一種毫米波寬帶倍頻器設計

摘 要:毫米波寬帶倍頻器是毫米波頻率合成的關鍵器件之一。簡要總結了倍頻電路的基本原理，并以此為基礎，從理論分析、毫米波Balun電橋等關鍵電路的設計及工藝實現上介紹了一種毫米波四倍頻器的設計過程。經過實際測試，該毫米波四倍頻器輸出頻率為33~50 GHz，輸出功率大于10 dBm，諧波抑制大于20 dBc，各項指標完全達到國外同類產品水平。

關鍵詞:毫米波; 倍頻器; Balun電橋; 寬帶

中圖分類號:TN454 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0045-03

Design of Millimeter-wave Broadband Frequency Multiplier

YANG Xian-guo， HE Jun-cen， YANG Xiu-qiang

(Southwest Institue of Electronic Equipments， Chengdu 610036， China)

Abstract: Millimeter-wave broadband frequency multipliers play an important role in the millimeter-wave frequency synthesizers. The basic principle of frequency multipliers and design process is briefly summarized， including theoretical analysis， critical circuits design such as millimeter-wave Balun bridge and process implementation. According to the test results， a signal of 33~50 GHz is achieved，whose output power is greater than 10 dBm and harmonic suppression is greater than 20 dBc. Its all index fully meet the level of foreign products.

Key words:millimeter-wave; frequency multipliers; Balun bridge; broadband

0 引 言

毫米波寬帶倍頻器是毫米波頻率合成的關鍵器件之一，有著廣泛的應用背景。倍頻器基本都是利用半導體器件的非線性特性產生輸入信號的多次諧波，同時配合Balun電橋、諧波提取電路等實現多次倍頻信號的輸出。目前，半導體器件的非線性電阻或電抗特性是構成倍頻器的基礎，而容性非線性電抗在實際電路中得到的應用較多，變容二極管、階躍恢復二極管和FET三端器件都是倍頻電路中廣泛采用的器件[1，2]。本文在簡要分析非線性倍頻理論的基礎上，介紹了一種毫米波寬帶倍頻器的工程設計方法。

1 方案分析

本文主要討論X波段到7 mm波段的毫米波寬帶四倍頻器，其指標如下:輸入頻率8.25~12.5 GHz，功率10~17 dBm;輸出頻率33~50 GHz，功率大于10 dBm;諧波抑制大于20 dBc;電源+12 V/600 mA;輸入接頭為SMA-K，輸出接頭為WR22標準波導，輸入、輸出相互垂直。

根據指標要求進行分析:在輸入功率10~17 dBm時直接實現X波段到7 mm波段的四倍頻，倍頻損耗太大，提取四次諧波并放大到要求的輸出功率難度較大，所以設計采用兩次二倍頻實現。這樣對于每次倍頻后需提取的諧波，倍頻損耗較少，對放大器要求降低;同時分兩次二倍頻也有助于提高最后輸出的雜波抑制。

四倍頻后的輸出采用微帶到波導的探針過渡，整個倍頻器設計在一個小型密封腔體內，由倍頻、放大、濾波等多個模塊級聯而成，便于維修及調試。經過以上分析，最后得到整個毫米波寬帶倍頻器的原理框圖如圖1所示。

圖1 毫米波四倍頻器原理框圖

2 關鍵電路設計

2.1 二倍頻電路

按照方案設計，整個倍頻器包含兩個二倍頻模塊，其原理和電路結構相同，這里以8.25~12.5 GHz到16.5~25 GHz的倍頻模塊為例，介紹二倍頻電路的設計方法。

選用二極管作為倍頻器件，根據倍頻理論，在微波電路中只要并聯或串聯一個二極管，都會因為其非線性電抗產生倍頻作用，配合相應的匹配電路和濾波電路就構成了一個基本的倍頻器[3-4]。但是，這樣的倍頻器效率較低，實際的倍頻器通常都采用多個二極管構成平衡結構，以增強對不需要諧波的抑制，提高倍頻效率。

本文也采用平衡倍頻電路，兩只同樣的二極管相對于輸入和輸出信號分別以反向并聯和串聯形式接入，原理如圖2所示[5]。

圖2 二極管平衡倍頻電路原理圖

該電路實際上是一種全波整流電路，其中輸入信號的前半個周期上面一只二極管導通，后半個周期下面一只二極管導通，流經每個二級管的電流分別為i1=is(e-αv-1)，i1′=is(eαv-1)。其中:is為反向飽和電流。

α=1/(nkT)=1/(ηVt)

式中:n是理想因子;k為波爾茲曼常數;T為絕對溫度;η是二極管的效率常數;Vt=T/16 000，是溫度的等值電壓。

流經負載電阻RL的電流為:

iL=0.5(i1+i1′)=is[cosh(αV)-1]

將v=Vcos (ω1t)代入上式并展開成級數得到:

iL=i0-is+2∑∞n=2[incos(nω1t)]

由此可見，輸出電流中只包含輸入頻率的偶次諧波分量，實現了對輸入頻率偶次倍頻。當然以上結果是在電路絕對平衡的情況下得到的，實際電路不可能絕對平衡，電路的性能就會變差[6-7]。

要實現原理圖所示的平衡二倍頻器，關鍵電路就是安裝反向并聯二極管的平衡電路，以及將平衡電路轉換成單端輸出的Balun電橋。

采用CPW作為安裝并聯器件的平衡電路，為了與CPW配合，使用槽線到微帶的過渡實現Balun電橋。整個電路分上下兩面，采用薄膜工藝制作在陶瓷基片上，如圖3所示。實線為正面電路，虛線為背面電路[8]。電路尺寸通過在三維仿真軟件建模優化得到。

為了提高二極管的一致性以及便于安裝，選用T字型封裝的梁式引線二極管對，安裝在背面CPW和槽線連接處。將整個結構在ADS中進行仿真、優化，結果如圖4所示(其中橫軸表示輸出信號對應的頻率，單位:GHz;縱軸表示輸出信號的功率，單位:dBm)。

圖3 平衡二倍頻電路的實現

圖4 二倍頻電路仿真結果

圖4的仿真結果是在輸入功率+13 dBm情況下得到的，由此可算出倍頻損耗為10 dB，滿足圖1中方案設計的要求。同時由仿真結果可以看出，奇次諧波得到很好的抑制，與理論分析結果一致。

2.2 微帶到波導的探針過渡

整個倍頻器通過混合集成的工藝實現，最后輸出的33~50 GHz信號通過探針過渡，實現微帶到波導的輸出并保證電路的密封要求[9-10]。

探針過渡結構比較成熟，在HFSS中針對輸出頻段建模并仿真，即可得到所需的尺寸，如圖5、圖6所示。

圖5 微帶到波導的探針過渡結構

圖6 微帶到波導的探針過渡結構仿真結果

圖6中上面一條曲線表示探針過渡結構的S21 (dB)，下面一條曲線表示探針過渡結構的S11 (dB)，橫軸表示仿真頻率33～50 GHz。得到實物后，再根據測試結果做一定調試，就能得到比較滿意的結果。

3 測試結果及分析

完成上述關鍵電路的設計后，再配合模塊化的放大器和濾波器，就得到了整個毫米波四倍頻器，如圖7所示。

圖7 毫米波寬帶四倍頻器外觀圖

對其關鍵指標測試，工作帶寬及輸出功率測試結果如圖8所示。

圖8 倍頻器輸出頻段及功率

其中橫軸表示測試的頻率范圍為30～50 GHz，縱軸表示輸出頻譜的功率dBm。可見，該倍頻器實現了33~50 GHz頻段內的四倍頻輸出，并且全頻段的輸出功率均大于10 dBm，滿足指標要求。

諧波抑制方面，因為該倍頻器工作頻帶較寬，所以低端輸入頻率的五次諧波會落入工作頻帶以內，其諧波抑制應該最差，對最差的這種情況進行測試，結果如圖9所示。橫軸表示輸出信號的頻率GHz，縱軸表示輸出信號的功率dBm。可見，此時的諧波抑制為23 dBc，滿足設計要求。

圖9 倍頻器諧波抑制測試曲線

4 結 語

論述了毫米波寬帶倍頻器的設計原理和電路實現方式，重點分析了毫米波Balun電橋、微帶到波導的探針過渡等關鍵電路的仿真設計，并以此為基礎，采用混合集成工藝，成功地設計了一個毫米波寬帶四倍頻器。通過實際測試結果可以看出，該倍頻器具有全密封，體積小，可靠性高等特點，各項指標達到國外同類產品水平，可以全面替代相應頻段的進口器件。

參考文獻

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