為現(xiàn)有X波段低噪聲混頻器的初始變頻損耗與噪聲系數(shù)的仿真結(jié)果示意圖。
[0015] 圖4為本發(fā)明X波段有源低噪聲混頻器的第一次修正改動(dòng)示意圖(兩路直流偏置 電路均正向偏置)。
[0016] 圖5為本發(fā)明X波段有源低噪聲混頻器的第一次修正后電路原理圖。
[0017] 圖6為本發(fā)明X波段有源低噪聲混頻器的第一次修正后變頻損耗與噪聲系數(shù)的仿 真結(jié)果示意圖。
[0018] 圖7為本發(fā)明X波段有源低噪聲混頻器第二次修正改動(dòng)示意圖（兩路直流偏置電 路中一路為正向偏置，另一路為反向偏置)。
[0019] 圖8為本發(fā)明X波段有源低噪聲混頻器第二次修正后的電路原理圖。
[0020] 圖9為本發(fā)明X波段有源低噪聲混頻器第二次修正后的變頻損耗與噪聲系數(shù)的仿 真結(jié)果示意圖。
[0021] 圖10為本發(fā)明X波段有源低噪聲混頻器的PCB版圖。
[0022] 圖中：①定向耦合器，②匹配電路，③混頻二極管，④低通濾波器，⑤直流偏置電 路，⑥反向偏置電壓⑦焊盤(pán)，⑧螺絲孔，⑨偏壓接入點(diǎn)，⑩主線路接入點(diǎn)。
[0023]

【具體實(shí)施方式】： 實(shí)施例一： 如圖1所示，為本發(fā)明X波段低噪聲混頻器的電路拓?fù)鋱D。本混頻器由定向耦合器、匹 配電路、混頻二極管和低通濾波器組成。射頻信號(hào)從定向耦合器的輸入端口 1加入，本振信 號(hào)從定向耦合器的另一個(gè)輸入端口 2加入。定向耦合器保證本振端口和信號(hào)端口有適當(dāng)?shù)?隔離度，隔離度一般取10dB，耦合度取3dB。定向耦合器至混頻管之間有1/4波長(zhǎng)阻抗變換 器，以完成阻抗匹配，使信號(hào)和本振功率等分地加到混頻二極管。電路要求混合電路能使射 頻信號(hào)和本振信號(hào)都能以等分的功率及90°的相位差加到混頻二極管上。
[0024] 如圖2所示，為本發(fā)明X波段混頻器的初始電路原理圖。電路包括定向耦合器①， 匹配電路②，混頻二極管③，低通濾波器④。
[0025] 該發(fā)明的工作原理為，射頻信號(hào)由定向耦合器①的一個(gè)輸入端輸入，本振信號(hào)由 定向耦合器①的另一個(gè)輸入端輸入，定向耦合器的兩個(gè)輸出端接③混頻二極管，兩路輸入 信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻二極管后變?yōu)?0MHz的中頻信號(hào)，混頻二極管接匹配電路②，匹配電路接低 通濾波器④，用于篩選60MHz的信號(hào)，濾去其他高頻率的信號(hào)。結(jié)合基板參數(shù)計(jì)算，①中 50 Ω微帶線寬度為1. 12毫米，35 Ω微帶線寬度為1.92毫米。合理選型，③中的混頻二極 管選取的是HSMS8202型二極管。
[0026] 如圖3所示，為圖2所示X波段低噪聲混頻器的變頻損耗與噪聲系數(shù)。在工作頻 段內(nèi)，變頻損耗為6. 745dB，電路噪聲系數(shù)為6. 911dB。
[0027] 實(shí)施例二： 如圖4所示，本發(fā)明X波段有源低噪聲混頻器為了優(yōu)化性能，降低噪聲系數(shù)，采用了實(shí) 施例一上加入直流偏置電路的方法，具體形式為扇形微帶線直流偏置電路。⑤為直流偏置 電路，該電路由直流電壓源，偏壓接入點(diǎn)，輸入射頻信號(hào)的四分之一波長(zhǎng)微帶線以及四分之 一波長(zhǎng)為半徑的扇形微帶線組成，直流偏置電壓源與偏壓接入點(diǎn)⑨連接，偏壓接入點(diǎn)⑨處 接上四分之一波長(zhǎng)微帶線和四分之一波長(zhǎng)扇形微帶線，四分之一波長(zhǎng)微帶線的另一端⑩接 入主電路，主電路上的接入點(diǎn)位于定向耦合器的兩個(gè)輸出端口部位。由于扇形邊緣開(kāi)路，則 射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到偏壓接入點(diǎn)⑨為短路，因此對(duì)于主電路來(lái)說(shuō)電源部分則視為開(kāi)路，因此電 源部分不會(huì)影響⑨處內(nèi)側(cè)的電路。由于主線路接入點(diǎn)⑩與偏壓接入點(diǎn)⑨之間的微帶線為四 分之一個(gè)波長(zhǎng)，⑨處的短路在⑩處則視為開(kāi)路，因此偏置電路在⑩處對(duì)于主線路中射頻信 號(hào)的交流特性沒(méi)有影響。偏置電路中偏置直流電壓為2V，四分之一波長(zhǎng)為4. 75毫米。
[0028] 如圖5所示，本發(fā)明X波段有源低噪聲混頻器在定向耦合器的兩個(gè)輸出端口分別 加入正向偏置電路，以起到優(yōu)化性能的作用。
[0029] 如圖6所示，為本發(fā)明X波段有源低噪聲混頻器第一次修正后的變頻損耗與噪聲 系數(shù)。加入了偏置電路的混頻器性能得到了明顯的優(yōu)化，從圖中可以看到噪聲系數(shù)從原本 的6. 9dB下降到5. 3dB。
[0030] 實(shí)施例三： 如圖7所示，本發(fā)明X波段有源低噪聲混頻器在實(shí)施例二基礎(chǔ)上第二次修正示意圖。修 正步驟為，將⑤中其中一個(gè)正向偏置電壓改為⑥中的反向偏置電壓，可以得到更加優(yōu)化的 性能。
[0031] 如圖8所示，為本發(fā)明X波段有源低噪聲混頻器第二次修正后電路原理圖，改進(jìn)地 方為將圖7中修正后的偏置電路接入定向耦合器下方的輸出端口，使整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù) 進(jìn)一步降低。
[0032] 如圖9所示，為本發(fā)明X波段有源低噪聲混頻器第二次修正后的變頻損耗與噪聲 系數(shù)。經(jīng)過(guò)采用加入正反向偏置電路的優(yōu)化方法后，通過(guò)采用ADS軟件仿真，可以看到噪聲 系數(shù)下降到了 5dB以下。
[0033] 實(shí)施例四： 圖10所示，為本發(fā)明X波段有源低噪聲混頻器的PCB版圖。本發(fā)明PCB板為雙面印 制板，其外圍尺寸31mm*30mm，板材為Rogers4003C，板厚為0. 508mm，相對(duì)介電常數(shù)為3. 55。 阻容器件優(yōu)選0603封裝，保證電路結(jié)構(gòu)緊湊。其中，①為定向耦合器部分，②為匹配電路部 分，③為混頻二極管放置部分，④為低通濾波器部分。四角各鉆有金屬屏蔽(腔體)盒的螺絲 孔⑧。PCB板留有焊接SMA接頭用的焊盤(pán)⑦。使用Altium Designer繪圖軟件將混頻器的 最終電路繪制成PCB版圖，輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中的的開(kāi)路支線留有調(diào)節(jié)余量，在后期實(shí)物 加工后可根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。
[〇〇34] 本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1. 一種X波段雷達(dá)接收機(jī)前端有源低噪聲混頻器，包括定向耦合器、匹配電路、混頻二 極管和低通濾波器，射頻信號(hào)接定向耦合器的一輸入端，本振信號(hào)接定向耦合器的另一輸 入端，定向耦合器的兩輸出端接混頻二極管，混頻二極管輸出端連接匹配電路，匹配電路輸 出接低通濾波器，其特征是：所述定向耦合器的兩個(gè)輸出端分別設(shè)有一直流偏置電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混頻器，其特征是：所述直流偏置電路由直流電源、偏壓接入 點(diǎn)、微帶線和扇形微帶線組成，直流電源與偏壓接入點(diǎn)連接，偏壓接入點(diǎn)另兩端口分別與微 帶線和扇形微帶線連接，微帶線的另一端接定向耦合器的輸出端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的混頻器，其特征是：所述微帶線長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)；扇形微帶線 的扇形半徑為1/4波長(zhǎng)，扇形中心角為45-90度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的混頻器，其特征是：所述1/4波長(zhǎng)為4. 75毫米。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的混頻器，其特征是：兩路直流偏置電路中一路為正向 偏置，另一路為反向偏置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的混頻器，其特征是：正向偏置中直流電源正極與偏壓接入點(diǎn) 連接，負(fù)極接地；反向偏置中直流電源負(fù)極與偏壓接入點(diǎn)連接，正極接地。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的混頻器，其特征是：兩路直流偏置電路中直流電源分為+2V 和-2V。
【文檔編號(hào)】H03D7/02GK104104332SQ201410153232
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】葛俊祥, 徐碩, 孟季春, 王晨昊, 潘安 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)