一、引言

根據(jù)一種雷達(dá)微波鎖相本振的需要，本文作者研制了一個(gè)X波段的微波鑒頻器。這個(gè)鑒頻器的研制早在1989年就已完成，于1991年投入小批量生產(chǎn)。它的鑒頻特性好，性能穩(wěn)定可靠，在生產(chǎn)過(guò)程中已經(jīng)表現(xiàn)出良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

二、鑒頻器的工作原理

鑒頻器電路的工作是基于將信號(hào)頻率變化轉(zhuǎn)換成幅度變化的原理。它可以用圖1的示意圖來(lái)表示。

圖1  鑒頻器的原理示意圖

從原理圖1的信號(hào)關(guān)系可以得出：
 
在第二個(gè)3dB耦合器的兩個(gè)輸出端口的輸出功率分別為P1和P2，其輸出功率的比為

式中，φ是由于引入延遲線Δλ后比另一條基準(zhǔn)路徑附加的相位移。
 
因?yàn)?img alt="" src="http://www.my-1688.com/uploadfile/2013/0106/20130106042326827.jpg" style="width: 84px; height: 24px" /> ，（3）式可改寫成

將線內(nèi)波長(zhǎng)代入（4）式，可以得到

式中，
——自由空間中電磁波的傳播速度；
——輸入射頻信號(hào)的頻率。
ξr——介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)；

由（5）式可以看出，輸出功率的比是輸入射頻信號(hào)的頻率和延遲線長(zhǎng)度的函數(shù)，即輸出信號(hào)的幅度隨輸入信號(hào)的頻率而變化。延遲線鑒頻器就是利用這種變化關(guān)系來(lái)構(gòu)成的。

鑒頻器的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)兩條路徑的電長(zhǎng)度相差延遲線Δλ。經(jīng)過(guò)兩檢波器檢波得到的視頻信號(hào)同時(shí)送到視頻放大器中相迭加。其輸出的視頻輸出信號(hào)就是我們所要求的鑒頻器輸出信號(hào)。隨著射頻輸入信號(hào)的頻率的變化，這個(gè)鑒頻器的輸出信號(hào)的幅度應(yīng)該是線性變化的，即對(duì)應(yīng)于輸出信號(hào)的某一幅度值只能有一個(gè)頻率，它是單值的。如果將鑒頻器的輸出信號(hào)幅度在示波器屏上顯示出來(lái)，它就應(yīng)該是一條直線，確切一點(diǎn)說(shuō)，應(yīng)是一條很接近直線的軌跡。

延遲線Δλ的值由下式確定，

而

式中，
 ——工作頻帶的中心工作頻率；
 ——要求的最大帶寬。

式中的n的值可以適當(dāng)選取，它可為1、3、5、7、9等等。但是n值的大小會(huì)影響可使用頻帶的寬度。n值選得大了，鑒頻器輸出視頻信號(hào)隨頻率變化就呈現(xiàn)多個(gè)周期，n值選得越大，周期就越多，能夠作為鑒頻器特性使用的線性范圍就越小。相反地，n值選得小，這個(gè)頻率范圍就大些。當(dāng)然，這個(gè)頻率范圍大了又很難匹配好，鑒頻器的鑒頻曲線的線性就會(huì)變差。所以要根據(jù)使用要求適當(dāng)?shù)倪x取n的值。既要滿足線性要求，又要能達(dá)到要求的頻率范圍。

三、鑒頻器的設(shè)計(jì)和制作

實(shí)際制作的鑒頻器電路由兩個(gè)3dB90°耦合器、一條延遲線段和兩個(gè)檢波器組成，鑒頻器的微波部分示于圖2中。

圖2 鑒頻器的微波電路片

在鑒頻器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們注意到影響鑒頻器的鑒頻特性的關(guān)鍵部件是檢波器，對(duì)它的匹配要求很高。兩個(gè)檢波器的輸入電壓駐波比，以及檢波的幅度特性在同頻率點(diǎn)都要很接近。就是說(shuō)其一致性要很好。檢波器前面的兩個(gè)3dB90°耦合器要求具有較好的隔離。尤其是處在射頻信號(hào)輸入端的那一個(gè)定向耦合器更需要具有好的隔離。

這里所介紹的鑒頻器中，除了上述的兩個(gè)3dB90°耦合器外，兩個(gè)檢波器中也各有一個(gè)這種耦合器，也就是說(shuō)總共有四個(gè)耦合器。為了方便和制作工藝的簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，采用了四個(gè)相同的耦合器。

本文作者曾經(jīng)在《微波》上發(fā)表的文章《三公分帶線寬帶鏡象抑制平衡混頻器》中所描述的三分支線定向耦合器正好也適合我們的上述要求。在我所設(shè)計(jì)制作的X波段雷達(dá)微波鎖相本振用的微波鑒頻器要求的頻率范圍內(nèi)，這種三分支線定向耦合器可以做到20dB以上的隔離和1.2的電壓駐波比。因此，我們將這種3dB90°三分支線定向耦合器用在當(dāng)前要設(shè)計(jì)的鑒頻器中了。

對(duì)于檢波器要求輸入電壓駐波比較好，要力求避免射頻信號(hào)及其電路中產(chǎn)生的諧波的多重反射。這種多重反射會(huì)嚴(yán)重地影響檢波器的駐波特性及其輸出頻率響應(yīng)的平坦性。由三分支線定向耦合器、兩個(gè)肖特基勢(shì)壘檢波二極管及其后面的低通濾波器構(gòu)成的檢波器是一種性能較好的平衡檢波器。肖特基勢(shì)壘檢波二極管后面的低通濾波器在這里是設(shè)計(jì)來(lái)足以將射頻信號(hào)及其諧波旁路掉，不讓其反射回去形成多重反射，使檢波器的檢波特性得以保證。

鑒頻器的鑒頻頻率范圍由延遲線Δλ的長(zhǎng)度來(lái)確定。這個(gè)延遲線是50歐姆阻抗線，它只是比另一路徑長(zhǎng)了這么一個(gè)長(zhǎng)度而已。

整個(gè)鑒頻器電路是印制在一塊RT/Duroid 5880 基片材料上。印制電路的重復(fù)性很好，鑒頻特性比較一致。一對(duì)特性較一致的肖特基勢(shì)壘檢波二極管錫焊在三分支線定向耦合器與低通濾波器之間的間隙處，鑒頻特性基本上都能保證。只是在焊接時(shí)要盡可能將檢波二極管所處的位置焊接在比較一致的地方。

由于采用的電路結(jié)構(gòu)是對(duì)稱印制帶線的，檢波二極管是埋在RT/Duroid 5880基片的孔內(nèi)，所以電路結(jié)構(gòu)相當(dāng)穩(wěn)定可靠。第一個(gè)三分支線定向耦合器和兩個(gè)檢波器的定向耦合器的隔離端口都是采用的固定的外接50歐姆負(fù)載。這三個(gè)50歐姆負(fù)載的駐波特性都在1.1左右，可以單獨(dú)用網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測(cè)。

鑒頻器由于使用的肖特基勢(shì)壘檢波二極管的特性有些差別，鑒頻器的鑒頻特性曲線的斜率稍有不同。這可以通過(guò)調(diào)整后面所接視頻放大器的增益來(lái)得到調(diào)整。批生產(chǎn)的鑒頻器典型的測(cè)試鑒頻特性曲線見(jiàn)圖3。如圖所示，該曲線呈現(xiàn)的最大鑒頻頻率誤差小于±5MHz，在－55℃至＋70℃的溫度范圍內(nèi)鑒頻特性基本保持不變。

圖3 鑒頻器的測(cè)試鑒頻特性曲線

四、結(jié)論

鑒頻器經(jīng)過(guò)小批量生產(chǎn)，已被證明其鑒頻特性穩(wěn)定可靠。全部電路印制在同一塊基片上，保證了性能的復(fù)現(xiàn)性，使生產(chǎn)變得更容易了。

鑒頻器的良好線性是基于微波集成技術(shù)的發(fā)展。全部電路印制在同一塊基片上，保證了電路印制線的長(zhǎng)度被嚴(yán)格的控制。除了我們所要求的延遲線Δλ外，沒(méi)有其它多余的不便控制的線長(zhǎng)度產(chǎn)生，消除了影響電壓駐波比的不連續(xù)性。巧妙而適用的電路設(shè)計(jì)較好地控制了檢波二極管產(chǎn)生的諧波反射，改善了檢波器的駐波特性。采用了隔離足夠好的三分支線定向耦合器，使全部電路處在同一平面上，大大簡(jiǎn)化了制作工藝。采用外接50歐姆負(fù)載，避開了內(nèi)負(fù)載制作時(shí)不易準(zhǔn)確控制的情況，這是為了得到較好的駐波特性。所有這些工作，使鑒頻器的高性能得以實(shí)現(xiàn)。

作者：曹主明

參考資料
1. R.J.Mohr，“Broad-band Microwave Discriminator”，IEEE Trans。On Microwave Theory and Techniques，VOL.MTT-11，PP.263-264(JULY 1963)。
2．曹主明，“三公分帶線寬帶鏡象抑制平衡混頻器”，《微波》，1975.5。