基于自振蕩混頻的X波段單器件收發(fā)電路設(shè)計(jì)分析

基于自振蕩混頻的X波段單器件收發(fā)電路設(shè)計(jì)分析

作為通信系統(tǒng)中的兩個(gè)關(guān)鍵的電路單元，混頻器和振蕩器起著至關(guān)重要的作用。在無(wú)線(xiàn)通信中，混頻器與振蕩器的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)電路是否具有高性能與高穩(wěn)定性的品質(zhì)。

在接收前端電路中，混頻器作為實(shí)現(xiàn)頻率搬移的器件，將由天線(xiàn)所接收到的射頻(Radio Frequency，RF)信號(hào)與振蕩器所提供的本地振蕩(Local Oscillation，LO)信號(hào)源進(jìn)行線(xiàn)性的頻率變換，從而得到方便處理的中頻(Intermediate Frequency，IF)信號(hào)。

而在發(fā)射前端電路中，混頻器將低頻的基帶信號(hào)與振蕩器提供的本地振蕩信號(hào)進(jìn)行頻率搬移后變換為所需的高頻信號(hào)。

振蕩器與混頻器充當(dāng)著的頻率搬移組合電路被廣泛的運(yùn)用在雷達(dá)、遙感、通信等領(lǐng)域中。

針對(duì)上述問(wèn)題，學(xué)者們經(jīng)過(guò)研究提出了一種基于單個(gè)器件既可以產(chǎn)生振蕩信號(hào)又具備混頻功能的電路組件。

這種電路組件被稱(chēng)為自振蕩混頻器(SOM)，其通過(guò)對(duì)電路的設(shè)計(jì)，來(lái)增強(qiáng)管子自身的非線(xiàn)性效應(yīng)，并使管子產(chǎn)生自振蕩信號(hào)，可與輸入的射頻信號(hào)進(jìn)行混頻從而產(chǎn)生中頻信號(hào)。

這相當(dāng)于將振蕩器與混頻器的功能集合于一體。其原理圖如下圖2所示。

基于單個(gè)器件同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的產(chǎn)生和頻率轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計(jì)

基于單個(gè)器件同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的產(chǎn)生和頻率轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計(jì)可以追溯到1915年，當(dāng)時(shí)就有學(xué)者在文獻(xiàn)中記錄： 可采用真空管來(lái)設(shè)計(jì)一種即產(chǎn)生振蕩頻率、又能與輸入的射頻功率進(jìn)行頻率合成的系統(tǒng)。

上世紀(jì) 50 年代是無(wú)線(xiàn)電通信發(fā)展的早期，由于自振蕩混頻技術(shù)的使用可以減少無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)中有源器件的使用數(shù)量，因此一般采用二極管進(jìn)行設(shè)計(jì)的自振蕩混頻電路被廣泛地應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)電接收系統(tǒng)中。

1960年初，隨著固態(tài)器件的出現(xiàn)和逐步發(fā)展，有關(guān)自振蕩混頻技術(shù)的需求逐漸減少。

隨著有源器件制作工藝的不斷發(fā)展，場(chǎng)效應(yīng)管(FET)的出現(xiàn)以及其相比于二極管更易于集成的特性，使得FET更多地被應(yīng)用于自振蕩混頻電路中。

自振蕩混頻技術(shù)也因此重新引起了人們的關(guān)注。

自本世紀(jì)以來(lái)，由于自振蕩混頻技術(shù)在實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的低成本、小功耗等設(shè)計(jì)方面具有一定的研究意義與發(fā)展前景，該技術(shù)得以再次被重視與研究，并進(jìn)一步地發(fā)展且被應(yīng)用在更多的領(lǐng)域中。

基波頻率為1.9GHz，輸入射頻頻率為5.79GHz 時(shí)可達(dá)到最高轉(zhuǎn)換增益為11.5dB。該三次諧波電路實(shí)物圖和轉(zhuǎn)換增益隨輸入射頻頻率變換的仿真與測(cè)試圖如下圖4所示。

除此之外， 為了進(jìn)一步提高自由振蕩信號(hào)與射頻信號(hào)的隔離度，平衡結(jié)構(gòu)的自振蕩混頻器也被設(shè)計(jì)出來(lái)。

該結(jié)構(gòu)的自振蕩混頻器主要由兩個(gè)對(duì)稱(chēng)放置的相同晶體管以及微帶線(xiàn)構(gòu)成，其中兩個(gè)晶體管的柵極由一條微帶線(xiàn)連接起來(lái)。

為了實(shí)現(xiàn)較低的相位噪聲，采用了諧振頻率為5.2GHz的H槽缺陷接地結(jié)構(gòu)(DGS)建立了一款平結(jié)構(gòu)自振蕩混頻器。

該電路可產(chǎn)生4.77GHz的振蕩信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)為5.2GHz時(shí)，可產(chǎn)生430MHZ的信號(hào)，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換增益達(dá)到1dB。該電路正反面實(shí)物圖如下圖5(a)、(b)所示。

近幾年來(lái)，由于其低功耗與低成本的優(yōu)勢(shì)，自振蕩混頻技術(shù)被應(yīng)用于雷達(dá)、通信等多個(gè)領(lǐng)域，使其得以進(jìn)一步的發(fā)展。

通過(guò)合平面貼片天線(xiàn)和開(kāi)槽方形貼片諧振器(SSPR)，使得電路具有高群延遲峰值的雙極帶通濾波器的特性。

測(cè)得本振頻率為10.676GHz，輸出中頻信號(hào)的頻率為6.3MHZ，此時(shí)變頻增益為4.45dB，該電路可用做多普勒雷達(dá)進(jìn)行短距離的運(yùn)動(dòng)探測(cè)。該自振混頻器如下圖6所示：

測(cè)試表明，自振蕩信號(hào)為10.86GHz，當(dāng)輸入的射頻信號(hào)頻率為10GHz時(shí)，測(cè)得的變頻增益高達(dá)10dB。該電路可用于低成本低功耗的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。

相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)于自振蕩混頻技術(shù)的研究起步較晚，所以相關(guān)研究進(jìn)展相對(duì)較為緩慢。但是近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)該技術(shù)又開(kāi)始引起了重視并逐步發(fā)展著。

在1GHz的帶寬內(nèi)該電路的平均變頻增益可達(dá)到2.2dB。該K波段自振蕩混頻器電路實(shí)物如下圖7所示。

綜合國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，低成本，高性能的射頻電路一直是學(xué)者們旨在研究重要方向。而國(guó)內(nèi)目前主要重點(diǎn)研究的方向?yàn)榉瞧胶饨Y(jié)構(gòu)的自振蕩混頻器電路。

自振蕩混頻技術(shù)的理論基礎(chǔ)

自振蕩混頻技術(shù)就是將振蕩器與混頻器的功能集成在一個(gè)單一的電路上。當(dāng)沒(méi)有射頻信號(hào)輸入時(shí)，自振蕩混頻電路相當(dāng)于一個(gè)振蕩器。因此在針對(duì)自振蕩混頻技術(shù)進(jìn)行研究時(shí)，首先是要對(duì)自振蕩性能進(jìn)行研究，然后再對(duì)混頻性能進(jìn)行研究。

1.微波振蕩器的原理

一般把無(wú)需加上外部信號(hào)激勵(lì)，就能將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢l率特性的交流信號(hào)輸出的非線(xiàn)性器件稱(chēng)為振蕩器。

振蕩器是毫米波接收與發(fā)射系統(tǒng)中的重要組成部分其性能指標(biāo)的優(yōu)劣影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。振蕩器按照輸出波形的不同，可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。

按反饋結(jié)構(gòu)的不同，振蕩器可分為串聯(lián)反饋振蕩器和并聯(lián)反饋振蕩器；按工作原理來(lái)講，振蕩器一般被分為反饋式振蕩器和負(fù)阻式振蕩器。

2.反饋式振蕩器的工作原理

并聯(lián)反饋振蕩器的設(shè)計(jì)基于反饋振蕩原理，其電路網(wǎng)絡(luò)模型如圖9所示。

圖中顯示，電路結(jié)構(gòu)中主要包含了正向增益為G的放大網(wǎng)絡(luò)和反饋系數(shù)H的反饋網(wǎng)絡(luò)，其中反饋網(wǎng)絡(luò)由環(huán)路的固定相移和諧振器組成。

根據(jù)巴克豪森豪森判據(jù)(Barkhausen Criterion)和奈奎斯特準(zhǔn)則(Nyquist Criterion)反饋式振蕩器能夠穩(wěn)定振蕩的三個(gè)必要條件有：

(1)開(kāi)環(huán)增益 Af(jo)大于1；

(2)環(huán)路的相位為2nΠ(n-0,1,2,3...)，且振蕩頻點(diǎn)處的相頻特性為負(fù)斜率；

(3)仿真時(shí)，奈奎斯特圓圖在振蕩頻率附近用半徑很小的半圓沿順時(shí)針圍繞點(diǎn)。

由于振蕩器是一個(gè)非線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜，且滿(mǎn)足上述三個(gè)條件的電路，仍然無(wú)法保證起振。有關(guān)振蕩器的精確設(shè)計(jì)是有一定難度的，精確分析振蕩點(diǎn)的頻率是較為復(fù)雜的。

在仿真時(shí)，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)多個(gè)頻點(diǎn)均滿(mǎn)足上述三個(gè)條件，一般而言相位條件最優(yōu)的頻點(diǎn)是實(shí)際最有可能產(chǎn)生振蕩的地方。

3.負(fù)阻式振蕩器的工作原理

線(xiàn)性電阻和非線(xiàn)性電阻都屬于正電阻器件。一般可知流過(guò)正電阻的電流越大，那么兩端的壓降也會(huì)越大，這意味著消耗的功率也越多。

與之相反，負(fù)阻器件可以將直流功量可以產(chǎn)生功率供給外部電路。負(fù)阻具有能量變換特性，負(fù)阻式振蕩器主要是利用負(fù)陽(yáng)器件的這一特性來(lái)抵消電路中的正阻器件所產(chǎn)生的損耗，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，振蕩便會(huì)產(chǎn)生。

振蕩電路中的有源器件(包括雪崩二極管、Gunn效應(yīng)二極管、晶體三極管等)充當(dāng)著負(fù)阻角色。

與只需在直流偏置狀態(tài)下便可產(chǎn)生負(fù)阻的二極管器件不同，晶體三極管如BJT、FET、pHEMT等則不僅需要在直流偏置的狀態(tài)下，還需要加上反饋網(wǎng)絡(luò)，才能使具有負(fù)阻特性。

一般將有源器件采用二極管的負(fù)阻式振蕩電路稱(chēng)為單端口負(fù)阻式振蕩電路，采用三極管的則稱(chēng)為雙端口負(fù)阻式振蕩電路。

4.自振蕩混頻電路的分析求解方法

自振蕩混頻器可以等效為一個(gè)非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò)。由于非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)具有定的復(fù)雜度，所以需要由相關(guān)的非線(xiàn)性的分析方法對(duì)其進(jìn)行分析。

經(jīng)過(guò)研究后，常見(jiàn)的非線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)分析方法由如下幾種： 冪級(jí)數(shù)法、Vlterra級(jí)數(shù)法、時(shí)域積分法以及諧波平衡(Harmonic Balance，HB)法等。

這些方法各有適用的電路網(wǎng)絡(luò)， 因此需要根據(jù)實(shí)際仿真的電路特性來(lái)進(jìn)行選擇。

冪級(jí)數(shù)法與Volterra級(jí)數(shù)法對(duì)于弱非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò)的分析比較精確，但是對(duì)于求解大信號(hào)激勵(lì)下的強(qiáng)非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò)卻無(wú)能為力，該方法求解強(qiáng)非線(xiàn)性電路時(shí)，無(wú)論是速度還是精確度都達(dá)不到要求。

時(shí)域積分法進(jìn)行求解分析時(shí)，則對(duì)仿真模型的精確度要求非常高。

而諧波平衡法是一種通過(guò)在時(shí)域和頻域上不斷交替輪換來(lái)計(jì)算非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò)，最終求得平衡解的方法。

其是使用最簡(jiǎn)便且有效的求解非線(xiàn)性電路的工具，而且應(yīng)用范圍不僅包括弱非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò)，也同樣適用于強(qiáng)非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò)。

綜合考慮上述各個(gè)分析求解方法各自的適用領(lǐng)域，采用諧波平衡法對(duì)設(shè)計(jì)的自振蕩混頻電路進(jìn)行分析是最合適的。

采用諧波平衡法分析電路的基本思路為：找到一組能夠使非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò)中的線(xiàn)性與非線(xiàn)性子電路方程得到相同電流的端口電壓波形或諧波電壓分量，最后進(jìn)行求解。

諧波平衡分析法的實(shí)質(zhì)就是對(duì)非線(xiàn)性電路網(wǎng)絡(luò)建立相關(guān)的諧波平衡方程并求解。

參考文獻(xiàn)：

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