2024年5月26日发(作者：阮星星)

“微波器件与RFID定位算法”专题

基于180°混合网络及十字耦合器的平衡混频器设计

施鳕凇，朱晓维

**

（东南大学信息科学与工程学院，江苏 南京 210096）

*

【摘 要】

设计了一种基于180°混合网络的Q波段平衡混频器。该混合网络由90°定向耦合器以及90°延时线构成，

其中耦合器采用基片集成波导的十字型结构来减小布板面积，延时线采用微带结构来最大程度简化电

路。实验结果表明，该种混合网络和传统定向耦合器相比，能够大幅度提高中频与射频的隔离度，用以

实现单平衡中的较宽带宽。

【关键词】

平衡混频器；基片集成波导；定向耦合器；混合网络

OSID

：

扫描二维码

与作者交流

doi:10.3969/.1006-1010.2019.02.013 中图分类号：TN929.5

文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2019)02-0068-03

引用格式：施鳕凇,朱晓维. 基于180

°

混合网络及十字耦合器的平衡混频器设计[J]. 移动通信, 2019,43(2): 68-70.

Design of Balanced Mixer Based on 180° Hybrid Network and Cruciform Coupler

SHI Xuesong, ZHU Xiaowei

(School of Information Science and Engineering, Southeast University of China, Nanjing 210096, China)

[Abstract]

[Key words]

In this paper, a balanced mixer based on 180° hybrid network at Q-band is proposed. The hybrid network comprises

of 90° directional coupler and 90° delay line. For the coupler, the cruciform structure is used to reduce the layout

size. For the delay line, the microstrip structure is used simplify the circuit to a large extent. Experiment results

show that, compared with the traditional directional coupler, the hybrid network can greatly improve the isolation

between intermediate frequency and radio frequency, and achieve broader bandwidth in single balance.

balanced mixer; SIW; directional coupler; hybrid network

1 引言

随着微波毫米波电路技术的逐步发展，多普勒雷

达测速、测距技术已越来越广泛地应用于军工及民用场

合。作为其射频收发系统中的核心部件之一，混频器的

设计往往决定了整个链路系统的性能指标，尤其当工作

频率处于毫米波段。传统的平衡混频器可以在单层板上

由微带线及各种结构的定向耦合器

[1-3]

组合而成。

本文提出了一种基于十字型SIW（Substrate

Integrated Waveguide，基片集成波导）耦合器的单平

衡混频器，根据中频电流的叠加原理将传统的耦合器

用180°混合网络进行替换，最终达到了理想的仿真与

实测结果。

*基金项目：Q波段高速宽带无线通信发信机的关键技术

研究（61671149）

**通信作者

收稿日期：2018-12-20

2 混频理论分析

由传统的90°耦合器构成的单平衡结构，中频输

６８

2019年第2期

Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

“微波器件与RFID定位算法”专题

出的等效电流为两管的叠加（如式

(1)所示），其中

U

s

cos

ω

s

t

为射频输入信号，

U

L

cos

ω

L

t

为本振信号，

I

IF

=

I

1

+

I

2

=

g

0

U

s

[sin(

ω

s

t

)+cos(

ω

s

t

)]+2

g

1

U

s

sin(

ω

L

-ω

s

)

t+

…

(1)

g

(

ωt

)=

g

0

+2

+

2

∑

n

=

1

g

n

cos

nωt

为二极管在本振信号激励

∞

下的等效导纳，其电流方向及混频器结构如图1所示：

RF(0°)+LO(90°)

RF

I

1

1

图2 SIW耦合器结构 图3 基于SIW耦合器的混频器版图

I

I

IF

IF

LO

I

2

2

Coupler

RF(90°)+LO(0°)

为33 GHz时，15 dB变频损耗带宽为3.3 GHz，最低损

耗为9.3 dB。通带内射频与本振的隔离度大于15 dB。

当本振功率大于10 dBm时，变频损耗趋于稳定，混频

器的输入1 dB压缩点近似为4.8 dBm。

-8

-10

-12

-14

-16

-18

-20

31.0 31.5 32.0 32.5 33.0 33.5 34.0 34.5 35.0

射频频率

/GHz

Measurement

Simulation

图1 单平衡混频结构及中频电流方向

从公式(1)可以看出，该结构的中频输出包含有射

频和本振的泄漏信号，这意味着射频到中频的隔离度

并不理想，这会影响混频器的变频带宽。为了解决这

似的分析方法，可以得到中频电流表达式为：

I

IF

=

I

1

+

I

2

=4

g

1

U

s

cos(

ω

L

t

)cos(

ω

s

t

)+

…

=2

g

1

U

s

[cos(

ω

L

-ω

s

)

t+

cos(

ω

L

+ω

s

)

t

]

+

…

(2)

可以看出中频电流中只有混频分量，从而大大提

升了端口之间的隔离度。

变

频

增

益

/

d

B

个问题，可以将耦合器替换为180°混合网络，根据相

3 耦合器设计

如前文所述，混合网络由SIW耦合器及微带延时

线构成，其中耦合器的设计为整个混频电路的关键。

在Q波段的高频信号下，微带结构的耦合器不仅带宽

窄，而且受限于加工精度，很容易出现频偏等问题。

况，并且由于类矩形波导的结构特性，SIW是射频与

中频间天然的隔离器，因此本文采用SIW十字耦合器

结构，在提高带宽和隔离度的同时能最大限度地缩小

布板面积。图2为SIW耦合器结构，图3为基于SIW耦

合器的混频器版图。

隔

离

度

/

d

B

35

30

25

20

15

10

5

图4 变频增益vs射频频率

Measurement

Simulation

而SIW结构虽然尺寸较大，但能很好地避免这两种情

31 32 33 34 35

射频频率

/GHz

4 仿真及测试结果

混频器的测试结果如图4到图7所示。当中心频率

图5 射频/本振隔离度

2019年第2期

６９

Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

“微波器件与RFID定位算法”专题

Measurement

[2] T Djerafi, K Wu. Super-Compact Substrate Integrated

Waveguide Cruciform Directional Coupler[J]. IEEE

Microwave and Wireless Components Letters,

2007,17(11): 757-759.

[3] Y T Wang, X W Zhu. Design of Ka-Band Half Mode

Substrate Integrated Waveguide (HMSIW) Mixer[C]//

ICUWB IEEE International Conference. Vancouver,

2009: 684-687.

[4] 林善明. 新型超宽带巴伦及其应用研究[D]. 南京: 南京

理工大学, 2016.

[5] 李磊. Ka波段倍频器的研制[D]. 成都: 电子科技大学,

2013.

[6] 彭文超. 毫米波超宽带混频器研究[D]. 成都: 电子科技

大学, 2010.

-5

Simulation

-10

变

频

增

益

/

d

B

-15

-20

-25

7 8 9 10 11 12 13 14 15

本振功率

/dBm

图6 变频增益vs本振功率

Measurement

-11.0

-11.5

-12.0

变

频

增

益

/

d

B

-12.5

-13.0

-13.5

-14.0

-14.5

-15.0

Simulation

[7] 蒋石磊. 微波、毫米波混频器研究[D]. 南京: 南京理工

大学, 2009.

[8] 张永鸿,唐小宏,樊勇,等. 微波PIN二极管倍频器研究[J].

固体电子学研究与进展, 2007(4): 498-502.

[9] 彭文峰. Ka波段宽带四倍频器的研制[J]. 电子工程师,

2003(12): 56-59.

[10] 黄绣江,唐宗熙,杨涛. Ka波段二倍频器的研究与设计

[J]. 电子科技大学学报, 2002(5): 494-496.★

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10

射频功率

/dBm

图7 变频增益vs射频功率

作者简介

施鳕凇

（

/0000-0002-2679-2267

）：

学士毕业于东南大学

，

硕士研究生就读于东

南大学信息科学与工程学院

，

主要研究方向

有毫米波无源器件

、

射频电路与系统等

。

5 结束语

本文提出了一种基于SIW十字耦合器的单平衡混

频器。测试结果表明，该Q波段混频器在15 dB变频损

耗下的相对带宽为10%。带内隔离度大于15 dB，同

时具有良好的线性度。由于电路中的匹配结构形式简

单，能够很灵活地调整混频器的工作频带，因此可以

广泛应用于毫米波雷达系统中。

参考文献：

[1] G S A Maas. Nonlinear Microwave and RF Circuits[M].

Boston: Artech House, 2003: 2049-2052.

朱晓维

（

/0000-0002-3495-9178

）：

博士毕业于东南大学无线电工程系

，

随后

留校任教至今

，

现任东南大学信息学院教

授

、

博士生导师

、

IEEE会员

，

主要研究方

向为射频电路与系统

，

天线及天线阵列

、

功放及线性化等

，

主撰合撰核心刊物学术

论文数十篇

，

其中多篇发表至IEEE权威刊

物上

，

获授权国家发明专利十余项

。

７０

2019年第2期

Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

2024年5月26日发(作者：阮星星)

“微波器件与RFID定位算法”专题

基于180°混合网络及十字耦合器的平衡混频器设计

施鳕凇，朱晓维

**

（东南大学信息科学与工程学院，江苏 南京 210096）

*

【摘 要】

设计了一种基于180°混合网络的Q波段平衡混频器。该混合网络由90°定向耦合器以及90°延时线构成，

其中耦合器采用基片集成波导的十字型结构来减小布板面积，延时线采用微带结构来最大程度简化电

路。实验结果表明，该种混合网络和传统定向耦合器相比，能够大幅度提高中频与射频的隔离度，用以

实现单平衡中的较宽带宽。

【关键词】

平衡混频器；基片集成波导；定向耦合器；混合网络

OSID

：

扫描二维码

与作者交流

doi:10.3969/.1006-1010.2019.02.013 中图分类号：TN929.5

文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2019)02-0068-03

引用格式：施鳕凇,朱晓维. 基于180

°

混合网络及十字耦合器的平衡混频器设计[J]. 移动通信, 2019,43(2): 68-70.

Design of Balanced Mixer Based on 180° Hybrid Network and Cruciform Coupler

SHI Xuesong, ZHU Xiaowei

(School of Information Science and Engineering, Southeast University of China, Nanjing 210096, China)

[Abstract]

[Key words]

In this paper, a balanced mixer based on 180° hybrid network at Q-band is proposed. The hybrid network comprises

of 90° directional coupler and 90° delay line. For the coupler, the cruciform structure is used to reduce the layout

size. For the delay line, the microstrip structure is used simplify the circuit to a large extent. Experiment results

show that, compared with the traditional directional coupler, the hybrid network can greatly improve the isolation

between intermediate frequency and radio frequency, and achieve broader bandwidth in single balance.

balanced mixer; SIW; directional coupler; hybrid network

1 引言

随着微波毫米波电路技术的逐步发展，多普勒雷

达测速、测距技术已越来越广泛地应用于军工及民用场

合。作为其射频收发系统中的核心部件之一，混频器的

设计往往决定了整个链路系统的性能指标，尤其当工作

频率处于毫米波段。传统的平衡混频器可以在单层板上

由微带线及各种结构的定向耦合器

[1-3]

组合而成。

本文提出了一种基于十字型SIW（Substrate

Integrated Waveguide，基片集成波导）耦合器的单平

衡混频器，根据中频电流的叠加原理将传统的耦合器

用180°混合网络进行替换，最终达到了理想的仿真与

实测结果。

*基金项目：Q波段高速宽带无线通信发信机的关键技术

研究（61671149）

**通信作者

收稿日期：2018-12-20

2 混频理论分析

由传统的90°耦合器构成的单平衡结构，中频输

６８

2019年第2期

Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

“微波器件与RFID定位算法”专题

出的等效电流为两管的叠加（如式

(1)所示），其中

U

s

cos

ω

s

t

为射频输入信号，

U

L

cos

ω

L

t

为本振信号，

I

IF

=

I

1

+

I

2

=

g

0

U

s

[sin(

ω

s

t

)+cos(

ω

s

t

)]+2

g

1

U

s

sin(

ω

L

-ω

s

)

t+

…

(1)

g

(

ωt

)=

g

0

+2

+

2

∑

n

=

1

g

n

cos

nωt

为二极管在本振信号激励

∞

下的等效导纳，其电流方向及混频器结构如图1所示：

RF(0°)+LO(90°)

RF

I

1

1

图2 SIW耦合器结构 图3 基于SIW耦合器的混频器版图

I

I

IF

IF

LO

I

2

2

Coupler

RF(90°)+LO(0°)

为33 GHz时，15 dB变频损耗带宽为3.3 GHz，最低损

耗为9.3 dB。通带内射频与本振的隔离度大于15 dB。

当本振功率大于10 dBm时，变频损耗趋于稳定，混频

器的输入1 dB压缩点近似为4.8 dBm。

-8

-10

-12

-14

-16

-18

-20

31.0 31.5 32.0 32.5 33.0 33.5 34.0 34.5 35.0

射频频率

/GHz

Measurement

Simulation

图1 单平衡混频结构及中频电流方向

从公式(1)可以看出，该结构的中频输出包含有射

频和本振的泄漏信号，这意味着射频到中频的隔离度

并不理想，这会影响混频器的变频带宽。为了解决这

似的分析方法，可以得到中频电流表达式为：

I

IF

=

I

1

+

I

2

=4

g

1

U

s

cos(

ω

L

t

)cos(

ω

s

t

)+

…

=2

g

1

U

s

[cos(

ω

L

-ω

s

)

t+

cos(

ω

L

+ω

s

)

t

]

+

…

(2)

可以看出中频电流中只有混频分量，从而大大提

升了端口之间的隔离度。

变

频

增

益

/

d

B

个问题，可以将耦合器替换为180°混合网络，根据相

3 耦合器设计

如前文所述，混合网络由SIW耦合器及微带延时

线构成，其中耦合器的设计为整个混频电路的关键。

在Q波段的高频信号下，微带结构的耦合器不仅带宽

窄，而且受限于加工精度，很容易出现频偏等问题。

况，并且由于类矩形波导的结构特性，SIW是射频与

中频间天然的隔离器，因此本文采用SIW十字耦合器

结构，在提高带宽和隔离度的同时能最大限度地缩小

布板面积。图2为SIW耦合器结构，图3为基于SIW耦

合器的混频器版图。

隔

离

度

/

d

B

35

30

25

20

15

10

5

图4 变频增益vs射频频率

Measurement

Simulation

而SIW结构虽然尺寸较大，但能很好地避免这两种情

31 32 33 34 35

射频频率

/GHz

4 仿真及测试结果

混频器的测试结果如图4到图7所示。当中心频率

图5 射频/本振隔离度

2019年第2期

６９

Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

“微波器件与RFID定位算法”专题

Measurement

[2] T Djerafi, K Wu. Super-Compact Substrate Integrated

Waveguide Cruciform Directional Coupler[J]. IEEE

Microwave and Wireless Components Letters,

2007,17(11): 757-759.

[3] Y T Wang, X W Zhu. Design of Ka-Band Half Mode

Substrate Integrated Waveguide (HMSIW) Mixer[C]//

ICUWB IEEE International Conference. Vancouver,

2009: 684-687.

[4] 林善明. 新型超宽带巴伦及其应用研究[D]. 南京: 南京

理工大学, 2016.

[5] 李磊. Ka波段倍频器的研制[D]. 成都: 电子科技大学,

2013.

[6] 彭文超. 毫米波超宽带混频器研究[D]. 成都: 电子科技

大学, 2010.

-5

Simulation

-10

变

频

增

益

/

d

B

-15

-20

-25

7 8 9 10 11 12 13 14 15

本振功率

/dBm

图6 变频增益vs本振功率

Measurement

-11.0

-11.5

-12.0

变

频

增

益

/

d

B

-12.5

-13.0

-13.5

-14.0

-14.5

-15.0

Simulation

[7] 蒋石磊. 微波、毫米波混频器研究[D]. 南京: 南京理工

大学, 2009.

[8] 张永鸿,唐小宏,樊勇,等. 微波PIN二极管倍频器研究[J].

固体电子学研究与进展, 2007(4): 498-502.

[9] 彭文峰. Ka波段宽带四倍频器的研制[J]. 电子工程师,

2003(12): 56-59.

[10] 黄绣江,唐宗熙,杨涛. Ka波段二倍频器的研究与设计

[J]. 电子科技大学学报, 2002(5): 494-496.★

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10

射频功率

/dBm

图7 变频增益vs射频功率

作者简介

施鳕凇

（

/0000-0002-2679-2267

）：

学士毕业于东南大学

，

硕士研究生就读于东

南大学信息科学与工程学院

，

主要研究方向

有毫米波无源器件

、

射频电路与系统等

。

5 结束语

本文提出了一种基于SIW十字耦合器的单平衡混

频器。测试结果表明，该Q波段混频器在15 dB变频损

耗下的相对带宽为10%。带内隔离度大于15 dB，同

时具有良好的线性度。由于电路中的匹配结构形式简

单，能够很灵活地调整混频器的工作频带，因此可以

广泛应用于毫米波雷达系统中。

参考文献：

[1] G S A Maas. Nonlinear Microwave and RF Circuits[M].

Boston: Artech House, 2003: 2049-2052.

朱晓维

（

/0000-0002-3495-9178

）：

博士毕业于东南大学无线电工程系

，

随后

留校任教至今

，

现任东南大学信息学院教

授

、

博士生导师

、

IEEE会员

，

主要研究方

向为射频电路与系统

，

天线及天线阵列

、

功放及线性化等

，

主撰合撰核心刊物学术

论文数十篇

，

其中多篇发表至IEEE权威刊

物上

，

获授权国家发明专利十余项

。

７０

2019年第2期

Copyright©博看网 . All Rights Reserved.