专利名称：高频电磁波接收器和宽带波导混频器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高频电磁波接收器,特别是涉及一种宽带波导混 频器。
背景技术：
随着毫米波(30GHz—300GHz)和亚毫米波(300GHz—3THz) 技术的发展，上述频率极有可能应用到个人无线宽带通信和室内多媒 体无线访问技术。此外，由于毫米波的大气衰减和反向色散小于红外 线，所以毫米波的频带适于在恶劣气候(例如，存在诸如烟气和尘埃 的悬浮颗粒物)条件下进行传输和通信，并且因此它还可以用作诸如 汽车电子和交通导航的一些复杂环境下的通信手段。因此，非常期望 具有宽带宽以及低噪声并且能够在以上频段中工作的宽带混频器来 满足日新月异的需求。然而，由于高成本、不菲的结构性损耗、多模 干扰等等缺点，使得传统方案无法以低噪声和低成本来解决宽带接收 的问题。
现有的毫米波混频器的类型主要包括波导混频器、集成电路混 频器和准光型混频器等。
波导混频器通常采用矩形波导或高度减小的矩形波导结构。这 种类型的混频器的频带受到矩形波导的带宽的限制。特别是，能够以 单一模式在毫米波频带内进行工作的矩形波导的尺寸是很小的。因 此，这使得处理和装配变得困难并且会增加生产成本。虽然可以采用 加大的矩形波导来解决该尺寸问题，但是由加大的矩形波导导致的多 模干扰不利于设计宽带混频器。另一方面，由于趋肤效应，在毫米波 频带内工作的矩形波导的传输损耗非常高，这也不利于降低混频器的 噪声。
集成电路混频器形成在介质片上。这些介质片必定会增加毫米
波信号的传输期间内的介质损耗。尤其是，当工作频率超过100GHz
时，这些损耗变得非常严重。其次，严重的寄生参数干扰还会限制集 成电路混频器的最高工作频率。因此，现有的集成电路类型不适于实 现在毫米波频带内工作的混频器。
由准光型波导形成的准光型混频器通常需要一些诸如光门、透 镜、反射镜、固定器等等的光学仪器。这种类型的混频器结构复杂并 且尺寸过大，并且需要光的准直。因此，这会增加混频器的处理难度 以及生产成本。
总之，使用本技术不能够提供能够在毫米波频带内工作、提供 良好宽带性能以及降低热噪声并且易于进行生产和装配的混频器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何制造一种具有良好宽带性能以 及较低热噪声并且更容易进行生产和装配的在毫米波频带中工作的 混频器。
本发明提供了一种宽带波导混频器，包括波导，在其内表面 上具有大体上为V形的槽；宽带天线，其耦合在所述V形槽中；以 及混频装置，用于将由所述宽带天线接收到的信号进行混频。
本发明还提供了一种包括上述宽带波导混频器的高频电磁波接 收器。
由于本发明采用适于毫米波和亚毫米波的传输的V形槽波导结 构，所以本发明的宽带波导混频器和高频(HF)电磁波接收器的优 点在于宽的单一模式工作频带、较低损耗、较低噪声并且易于进行 生产和装配。此外，由于由属于宽带天线的蝶形偶极天线支持的宽带
接收功能，所以本发明的宽带波导混频器和HF电磁波接收器能够在
较宽频率范围内进行工作。
在结合附图阅读了本发明的实施例的详细描述以后，本发明的 其它特征和优点将变得更加清楚。
图1是示出本发明的实施例的v形槽波导混频器的外部结构的
视图2是部分示出图1所示实施例的V形槽波导混频器的截面视
图3是示出图1所示实施例的V形槽波导混频器中的介质片的
背面表面的视图4是示出图l所示实施例的V形槽波导混频器的等效电路图； 图5是部分示出本发明的另一个实施例的V形槽波导混频器的
截面视图6是示出沿着线A-A剖开的图5所示实施例的V形槽波导混 频器的截面视图7是示出图5所示实施例的V形槽波导混频器的等效电路以及
图8是示出短距离通信终端的环境的示意图。
具体实施例方式
下面，将对照附图来详细描述本发明的实施例。
图1是示出本发明的实施例的V形槽波导混频器的外部结构的视 图。在图1中，标号101和标号102表示具有V形槽的两个金属板；标 号103表示HF介质片；标号104表示蝶形偶极天线；标号105表示二 极管；标号106表示其内表面具有金属属性的金属板102上的孔；标号 107表示处在孔106中并且其一端连接二极管105的导体；标号108表 示在其上形成有平面电路的介质片；标号109、 110、 111和112分别表 示阻抗变换器元件、滤波器元件、金属板元件、以及中频(IF)传输线； 标号113表示同轴连接器。下面将详细描述与上述标号对应的元件的连 接和功能性。
如图1所示，金属板101和金属板102平行而置并且间隔一定距离。 当然，尽管还可以由非金属板来替换金属板101和金属板102，但是这
两个非金属板的两个相对表面必须处理为可以具有金属属性(例如，电
镀上金属膜)。在金属板101和102的内表面上的对应位置上分别相对 地形成V形槽。片103是位于金属板101和102的V形槽内并且与金 属板101和102垂直的介质片。通过例如蚀刻在片103上形成平面电路。 该平面电路包括蝶形偶极天线104、 二极管105等(下面将对照图2和 图3来详细描述元件和连接)。片108是贴在金属板102的外表面上的 介质片，其中在金属板102上通过例如蚀刻形成平面电路(下面将详细 描述功能部分和连接)。金属板102还作为平面电路的接地板进行工作。 在介质片108的平面电路的一端存在同轴连接器113，该同轴连接器113 用作混频器的IF输出。
尽管图1显示在金属板101和102的内表面中均形成V形槽，但 是V形槽也可以仅仅形成于这两个金属板的内表面之一中。V形槽波导 的频率带宽大于传统矩形波导的频率带宽。根据本发明的混频器的宽带 性能受益于V形槽波导的特殊结构。
此外，在V形槽波导中，主要模式的电磁场集中在V形槽中，从 而金属壁中的电流相对较弱。因此，与矩形波导相比较，由金属壁中的 非理想导体的阻抗导致的衰减相对较低。低衰减有利于混频器的噪声因 子。
此外，V形槽波导的尺寸大于在相同频带工作的矩形波导的尺寸。 因此，V形槽波导的公差差异没有矩形波导严格，并且由此它节省了成 本。
蝶形偶极天线104可以是其它形状之一的宽带天线。蝶形偶极天线 104的角度将不会形成对本发明的任何限制。例如，该角度可以处在从 l度到90度的范围内。
用于进行混频的二极管105还可以是不同形式的非线性元件。不同 非线性元件的不同形式将不会形成对本发明的任何限制。
图2是部分示出图1所示的实施例的V形槽波导混频器的截面视 图。图3是示出图1所示的实施例的V形槽波导混频器中的介质片103 的后表面的视图。图2和图3中的符号A和B表示形成于介质片103 中的蝶形偶极天线的两个馈电点；图3中的标号114表示介质片103的
背面上的电感线圈；标号115表示介质片103的背面上的从馈电点B到 金属板102的背面布线。此外，与图1中的元件相同的图2和图3中的 元件由相同标号进行标记，并且这里省去了它们的描述。
如图2所示，介质片103嵌入在金属板101和102的V形槽中。 在介质片103的前表面中，通过例如蚀刻来形成蝶形偶极天线104。馈 电点A和B分别是蝶形偶极天线104的两个分支的两个馈电点。二极 管105的一端通过介质片103上的水平延伸的金属带与馈电点A进行连 接，并且另一端通过另一个水平延伸的金属带和金属板102上的孔106 中的金属导体107连接到阻抗转换部分109的前端，其中，阻抗转换部 分109属于介质片108上的平面电路。
如图3所示，通过例如蚀刻而在介质片103的背面上提供电感线圈 114。图2中的馈电点A和B经由金属化孔106通向介质片103的背面， 并且通过电感线圈114进行彼此连接。同时，馈电点B通过背面布线 115连接到金属板102。电感线圈114和金属布线115彼此绝缘。
如图1到图3中的箭头所示，RF信号和本机振荡器(LO)信号沿 着V形槽的方向进入V形槽波导混频器。当它们遇到介质片103中的 蝶形偶极天线104时，在天线104的馈电点A和B处激发出RF和LO 的合成信号。在由介质片103上的二极管105进行混频以后，该信号通 过金属板102上的孔106并且经由导体107输出到V形槽波导的外部从 而输出到属于介质片108中的平面电路的阻抗转换部分109的前端。介 质片108中的平面电路的主要功能是对二极管105的输出信号进行滤波 并且将偏置电压提供到二极管105。阻抗转换部分109能够将由孔106 和导体107形成的同轴阻抗转换成50欧姆的微带线阻抗。在金属芯片 111和接地的金属板102之间形成有较大电容。当工作时，二极管105 的DC偏置电压的阳极通过金属芯片111经由阻抗转换部分109施加到 二极管的一端。它的阴极经由连接的背面布线115、馈电点B、电感线 圈114和馈电点A施加到金属板102并连接到二极管105的另一端，其 中，电感线圈114对RF和LO信号呈现非常大的电抗但是IF信号和 DC信号能够平稳地通过该电感线圈114。因此，通过在金属芯片111 和金属板102之间施加DC偏置电源，可以容易地对位于V形槽波导内 的二极管105提供偏置电压。此外，金属芯片111可以认为是能够短路
IF的电容器，并且它通过入/4的中频传输线112连接到阻抗转换部分 109的后端，其中，入是中频信号的波长。滤波器部分IIO是带通滤波 器，用于对IF分量进行滤波。同时，滤波器部分IIO还能够隔离DC电 压。混频后的信号是由滤波器部分IIO进行滤波的IF，并且然后同轴连 接器113输出最后混频的信号。
如图1到图3中的箭头所示，匹配负载与V形槽波导混频器的另 一端连接。它可以吸收所有无法由蝶形偶极天线104吸收的RF和LO 信号的能量，从而确保混频器的宽带性能。该匹配负载可以由诸如石墨 之类的一些吸收性材料形成。
此外，在本实施例中，当混频器工作时，金属板102的外壁上的介 质片108的平面电路应该配备有金属屏蔽外壳(未示出)，从而防止外 来信号进入介质片108的平面电路(这会导致一些不期望的干扰)。
图4是示出图1所示的实施例的V形槽波导混频器的等效电路图。 源RF和源LO分别表示RF输入信号和LO输入信号，并且Zrp和Zlo 分别表示那两个源的内在输入阻抗。Vb是DC源，用于向二极管D提 供偏置电压，并且Ro表示其内在阻抗。Zff表示混频器的IF负载。电路 结点A和B对应于蝶形偶极天线104的两个馈电点。结点A和结点B 之间的电感线圈L等效于图3所示的介质片103的背面上的电感线圈 114。 HF回路电容器Cb等效于图3所示的介质片108上的平面电路的 阻抗转换部分109。与IF负载Z^串联的谐振电路Ld等效于图l所示 的介质片108上的平面电路的滤波器部分110。 Lffc等效于图1所示的 介质片108上的A/4的IF传输线112。 DC电压vb经由L:fc施加到二 极管D的一端，并且防止IF沿着DC偏置电路泄漏。
图5是部分示出本发明第二实施例的V形槽波导混频器的截面视 图。与图1中的元件相同的图5中的元件由相同标号进行标记，并且于 此省去了对它们的描述。标号500表示输出和偏置部分，用于对混频后 的IF进行滤波和输出并且向二极管105提供偏置电压。通过例如螺旋 结构，输出和偏置部分500能够紧密地固定在金属板102上。
图6是示出沿着线A-A剖开的图5所示的实施例的V形槽波导混
频器的截面视图。图6中详细示出了图5中的输出和偏置部分500的结 构。
在图5和图6所示的实施例中，V形槽波导(包括蝶形偶极天线 104)与图1到图4所示的实施例相同。下面将仅仅详细描述输出和偏 置部分500。如图6所示，由标号501表示的金属导体和由标号504表 示的金属导体形成同轴导体。内部导体501和外部导体504通过由一些 介质材料形成的垫圈502彼此分离。在滤波器部分l中，内部导体501 是具有交替的厚和薄部分的实心金属杆，而在DC隔离部分2中，内部 导体501是空心圆柱体并且在其内部有另一个导体核503。如图6中的 部分放大视图所示，导体核503的插入端的直径要稍微小于内部导体 501的内径。因此，通过使用由标号507表示的垫圈可以在内部导体501 与导体核503之间形成小的间隙，并且由于该间隙，这两个导体不能够 彼此接触从而它们形成电容器。在外部导体504的另一端，通过使用例 如榫结构安装有导体505。标号506是外部导体504和导体505的结合 处的通孔。
当工作时，二极管105的输出与输出和偏置部分500中的同轴滤波 器的内部导体501连接。由内部导体501和外部导体504所形成的滤波 器部分l来对由非线性元件进行混频的信号进行滤波，并且因此获得期 望的IF信号。该IF信号通过DC隔离部分2，最后在导体503的端部 进行输出。在本实施例的结构中，可以容易地向二极管105提供DC偏 置电压。例如，DC源的一端能够施加到外部导体504 (等效于将该源 施加到导体506或金属板102)，并且该源的另一端可以经由通孔506 施加到内部导体501，从而把DC电源施加到二极管105。对IF信号通 孔506用作截止圆形波导，并且它能够防止IF信号经由通孔506泄漏 到输出和偏置部分500的外部。DC隔离部分2即由内部导体501和导 体503形成的电容器能够防止DC偏置电压通过IF输出端即导体核503 和导体505被施加到IF放大器，这会导致IF放大器的损耗。
如图5中的箭头所示，以相同方法，匹配负载与V形槽波导混频 器的另一端进行连接。它可以吸收由蝶形偶极天线104未吸收的RF和 LO信号能量，从而确保混频器的宽带性能。该匹配负载可以由诸如石
墨之类的一些吸收性材料形成。
图7是示出图5所示的实施例的V形槽波导混频器的等效电路图。
源RF和源LO以及它们的内在阻抗ZRF和、 DC源VB及其内在阻抗 R0、 IF负载Zff、电路结点A和B、电感线圈L和二极管D的意义和功 能与图4所示的第一实施例的等效电路图相同，因此这里省去了对它们 的详细描述。电容器Cb等效于由图6所示的内部导体501和外部导体 504形成的滤波器部分1，并且它能够短路RF和LO信号并且防止混频 后的IF信号被短路。与IF负载ZIF串联的电容器C,等效于图6所示的 由内部导体501和导体核503形成的DC隔离部分2，并且它可以防止 DC偏置电压被施加到IF输出端。如上所述，本发明的两个实施例均采 用包括蝶形偶极天线104的V形槽波导结构。这两种实施例之间的差别 是混频以后输出IF信号的形式以及向二极管105提供DC偏置电压的形 式。由宽带波导混频器的输出和偏置部分采用的形式不会对本发明的范 围形成任何限制。基于本发明，本领域技术人员能够设计和制造能够满 足其实际需要的不同的输出和偏置部分。
在以上，对照图1到图7描述了本发明的宽带波导混频器的几个实 施例。本领域技术人员能够容易地将宽带波导混频器应用到HF电磁波 接收器从而获得本发明的HF电磁波接收器。
通常，除了 IF处理单元和一些其它元件，本发明的HF电磁波接 收器包括宽带波导混频器。宽带波导混频器包括波导，在其内表面中
设置有V形槽；宽带天线，设置在V形槽内；以及输出和偏置部分，
与宽带天线连接并且用于输出IF信号。
关于使用在本发明的HF电磁波接收器中的宽带波导混频器的描述 能够对照关于图1到图7的对应描述，并且这里将其省去。
本发明的HF电磁波接收器和宽带波导混频器能够应用到几种不同 类型的无线电通信装置，例如频谱分析器和无线电望远镜等等。此外， 由于本发明的HF电磁波接收器和宽带波导混频器具有定向接收的特 征，所以它们还适于使用在室内短距离通信系统中。如图8所示，传输 装置(例如，无线路由器)20具有定向传输天线201，同时接收终端10 装配有本发明的HF电磁波接收器或用于定向接收来自定向天线201的
HF电磁信号的宽带波导混频器。在室内短距离通信系统中使用定向发 送/接收特征能够带来提高发送效率并且会降低对人类身体的电磁波辐 射的优点。
尽管结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员能够在 权利要求的范围内生成各种变型和修改。
权利要求
1.一种宽带波导混频器，包括波导，在其内表面上具有大体上为V形的槽；宽带天线，其耦合在所述V形槽中；以及混频装置，用于将由所述宽带天线接收到的信号进行混频。
2. 如权利要求1所述的宽带波导混频器，其中，所述混频装置 包括用于进行混频的非线性元件。
3. 如权利要求2所述的宽带波导混频器，还包括.-介质片，设置在所述V形槽内，所述宽带天线形成于所述介质 片之上。
4. 如权利要求2所述的宽带波导混频器，其中，所述非线性元件是用于进行混频的二极管。
5. 如权利要求2所述的宽带波导混频器，其中，所述混频装置包括阻抗转换装置，用于匹配从所述非线性元件输出的混频后的信号 滤波器装置，用于对由所述阻抗转换装置输出的信号进行滤波并且输出对应的IF信号；以及偏置装置，用于向所述非线性元件提供偏置电压。
6. 如权利要求2所述的宽带波导混频器，其中，所述混频装置包括外部导体；内部导体，套入在所述外部导体内部，包括第一部分和第二部 分，其中，所述非线性元件与所述第一部分进行连接，所述外部导体 和所述第一部分形成用于对IF信号进行滤波的滤波器装置；以及核心导体，套入在所述内部导体的所述第二部分中，其中，所 述核心导体和所述第二部分形成用于隔离偏置电压并且输出滤波后的IF信号的DC隔离装置。
7. 如权利要求1所述的宽带波导混频器，其中，所述波导包括 间隔一定距离的第一板和第二板，所述V形槽设置在所述第一板和 所述第二板中的至少一个的内表面中，所述第一板和所述第二板的内表面具有金属属性。
8. 如权利要求7所述的宽带波导混频器，其中，所述宽带天线 基本上垂直于所述第一板和所述第二板的内表面。
9. 如权利要求1所述的宽带波导混频器，其中，所述宽带天线 是偶极天线。
10. —种高频电磁波接收器，包括宽带波导混频器，包括波导，在其内表面中设置有大体上为V形的槽； 宽带天线，设置在所述V形槽中；以及混频装置，用于对由所述宽带天线接收的信号进行混频；以及中频处理装置，用于对混频后的信号进行进一步处理。
11. 如权利要求io所述的高频电磁波接收器，其中，所述宽带波导混频器还包括介质片，设置在所述V形槽内，所述宽带天线形成于所述介质 片上。
12. 如权利要求11所述的高频电磁波接收器，其中，所述波导包括间隔一定距离的第一板和第二板，所述V形槽设置在所述第一板和所述第二板的至少一个的内表面中，所述第一板和所述第二板的 内表面具有金属属性。
13. 如权利要求12所述的高频电磁波接收器，其中，所述宽带 天线基本上垂直于所述第一板和所述第二板的内表面。
14. 如权利要求IO所述的高频电磁波接收器，其中，所述宽带 天线是偶极天线。
全文摘要
本发明提供了一种宽带波导混频器，包括波导，在其内表面上具有大体上为V形的槽；宽带天线，其耦合在所述V形槽中；以及混频装置，用于将由所述宽带天线接收到的信号进行混频。本发明还提供了一种包括上述宽带波导混频器的高频电磁波接收器。该宽带波导混频器和高频电磁波接收器的优点在于宽的单一模式工作频带、较低损耗、较低噪声，并且它们能够容易地以较低成本进行生产和装配。
文档编号H01P3/00GK101185194SQ200680013494
公开日2008年5月21日 申请日期2006年4月17日 优先权日2005年4月22日
发明者勇 刘, 云 袁 申请人:Nxp股份有限公司