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5.2 混频器设计 22
5.3 混频器性能仿真 . 29
5.4 本章小结 . 34
结论 .. 35
致谢 .. 36
参考文献 37
1 绪论 1.1 课题的研究背景及意义 混频器是通信系统中超外差接收机中的核心部件。在无线电通信系统（特别是广播电视系统）中，接收机应该能接收来自各个发射台的信号，而且到达接收机的信号是非常微弱的，一般为为微伏数量级。这样微弱的信号是不能直接解调的，需要将信号放大，然而高频、宽带条件下，增益达 60-120dB 的放大器要稳定工作是很难实现的。因此，在超外差接收机中，是把来自于不同发射台不同频率的高频已调信号，通过混频器搬移到某一固定的中频频带上，例如调频收音机为 465kHz，调频收音机为10.7MHz，然后使用窄带的中频放大器放大，窄带的中频放大器容易做到很高的增益，从而使接收机的灵敏度和选择性得到保障。 在通信系统中，信号频率之间的变换是我们首要解决的问题。一般情况下，对信号进行调制、扩频、解扩等处理工作是在低频段下进行的，然后再将处理好的信号上变频到高频段发射出去，同样我们需要将接收到的射频信号下变频到低频段再做各种信号处理工作。所以在通信系统中，混频器是必不可少的重要部件。实际上混频器的原理是利用非线性器件达到一个频谱搬移的作用。在接收机中，混频器一般是位于接收机的前端或者在低噪声放大器的后续端，它的性能如变频损耗(变频增益)、噪声系数等直接影响到整个系统的好坏。所以在通信系统中，性能优越的混频器对整个系统起到关键作用，也是人们一直研究的课题。 1.2 国内外发展动态 混频器最早是由 Armstmg 在 1924 年研制成功。五十年代中期，晶体管技术与外延单晶生长技术的不断发展，给混频器的发展提供了物质基础。到六十年代，表面势垒二极管和隧道二极管问世后，人们对混频器的研究才得到了迅速的发展。随着混频器技术的发展，混频器的理论也得到了很大的发展。由用幂级数法贝塞尔函数法分析小信号对非线性器件的作用，发展到用开关函数法分析大信号对非线性器件的作用，使理论和实践更加接近。后来，用信号流图法分析混频器，就更加直观、清晰了。从国外混频器的发展形势来看，从上世纪八十年代起混频器的研究热点主要集中于毫米波频段。而目前国内对这方面的研究受到现有加工工艺，微波集成技术水平以及测试仪器的限制，相关技术并未成熟，起步比较晚，离工程化应用还有一定的差距，因而有必要做深入研究。本节将介绍近些年来混频技术的国内外发展动态。
1981年， Parrish等人利用梁式引线二极管以及悬置带线结构制作的平衡混频器，射频从90～94GHz 的范围内变频损耗小于 8dB。1982年，KennethLouie 等人采用交叉结构实现 w 频段宽带混频器。射频信号 80～102GHz 的 20GHz 瞬时带宽内，变频损耗小于7． 5dB。射频80～106GHz的26GHz带宽内变频损耗小于8． 7dB。其中从90～102GHz范围内，带宽 12GHz，变频损耗均小于 5．6dB。1983 年，WolfgangMenzel 和Heinricheallse 制作出用在 60GHz 和 94GHz 通讯子系统的鳍线混频器源]自=751-·论~文"网·www.751com.cn/。1985 年，K．Chang和R．S．Tallim等人研制出W频段环形混频器，在 9GHz 的带宽范围内，变频损耗小于7dB。1987年，Steven Low等人研制了交叉型混频器，本振 84GHz，射频从 85～100GHz 的 15GHz 带宽下，变频损耗整体小于 7dB。1988 年，Merenda．J．L等人用四个反向并联二极管对制作了 4--40GHz 的谐波混频器，在整个频段内，变频损耗小于10dB，有较好的宽带特性。1992 年，R．J．Lang等人研制的环形 GaAs二极管混频器，射频工作在整个 Ka波段，当中频信号为 100MHz，变频损耗为 5．5dB。1995年前国外就已经采用 PHEMT肖特基势垒二极管 MMIC技术，实现 RF 频率32--40GHz范围内，变频损耗小于 8．5dB。最优变频损耗为 5．5dB。2000 年 GhassanYassin 和MatthewBuffey 研制出应用频率高达 350GHz 的 SIS 对极鳍线混频器，得到只有 90K的低噪声温度。2005 年，Mun．Kyo Lee 等人制作了鳍线一共面线平衡混频器。本振功率只有 6dBm，变频损耗小于 10dB，本振和射频信号隔离度大于 29dB。2009 年BertandThomas和 SimonRea等人研制出320GHz~340GHz 的分谐波镜像抑制混频器，在通带范围内镜像抑制度达到 7．2~24．1dB。 在国内，电子科技大学谢晋雄对两种 W 波段宽带混频器结构进行研究，一种是鳍线一带线集成混频器，另外为鳍线一共面波导结构，前一种结构在射频信号 85～95GHz范围内，变频损耗小于 15dB。后一种在射频带宽 8GHz范围内，变频损耗为 9-12dB。2001 年南京电子技术研究所胡建凯等人研制的单端混频器和单平衡混频器在射频信号 93GHz-96GHz 的范围内，变频损耗小于 10dB 和 9dB，达到国外 80 年代末的水平。2004年，电子科大董庆来对 W波段鳍线共面线平衡混频器进行研制，射频 92～96GHz，本振 90GHz 下，变频损耗小于 15dB，端口隔离度大于 20dB。2006 年，南京五十五所研制出6mm鳍线平衡混频器，射频信号为 47GHz，变频损耗小于3．5dB，本振和射频射频信号为34．36GHz 时的变频损耗小于 11．8dB。 从国内外的发展趋势来看，混频器主要研究集中在 Ka 波段和 W 波段，并且高频段、宽带混频器一直是人们的研究热点。近几年来国外已经开始涉足到亚毫米波段。相比之下，由于起步比较晚，受到工艺和设备的限制，国内水平较落后于国外，因此对这方面研究还是有必要的。 混频器的基本功能是作频率变换（又称变量技术）。随着频率合成技术的发展，它已不仅用作超外差接收机前端的混频器，而且还可以用来作乘法器（即倍频器）、除法器（分频器）。双平衡混频器在锁相技术中还可作鉴相器使用。因此，混频器的研制已发展成为一种专门技术。国外已有专门生产各种混频器的专业工厂，如Hittite、Linear、MACOM等可根据用户提出的具体指标，在一定时间内提供合格的产品。