W波段90-96GHz二倍頻器設(shè)計(jì)

趙娥 電子科技大學(xué) 四川成都 610051

引言

W波段是毫米波中重要的窗口頻率，對于該頻段電子器件的研究具有重要意義。目前，國外多采用變?nèi)莨軐?shí)現(xiàn)倍頻器，但是國內(nèi)階段毫米波工藝相當(dāng)落后，國內(nèi)采用電阻性倍頻的較多。本文采用無封裝的倒裝二極管芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)W波段微帶二倍頻器。接下來將詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)過程，其中第一部分介紹倍頻器的結(jié)構(gòu)，并仿真了倍頻器的各分模塊，第二部分給出了整體仿真的結(jié)果，最后是結(jié)論部分。

1 倍頻器的結(jié)構(gòu)

二倍頻器輸入信號頻率范圍為45-48GHz，輸入信號經(jīng)過波導(dǎo)微帶過渡、低通濾波器、輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、二極管、輸出匹配、帶通濾波器、輸出過渡后由波導(dǎo)輸出。倍頻器電路制作在Rogers 5880 基板上，其基板厚度為0.127mm，介電常數(shù)為2.2。

1.1 二極管的選擇

本設(shè)計(jì)采用一款無封裝的倒裝二極管芯片實(shí)現(xiàn)二倍頻，即Skyworks公司生產(chǎn)的DMK-2790二極管（尺寸為0.66mm0.33mm）。由其具體Spice參數(shù)可以知道其結(jié)電容和串聯(lián)電阻都很小，這種無封裝電容和引線電感影響的二極管可應(yīng)用于制造20-100GHz的檢波器和倍頻器。

1.2 濾波器

在倍頻器結(jié)構(gòu)中，輸入端低通濾波器主要是用來阻止倍頻器產(chǎn)生的高次諧波向輸入端傳播，也就是在二極管輸入端呈現(xiàn)較小的諧波阻抗。輸出端帶通濾波器主要是用來選擇要求輸出的頻率信號，抑制基波信號和其他不需要的諧波分量。本文采用ADS軟件中的濾波器設(shè)計(jì)控件來實(shí)現(xiàn)濾波器的仿真，實(shí)現(xiàn)的濾波器S參數(shù)曲線如圖1及圖2所示。

圖1 輸入端低通濾波器的S參數(shù)仿真

圖2 輸出端帶通濾波器的S參數(shù)仿真

2 非線性分析

將電路各部分相連后具體電路圖如圖3所示。利用ADS中的諧波平衡技術(shù)，可以獲得倍頻器的性能。通過對相位時(shí)移線的長度的調(diào)諧，可以調(diào)節(jié)倍頻器的輸出二次諧波功率、輸入回波損耗、諧波抑制度等。中心頻點(diǎn)處的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 二倍頻器的非線性仿真

圖4 46.5GHz信號經(jīng)過倍頻后的測試結(jié)果

將45-48GHz各頻點(diǎn)的測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)在表1中。由表中測試結(jié)果可以看出當(dāng)輸入功率為15dBm時(shí)，在90-96GHz范圍內(nèi)，輸出功率都大于5dBm，其中最大輸出功率為7.489dBm，而三次諧波輸出功率均小于-60dBm，基波輸出功率均小于-49dBm，達(dá)到了倍頻效果及項(xiàng)目的目標(biāo)要求。

表1 測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過對二極管倍頻器工作原理的分析，利用ADS諧波平衡技術(shù)，對二次倍頻二極管進(jìn)行大信號S參數(shù)分析，得到較好的二次諧波負(fù)載，并進(jìn)行二次倍頻器電路的匹配。該仿真結(jié)果在輸入功率為15dBm時(shí)，在90-96GHz范圍內(nèi)，輸出功率都大于5dBm，其中最大輸出功率為7.489dBm，證明了所提方案具有較好的可實(shí)踐性。