一、引言

根據一種雷達微波鎖相本振的需要，本文作者研制了一個X波段的微波鑒頻器。這個鑒頻器的研制早在1989年就已完成，于1991年投入小批量生產。它的鑒頻特性好，性能穩定可靠，在生產過程中已經表現出良好的社會效益和經濟效益。

二、鑒頻器的工作原理

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

圖1  鑒頻器的原理示意圖

從原理圖1的信號關系可以得出：
 
在第二個3dB耦合器的兩個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后比另一條基準路徑附加的相位移。
 
因為 ，（3）式可改寫成

將線內波長代入（4）式，可以得到

式中，
——自由空間中電磁波的傳播速度；
——輸入射頻信號的頻率。
ξr——介質基片的相對介電常數；

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

鑒頻器的射頻信號經過兩條路徑的電長度相差延遲線Δλ。經過兩檢波器檢波得到的視頻信號同時送到視頻放大器中相迭加。其輸出的視頻輸出信號就是我們所要求的鑒頻器輸出信號。隨著射頻輸入信號的頻率的變化，這個鑒頻器的輸出信號的幅度應該是線性變化的，即對應于輸出信號的某一幅度值只能有一個頻率，它是單值的。如果將鑒頻器的輸出信號幅度在示波器屏上顯示出來，它就應該是一條直線，確切一點說，應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的值可以適當選取，它可為1、3、5、7、9等等。但是n值的大小會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隨頻率變化就呈現多個周期，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，這個頻率范圍就大些。當然，這個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變差。所以要根據使用要求適當的選取n的值。既要滿足線性要求，又要能達到要求的頻率范圍。

三、鑒頻器的設計和制作

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

圖2 鑒頻器的微波電路片

在鑒頻器的設計過程中，我們注意到影響鑒頻器的鑒頻特性的關鍵部件是檢波器，對它的匹配要求很高。兩個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都要很接近。就是說其一致性要很好。檢波器前面的兩個3dB90°耦合器要求具有較好的隔離。尤其是處在射頻信號輸入端的那一個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3dB90°耦合器外，兩個檢波器中也各有一個這種耦合器，也就是說總共有四個耦合器。為了方便和制作工藝的簡單易于實現，采用了四個相同的耦合器。

本文作者曾經在《微波》上發表的文章《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。在我所設計制作的X波段雷達微波鎖相本振用的微波鑒頻器要求的頻率范圍內，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前要設計的鑒頻器中了。

對于檢波器要求輸入電壓駐波比較好，要力求避免射頻信號及其電路中產生的諧波的多重反射。這種多重反射會嚴重地影響檢波器的駐波特性及其輸出頻率響應的平坦性。由三分支線定向耦合器、兩個肖特基勢壘檢波二極管及其后面的低通濾波器構成的檢波器是一種性能較好的平衡檢波器。肖特基勢壘檢波二極管后面的低通濾波器在這里是設計來足以將射頻信號及其諧波旁路掉，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的長度來確定。這個延遲線是50歐姆阻抗線，它只是比另一路徑長了這么一個長度而已。

整個鑒頻器電路是印制在一塊RT/Duroid 5880 基片材料上。印制電路的重復性很好，鑒頻特性比較一致。一對特性較一致的肖特基勢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。

由于采用的電路結構是對稱印制帶線的，檢波二極管是埋在RT/Duroid 5880基片的孔內，所以電路結構相當穩定可靠。第一個三分支線定向耦合器和兩個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歐姆負載。這三個50歐姆負載的駐波特性都在1.1左右，可以單獨用網絡分析儀檢測。

鑒頻器由于使用的肖特基勢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。這可以通過調整后面所接視頻放大器的增益來得到調整。批生產的鑒頻器典型的測試鑒頻特性曲線見圖3。如圖所示，該曲線呈現的最大鑒頻頻率誤差小于±5MHz，在－55℃至＋70℃的溫度范圍內鑒頻特性基本保持不變。

圖3 鑒頻器的測試鑒頻特性曲線

四、結論

鑒頻器經過小批量生產，已被證明其鑒頻特性穩定可靠。全部電路印制在同一塊基片上，保證了性能的復現性，使生產變得更容易了。

鑒頻器的良好線性是基于微波集成技術的發展。全部電路印制在同一塊基片上，保證了電路印制線的長度被嚴格的控制。除了我們所要求的延遲線Δλ外，沒有其它多余的不便控制的線長度產生，消除了影響電壓駐波比的不連續性。巧妙而適用的電路設計較好地控制了檢波二極管產生的諧波反射，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，大大簡化了制作工藝。采用外接50歐姆負載，避開了內負載制作時不易準確控制的情況，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現。

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。