SIW旋磁倍頻器的研究*

肖 宇，汪曉光

（電子科技大學，四川 成都 611731）

0 引 言

隨著微波技術在移動電話、無線通信、個人通信網、全球定位系統及雷達、電子對抗等方面的廣泛應用，非線性電路在上述系統中的設計成為亟待解決的主要問題，而設計的基礎在于對非線性器件大信號特性的分析[1]。

近年來，SIW結構的興起，促使SIW在天線、功分器和濾波器等方面的應用層出不窮。SIW器件具有比矩形波導更小的尺寸，比微帶結構更高的品質因數和更小的插入損耗。此外，SIW結構可以使用平面電路的制造過程將其他平面或非平面電路輕松集成[2]。與傳統平面電路相比，SIW的主要優點是成本低，易于用標準印刷電路板（PCB）機械制造。此外，與其他平面傳輸線相比，SIW的品質因數Q更高[3]。

目前，國內外對倍頻器的研究主要集中在毫米波段，且較流行的應用是單頻或窄帶信號的上變頻，在微波頻段的寬帶信號的應用較少[4]。本文針對K波段進行寬帶無源倍頻器設計，成功研制了一個18.75～19.25 GHz的倍頻器。該倍頻器在輸入功率30 dBm的情況下，中心頻率處的諧波分量大于20 dBm。該倍頻器具有無源大功率特性，且易于集成。

利用旋磁鐵氧體設計的大功率無源倍頻器，具有結構簡單、功率大、易于集成、倍頻效率高等特點，將會拓展倍頻器的設計，將越來越受人們的重視。

1 旋磁鐵氧體倍頻器原理

旋磁鐵氧體倍頻器的主要機理是利用旋磁鐵氧體非線性產生諧波實現倍頻。鐵氧體傳輸線具有非線性電感，根本原因在于鐵氧體的磁化強度M是關于磁場H的非線性函數。因此，可以通過M隨H的變化關系表達式來推導鐵氧體傳輸線的非線性特性[5]。如圖1所示，磁化強度M和磁場H成非線性，對應的磁導率也成非線性。

圖1 磁化曲線與磁導率

M隨H的變化關系可以使用朗道-吉爾伯特（L-G）形式進動方程表示為[6]：

式中：Ms為飽和磁化強度；γ為旋磁比，對于鐵氧體通常當常數對待，即γ=-1.76×1011（rad/（s·T）；σ為標志磁損耗的無量綱阻尼系數。

鐵氧體內部磁矩在外場下運動，影響了鐵氧體傳輸線中波的傳播，進而影響了磁芯內部磁矩的運動。電磁波在非線性鐵氧體傳輸線中的傳播過程可用一維傳輸線方程表示為：

式中：C0和L(i)分別為傳輸線單位長度的電容和電感，進一步表示成：

式中：M為磁化強度，H為內場。

由得到的旋磁鐵氧體的非線性，設計一個飽和磁矩在3 000 gauss±1 000 gauss、內場在130 000A/M±50 000A/M的SIW旋磁鐵氧體倍頻器。

2 旋磁鐵氧體倍頻器的設計

2.1 SIW傳輸線的設計

設計10～20 GHz基頻傳輸的SIW傳輸線，結構和結果分別如圖2、圖3所示。

圖2為雙排金屬通孔傳輸線，圖3為傳輸線的S11和 S21曲線，其中 S21＞-0.01 dB，S11＜-30 dB。

2.2 旋磁鐵氧體倍頻器的設計

在旋磁鐵氧體無源倍頻器的設計中，最重要是確定鐵氧體的非線性工作點。通過上述原理，計算得到鐵氧體的非線性點為飽和磁矩在3 000 gauss±1 000 gauss，內場在130 000A/M±50 000A/M，這個范圍的非線性較強。選取飽和磁矩在3 500 gauss，內場在130 000A/M附近的工作點。器件結構采用鐵氧體圓柱嵌入SIW傳輸線，結構如圖4、圖5所示。

圖2 SIW傳輸線結構

圖3 SIW傳輸線S參數

圖4 為旋磁鐵氧體圓柱結構，圖5為SIW旋磁鐵氧體倍頻器結構。

2.3 旋磁鐵氧體倍頻器調試

由于非線性點的確定和頻率、材料、器件結構的各個尺寸有關，因此下面將研究相關參數對倍頻效率的影響。

2.3.1 鐵氧體半徑變化對非線性點的研究

鐵氧體半徑的改變將影響倍頻器的匹配和諧振等特性，計算得到頻率和倍頻效率隨半徑的變化分別如圖6、圖7所示。

圖4 鐵氧體圓柱結構

圖5 SIW旋磁鐵氧體倍頻器結構

圖6 非線性頻率中心點隨鐵氧體半徑的變化

圖7 S參數隨鐵氧體半徑的變化

由圖6可知，隨著鐵氧體半徑的增大，倍頻器呈現感性，頻率點左移。由圖7可知，倍頻效率隨著半徑的增大先變好再變差，在中心頻率19 GHz附近，半徑為3.8 mm有較好的倍頻效率。

2.3.2 SIW傳輸線高度變化對非線性點的研究

SIW傳輸線高度變化會改變器件的容感性，具體影響如圖8、圖9所示。

圖8 非線性頻率中心點隨SIW高度的變化

圖9 S參數隨SIW高度的變化

由圖8可知，SIW傳輸線高度對頻率的影響成線性。由圖9可知，SIW傳輸線高度越小，倍頻效率越低，原因是原倍頻器呈現感性，SIW高度降低，容性增加，倍頻效率提高。

2.3.3 鐵氧體內場變化對非線性點的研究

鐵氧體內場改變將影響鐵氧體的非線性點，具體影響如圖10、圖11所示。

圖10 非線性頻率中心點隨鐵氧體內場變化

圖11 S參數隨鐵氧體內場的變化

由圖10可知，SIW內場增加，頻率增加。由圖11可知，倍頻器隨內場增大，倍頻效率先變好再變差，在中心頻率為19 GHz附近，內場為150 000A/M具有較好的倍頻效率。

2.3.4 鐵氧體飽和磁矩變化對非線性點的研究

鐵氧體飽和磁矩改變將影響鐵氧體的非線性點，具體影響如圖12、圖13所示。

由圖12可知，飽和磁矩的增加，頻率點右移。由圖13可知，飽和磁矩的增加，倍頻效率先增加后減小，在中心頻率為19 GHz附近，飽和磁矩為3 700 gauss具有較好的倍頻效率。

圖12 非線性頻率中心點隨鐵氧體飽和磁矩的變化

圖13 S參數隨鐵氧體飽和磁矩的變化

擬合得到中心頻率19 GHz效率為74%，計算得到的場和S參數，如圖14、圖15所示。

圖14為旋磁鐵氧體倍頻器中心頻率19 GHz處的電場圖，是直觀的倍頻場圖實驗結果。圖15為旋磁鐵氧體倍頻器中心頻率19 GHz的S參數曲線，其帶內S11和S21最佳處可低于-8.5 dB。

3 結 語

本文成功研制了一個18.75～19.25 GHz旋磁鐵氧體無源倍頻器，實現了在輸入功率30 dBm的情況下，中心頻率處的諧波分量大于20 dBm。此外，研究鐵氧體非線性點隨器件各個參數變化的規律，為鐵氧體無非線性的研究提供了有效的方法和經驗。可見，它具有應用于SIW集成研發、大功率倍頻、大功率非線性系統的能力，具有重大的應用價值。

圖14 19 GHz頻率點場圖

圖15 中心頻率19 GHz S參數