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(xiàn)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。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(jù)指標要求進行分析：在輸入功率10～17 dBm時直接實現(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，所以設計采用兩次二倍頻實現(xiàn)。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(lián)而成，便于維修及調試。經過以上分析，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4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(jù)倍頻理論，在微波電路中只要并聯(lián)或串聯(lián)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。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(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。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。

　　流經負載電阻RL的電流為：

　　將v=Vcos(ω1t)代入上式并展開成級數(shù)得到：

　　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(xiàn)了對輸入頻率偶次倍頻。當然以上結果是在電路平衡的情況下得到的，實際電路不可能平衡，電路的性能就會變差。

　　要實現(xiàn)原理圖所示的平衡二倍頻器，關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渡實現(xiàn)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。電路尺寸通過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，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(yōu)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(xiàn)

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(xiàn)，輸出的33～50 GHz信號通過探針過渡，實現(xiàn)微帶到波導的輸出并保證電路的密封要求。

　　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S21(dB)，下面一條曲線表示探針過渡結構的S11(dB)，橫軸表示仿真頻率33～50 GHz。得到實物后，再根據(jù)測試結果做一定調試，就能得到比較滿意的結果。