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。在無線通信中，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)上述問題，學(xué)者們經(jīng)過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。

這種電路組件被稱為自振蕩混頻器(SOM)，其通過對(duì)電路的設(shè)計(jì)，來增強(qiáng)管子自身的非線性效應(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 年代是無線電通信發(fā)展的早期，由于自振蕩混頻技術(shù)的使用可以減少無線電接收機(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)用于無線電接收系統(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，由于自振蕩混頻技術(shù)在實(shí)現(xiàn)無線通信系統(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。

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

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，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。

通過合平面貼片天線和開槽方形貼片諧振器(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線通信系統(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，在國(guó)內(nèi)該技術(shù)又開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)輸出的非線性器件稱為振蕩器。

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)非線性網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜，且滿足上述三個(gè)條件的電路，仍然無法保證起振。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

線性電阻和非線性電阻都屬于正電阻器件。一般可知流過正電阻的電流越大，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)阻式振蕩電路稱為單端口負(fù)阻式振蕩電路，采用三極管的則稱為雙端口負(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)非線性電路網(wǎng)絡(luò)。由于非線性電路網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)具有定的復(fù)雜度，所以需要由相關(guān)的非線性的分析方法對(duì)其進(jìn)行分析。

經(jīng)過研究后，常見的非線性網(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進(jìn)行選擇。

冪級(jí)數(shù)法與Volterra級(jí)數(shù)法對(duì)于弱非線性電路網(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)非線性電路網(wǎng)絡(luò)卻無能為力，該方法求解強(qiáng)非線性電路時(shí)，無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在時(shí)域和頻域上不斷交替輪換來計(jì)算非線性電路網(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性電路的工具，而且應(yīng)用范圍不僅包括弱非線性電路網(wǎng)絡(luò)，也同樣適用于強(qiáng)非線性電路網(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性電路網(wǎng)絡(luò)中的線性與非線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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