CN1094874A - 变频器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提出一个用于射频(RF)信号 的同时接收和通过单个介质谐振腔(DR)以稳定协 同本振的变频器。它是通过一种本振的Push-Push 设置来实现的。本发明能用作一个DBS的变频 器。

Description

本发明涉及一种变频器，它是接收系统特别是微波信号的接收系统的一个部件。

通常都知道用低于一个进入信号的频率可把进入的射频（RF）信号转换为中频。为此，除了某些元件，诸如放大器、滤波器之类外，还要有混频器和协同振荡器。

在某些应用上，比如为了接收直接发射的卫星广播信号而用的所谓DBS（直播卫星）系统，同时接收两个进入的信号是有用的甚至还是必需的。在DBS系统的情况下，接收的可能是例如两上不同极化特性的信号。

目前典型的变频器通常包含焊接在一块电路板上的50到100个元件，诸如晶体管、二极管、电阻、电容之类。近来的制作技术能把大部分这类元件集成到单个单片微波集成电路上，此后称之为MMIC。通常下面两种元件不包含在MMIC变频器中：

-第一种是低噪声前置放大器（LNA），它要求具有比MMIC工艺所能做到的更低的噪声系数。但是可以期望，几年内将会做到这点;

-第二种是振荡器的稳频元件。

一个变频器需要有一个很稳定的振荡器，通常其频率必须保持在标称值的+/-0.01%之内。用一个介质谐振器（DR）去稳定一个微波振荡器是熟知的，就是把位于空腔中的介质谐振器例如用一根微带线穿过谐振器附近的空腔连接到振荡器有源器件上。有源器件可以处在空腔之中。DR及其空腔的大小约为MMIC及其封装的十倍。

若有两条信号通道用于同时接收同一频带的两个不同信号，就需要调整两个MMIC振荡器使之具有同一本振频率。而要使用两个外部介质谐振器是相当困难的。

也有可能把两个MMIC振荡器的频率控制端连接到一个外部介质谐振振荡器（DRO）的输出上。于是MMIC被注入锁定，这意味着它们具有精确相同的频率。但是，这样的一个DRO是相当昂贵的。

还有一种可能的方法，就是借助于一个介质谐振器去稳定第一个MMIC振荡器，取出振荡器功率的一小部分，加以放大，并将第二个MMIC振荡器注入锁定在这一信号上。但是，附加的放大器会造成生产成本的增加。

从下面两篇文献

“A20-40G    Hz    Push-Push    Dielectrie    Resonator    Oscillator”，A.M.Pavio，M.A.Smith，TEEE    Transactions    on    Microwave    Theory    and    Techniques，Vol.Mit    33，NO12，Dec.1985，PP.1346-1349

“On    the    Design    of    a    Voltage-Tuned    Push-Push    Dielectric    Resonator    Oscillator”，C.M.Liu，C.Y.HO，Microwave    Journal，June，1990，PP.165-174

人们还知道具有两个相同的子振荡器的振荡器，这两个子振荡器安排在一个推一推（Push-Push）结构中，因而只需用一个介质谐振器来稳定频率。于是，共用振荡器的振荡频率是每个单个子振荡器频率的二倍。

本发明的目的在于提出一个同时接收同一频段中的两个信号的变频器系统，而且是易于实现的。

本发明提出的一个变频器系统有两上信号通道，它们中间的每一个都包含一个混频器和一个用介质谐振器（DR）稳频的协同振荡器。所说的混频器和振荡器连同外加的放大器和滤波器能集成在一单芯片微波集成电路（MMIC）中。这一发明的特点就是对于两个振荡器只要用一个DR。采用一个所谓的推-推（Push-Push）振荡器结构就做到了这一点。

变频器的这一Push-Push结构可用于，比如说，直接广播卫星（DBS）系统。这些系统通常是以密集生产方式制作的。只用一个介质谐振器并避免使用外加元件，比如放大器，生产成本将大大降低。

其他的优点，细节和特点用介绍的最佳实施例来说明：

图1所示为最佳实施例的框图，

图2所示为图1实施例所用振荡器的电原理图。

图1中的框图所示为一具有两个信号通道的变频器。图1上半部的第一通道接收来自第一副微波天线10的信号，这一天线可以是带馈线嘈喇叭的抛物面反射器，或者是工作在轴向背射模式或端射模式的螺旋天线，或者甚至是一副介质天线，就象带有协同馈线的Luneburg型天线，以至任何其他种类的天线。天线信号由第一个低噪声放大器（LNA）11放大，它的输出经第一带通滤波器12加到第一个单芯片微波集成电路（MMIC）13上。

示如图1下半部的第二信号通道接收来自第二微波天线20（它可以是与第一副天线10同样类型的天线）的信号，或者是从单一天线的第二个输出端来的信号。这一协同的天线信号由第二个LNA21所放大。它的输出信号经过第二个带通滤波器22加到第二个MMIC    23上。

MMIC    13和23的输出信号被引向处理信号的后几级。这些级以方框30来代表，除了放大器以外，它们可能还包括用于产生图和/或声的滤波器之类的协同器件。图和/或声的信息由天线10、20所接收的信号给定。方框30还可能包括对计算机数字数据、电文数据之类进行处理的器件。

天线10和20接收到的信号是在同一频带范围内的信号。这些信号可能来自不同的源，如来自人造卫星TDF1或2和来自人造卫星TV-SAT，或者是这些信号来自同一个源，如人造卫星AS-TRA，但具有不同的极化。在这种情况下，就必须提供协同的极化选择装置。

MMIC13包含一个第三LNA14，它的输出信号被送往第一镜频和本振阻带滤波器15。从而一个被滤波的信号被引导到与第一本振17相连的第一混频器16。第一混频器的输出是一中频（IF）信号，再经过下一个滤波器18滤波后，由一IF放大器19放大。

第二个MMIC23包含与MMIC13同样型式的级数，因此，装置24、25、26…与14、15、16…有着同样的功能。

微带线17a、27a的一端各自分别地与振荡器17或27相连接，并引导通过一个介质谐振器（DR）31的区域，使振荡器工作在Push-Push结构状态。微带线17a、27a的另一端分别经电阻32、33相连接。

图2所示为具有振荡器17和27的最佳电原理图的框图的一部分。振荡器17和27分别地包含一个有源器件40a和40b，在这个实施例中，是一个金属半导体场效应晶体管（MESFET）。MESFET40的栅极端分别与微带线17a、27a相连。每个MESFET40的源极端则分别与L/C反馈电路41a、41b连接，每个反馈电路各包含一个电感42a、42b和一个电容43a、43b。MESFET40的漏极分别通过匹配电路44a和44b，与混频器16、26连接。

DR31被放置在微带线17a、17b的邻近处。这些线可以是平行的，但这不是一个必需条件。任何其它角度，将只是在两个振荡器电压之间导致不同的相位关系。

为了对于用在这些实施例中的Push-Push振荡器有个实际的了解，首先对图2上半部分所示的单个振荡器作一说明。

介质谐振器31邻近微带线17a，微带线一端接一只阻值等于其特性阴抗的电阻32，介质谐振器用作在谐振频率上反射射频（RF）能量的谐振器。由于介质谐振器31的品质用数很高，故在谐振器中的损耗很小。在谐振频率附近，反射系数的相位与频率有很尖锐的依从关系。

有源器件40a，它可以是一只场效应管（FET）或者是一只MESFET，但必须能在设计的频率上振荡，选择反馈电路41a以确保稳定因子小于1，这意味着电路是不稳的。

带有其反馈和匹配网络41a、44a的有源器件40a的栅极输入阻抗Za为

Za＝（-）Ra+j＊Xa

在这里

Ra是阻抗的实部（在设计频率为负值）;

Xa是阻抗的虚部。

谐振器位置和耦合系统的选择使得在谐振频率f₀时有

Zi+Za＝0

在这里Zi是从DR31看进去的输入阻抗，而其负载位于与Za同一参考平面上。

现在让我们考虑一下DR31，它位于两条微带线17a和27a之间，而这两条线各接一只阻值等于它们特性阻抗的电阻32、33。（见图2）

在异于谐振频率的频率上，一切都象完全不存在DR一样。

在邻近谐振频率的频率上，馈入微带线17a的能量几乎完全被反射，但是这能量的一小部分被传送到第二条微带线27a上，其相位则决定于这两条线的相对位置，反之亦然。

现在假定只有单个振荡器存在，例如象图2的上半部分所示。若第二条微带线和另一些部件被加到谐振器的另一侧，但不给第二个有源器件40b加偏压，一部分能量就被电路27从振荡器17取出来。这将造成振荡幅度减小，或者甚至可能停止振荡。

在相反的情况，即把第一个有源器件40a的偏压去掉，而给有源器件40b加偏压，也能得出同样的解释。由于电路是对称的，第二个振荡器27仍将振荡，虽然第一个振荡器17将吸收其一小部分功率。与在DR31的另一侧不加部件的情况相比，振荡频率将略有不同，因为这时不是完全对称的。

下面说明两个有源器件40a、40b同时都被加上偏压的情况。可以想象得到，应用叠加原理，每个振荡器将在各自频率上振荡。但是实际却并非完全是这样：根据在两个有源器件40a、40b各自输入端电压之间瞬时相位关系，振荡器的第二半将不被第一个振荡器看作是其负载。对于给定的相关相位，第二个振荡器帮助放大振荡，而在相反相位，第二个振荡器倾向于制止第一个振荡。实际上，这意味着两个振荡器17、27是同步或彼此相位锁定。

其结果是Push-Push振荡器的输出是两个具有同样振幅和频率完全相同的信号。

相位关系取决于电路的对称：

-若电路相对于一条直线对称则得到相反相位;

-若电路相对于点（谐振器中心）对称则得到相同相位;

-若电路不是对称的，则相位差是任意的。

已知在对称结构中两个子振荡器对应点上的所有的电压和电流是完全相同或者相反的，就使得Push-Push振荡器的设计十分简单：

若正确地选择DR31与微带线17a、27a之间的耦合系数，使之准确地小于单个介质谐振振荡器（DRO）的耦合系统的两倍，则只需分析一半电路就能设计出Push-Push电路来。

因为振荡器输出的相位对于在直接广播卫星（DBS）系统的应用中并不重要，因此两个电路可被选择在这样的状况。由于图2中所示的方案是对称的，故易于调整，这种设置是可取的，虽然输出信号具有相反的相位。

DR31和微带线17a、27a之间的正确耦合能用实验方法选择。曾经对三个在微带线17a、27a之间采用具有不同的距离d的电路进行测试。用于这些试验的单芯片微波集成电路型号为ANADIG-ICS    AKD12011，使用的DR为MURATA    DR，其参数如下：

DR的直径    Dr＝5.06mm，

DR的厚度    Lr＝2.24mm，

相对介电常数    Er＝38，

温度系数    tf＝4ppm/℃。

表1给出了测量结果

表1

噪声系数(dB)    增益(dB)

1.d=do    7.4    37

2.d=do+0.4mm    7.2    37.5

3.d=do-0.4mm    8    35

由于第二种电路给出了最佳结果，进一步的试验是采用它进行的，温度范围由-30℃至60℃得到的结果见表2

表2

25℃时的噪声系数(NF)    7.2dB

25℃时的增益(G)    37.5dB

NF灵敏度    0.0145dB/℃

G灵敏度    0.0076dB/℃

频率稳定性    -1.2至+1.1MHz

采用介绍的最佳实施例，研制成了一个用于同时接收的Push-Push    DR耦合MMIC电路。它的特殊优点在于部件数目较少，而且，与已有电路相比又易于调整。

在各个输入端加上一高电子迁移率晶体管（HEMT）前置放大器和一个带通滤波器，一个同步接收低噪声块（LNB）就做成了，它可以用在比如说DBS系统中。

Claims (4)

1、用于射频信号接收的双信号通道变频器，其中各信号通道包含一混频器(16、26)和一协同振荡器(17、27)，其特征是两个振荡器(17、27)的频率控制端联到单个谐振器(31)上，从而所述振荡器(17、27)工作在一Push-Push结构。

2、根据权利要求1的变频器，其特征在于与单个谐振器（31）的连接通过下述方式实现：即第一条微带线（17a）连到第一振荡器（17）的频率控制端;而第二条微带线（27a）连到第二振荡器（27）的频率控制端，再者，谐振器是一个被放置在两条微带线（17a、27a）附近的介质谐振器。

3、根据权利要求1或2的变频器，其特征在于至少混频器（16、26）之一和振荡器（17、27）之一是个自的单芯片微波集成电路（13、23）的部件。

4、根据权利要求1至3项中的一个变频器其特征在于它是一个用于从人造卫星接收广播信号的系统的部件。

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