0 引言

　　毫米波寬帶倍頻器是毫米波頻率合成的關(guān)鍵器件之一，有著廣泛的應(yīng)用背景。倍頻器基本都是利用半導(dǎo)體器件的非線性特性產(chǎn)生輸入信號(hào)的多次諧波，同時(shí)配合Balun電橋、諧波提取電路等實(shí)現(xiàn)多次倍頻信號(hào)的輸出。目前，半導(dǎo)體器件的非線性電阻或電抗特性是構(gòu)成倍頻器的基礎(chǔ)，而容性非線性電抗在實(shí)際電路中得到的應(yīng)用較多，變?nèi)?a target="_blank">二極管、階躍恢復(fù)二極管和FET三端器件都是倍頻電路中廣泛采用的器件。本文在簡(jiǎn)要分析非線性倍頻理論的基礎(chǔ)上，介紹了一種毫米波寬帶倍頻器的工程設(shè)計(jì)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，輸入、輸出相互垂直。

　　根據(jù)指標(biāo)要求進(jìn)行分析：在輸入功率10～17 dBm時(shí)直接實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)采用兩次二倍頻實(shí)現(xiàn)。這樣對(duì)于每次倍頻后需提取的諧波，倍頻損耗較少，對(duì)放大器要求降低；同時(shí)分兩次二倍頻也有助于提高輸出的雜波抑制。

　　四倍頻后的輸出采用微帶到波導(dǎo)的探針過(guò)渡，整個(gè)倍頻器設(shè)計(jì)在一個(gè)小型密封腔體內(nèi)，由倍頻、放大、濾波等多個(gè)模塊級(jí)聯(lián)而成，便于維修及調(diào)試。經(jīng)過(guò)以上分析，得到整個(gè)毫米波寬帶倍頻器的原理框圖如圖1所示。

圖1  毫米波4倍頻器原理框圖

2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2．1 二倍頻電路

　　按照方案設(shè)計(jì)，整個(gè)倍頻器包含兩個(gè)二倍頻模塊，其原理和電路結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)方法。

　　選用二極管作為倍頻器件，根據(jù)倍頻理論，在微波電路中只要并聯(lián)或串聯(lián)一個(gè)二極管，都會(huì)因?yàn)槠浞蔷€性電抗產(chǎn)生倍頻作用，配合相應(yīng)的匹配電路和濾波電路就構(gòu)成了一個(gè)基本的倍頻器。但是，這樣的倍頻器效率較低，實(shí)際的倍頻器通常都采用多個(gè)二極管構(gòu)成平衡結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)對(duì)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(duì)于輸入和輸出信號(hào)分別以反向并聯(lián)和串聯(lián)形式接入，原理如圖2所示。

圖2  二極管平衡倍頻電路原理圖

　　該電路實(shí)際上是一種全波整流電路，其中輸入信號(hào)的前半個(gè)周期上面一只二極管導(dǎo)通，后半個(gè)周期下面一只二極管導(dǎo)通，流經(jīng)每個(gè)二級(jí)管的電流分別為。其中：is為反向飽和電流。

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

　　流經(jīng)負(fù)載電阻RL的電流為：

　　將v=Vcos(ω1t)代入上式并展開(kāi)成級(jí)數(shù)得到：

　　由此可見(jiàn)，輸出電流中只包含輸入頻率的偶次諧波分量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入頻率偶次倍頻。當(dāng)然以上結(jié)果是在電路平衡的情況下得到的，實(shí)際電路不可能平衡，電路的性能就會(huì)變差。

　　要實(shí)現(xiàn)原理圖所示的平衡二倍頻器，關(guān)鍵電路就是安裝反向并聯(lián)二極管的平衡電路，以及將平衡電路轉(zhuǎn)換成單端輸出的Balun電橋。

　　采用CPW作為安裝并聯(lián)器件的平衡電路，為了與CPW配合，使用槽線到微帶的過(guò)渡實(shí)現(xiàn)Balun電橋。整個(gè)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(shí)線為正面電路，虛線為背面電路。電路尺寸通過(guò)在三維仿真軟件建模優(yōu)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(duì)，安裝在背面CPW和槽線連接處。將整個(gè)結(jié)構(gòu)在ADS中進(jìn)行仿真、優(yōu)化，結(jié)果如圖4所示(其中橫軸表示輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率，單位：GHz；縱軸表示輸出信號(hào)的功率，單位：dBm)。

圖3  平衡二倍頻電路的實(shí)現(xiàn)

圖4  二倍頻電路仿真結(jié)果

　　圖4的仿真結(jié)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(mǎn)足圖1中方案設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)由仿真結(jié)果可以看出，奇次諧波得到很好的抑制，與理論分析結(jié)果一致。

　　2．2 微帶到波導(dǎo)的探針過(guò)渡

　　整個(gè)倍頻器通過(guò)混合集成的工藝實(shí)現(xiàn)，輸出的33～50 GHz信號(hào)通過(guò)探針過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)微帶到波導(dǎo)的輸出并保證電路的密封要求。

　　探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)比較成熟，在HFSS中針對(duì)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(dǎo)的探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)

圖6  微帶到波導(dǎo)的探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

　　圖6中上面一條曲線表示探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)的S21(dB)，下面一條曲線表示探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)的S11(dB)，橫軸表示仿真頻率33～50 GHz。得到實(shí)物后，再根據(jù)測(cè)試結(jié)果做一定調(diào)試，就能得到比較滿(mǎn)意的結(jié)果。