第3部分 微波毫米波有源器件及電路

八毫米波寬帶三倍頻器

汪 波 謝秩嵐 游九洲 王正偉

（九洲電器集團(tuán)公司 四川綿陽621000）

摘 要：本文主要對(duì)八毫米波無源三倍頻器的寬帶實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。利用減高波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了輸出頻率為33GHz～50GHz 的無源三倍頻器，其在整個(gè)頻帶內(nèi)變頻損耗為 18.2±2dB，帶內(nèi)回波損耗大于 6dB，相位噪聲惡化小于10.5dB。

關(guān)鍵詞：毫米波，三倍頻器，減高波導(dǎo)，變頻損耗

Eight Millimeter-wave Broad-band Tripler

Wang Bo Xie Zhilan You Jiuzhou Wang Zheng Wei

(Jiuzhou Electric Group Co.Ltd , Mianyang Sichuan 621000)

Abstract:This paper describes the design of broadband passive tripler base on eight millimeter-wave. By lower waveguide, passive tripler is achieved. The output frequency of the passive tripler is 33GHz to 50GHz. In this band, the conversion loss is 18.2±2dB, the return loss is more than 6dB, the phase noise figure deterioration is less than 10.5dB.

Keywords:millimeter-wave，tripler，lower waveguide，conversion loss

1 引言

毫米波倍頻器是毫米波技術(shù)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，它可以降低毫米波設(shè)備的主振頻率和擴(kuò)展工作頻率。同時(shí)，又把微波設(shè)備所具有的優(yōu)點(diǎn)，如高頻率穩(wěn)定度及微波調(diào)制器的調(diào)制特性等擴(kuò)展到毫米波波段。國內(nèi)外對(duì)倍頻器的研究已有報(bào)道，如采用變?nèi)荻O管作毫米波倍頻器，這種倍頻器變頻損耗較低，但只限于窄帶，作為測試的儀器，寬頻帶是主要的指標(biāo)，所以采用電阻性梁式引線肖特基勢磊二極管作寬帶倍頻器件而獲得毫米波信號(hào)源是最具有前景的方法。盡管電阻性倍頻的效率不是很高，一般不會(huì)大于 ²1 n （n 為諧波次數(shù)），但它能實(shí)現(xiàn)一到兩個(gè)倍頻程的帶寬。Rainer Bitzer 采用梁式引線肖特基勢磊二極管和由微帶線、共面線、縫線構(gòu)成的輸出巴倫結(jié)構(gòu)，在陶瓷基片上實(shí)現(xiàn) 6－18GHz 的寬帶倍頻，變頻損耗為 9dB.此時(shí)輸入功率為20dBm，這種體積小而廉價(jià)的倍頻器，可用來產(chǎn)生寬待測試一起的本振信號(hào)。S.A.Maas 采用肖特基勢壘二極管和利用類似于 Marchand 平面巴倫結(jié)構(gòu)的輸入、輸出巴倫，實(shí)現(xiàn)了 16 到 40GHz 的二倍頻器。其變頻損耗為 12dB，輸出功率為 2dBm，對(duì)基波的抑制為20dBc^[1][2]。

2 肖特基二極管反向并聯(lián)對(duì)的工作原理

以肖特基二極管為例，推導(dǎo)一下反向并聯(lián)肖特基二極管的諧波特性。如圖 1 是兩個(gè)相同肖特基二極管反向并聯(lián)的電路圖。從圖中可得總電流為

單個(gè)肖特基勢壘二極管的電流特性是

兩個(gè)二極管極性相反地并聯(lián)在一起時(shí)，如圖 2所示，這時(shí)兩管的電流分別為

由上式可見，由于電流 i 是奇函數(shù)，其展開式中沒有偶次項(xiàng)。所以利用兩個(gè)相同的肖特基勢壘二極管反向并聯(lián)可以對(duì)基波進(jìn)行奇次倍頻，其直接抑制了偶次諧波[1]。

3 倍頻器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

毫米波倍頻器有有源倍頻和無源倍頻之分，無源具有低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡單。根據(jù)不同的倍頻次數(shù)，無源倍頻器又有不同的連接方式，參 考文 獻(xiàn)[1]分析了反向并聯(lián)二極管對(duì)可輸出不含偶次諧波的奇次倍頻；反向串聯(lián)二極管對(duì)可輸出不含奇次諧波的偶次倍頻。本論文主要是對(duì)無源毫米波三倍頻的研究，因此根據(jù)無源、三倍頻等要求決定了利用二極管倍頻， 為了減小偶次諧波分量，因此采用了如圖2所示的基本結(jié)構(gòu)，以完成三次倍頻。

輸入低通濾波器采用帶狀線枝節(jié)濾波器，在11GHz～17GHz，其指標(biāo)是通帶插損小于 1dB，帶內(nèi)反射大于 15dB，帶外抑制大于 50dB[1]。為了滿足寬帶的要求，輸入匹配利用漸變懸置微帶。為了過渡方便，帶狀線濾波器和懸置微帶都采用RT5880 基板。輸出匹配電路和輸出高通濾波器同時(shí)采用減高波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)，其中減高波導(dǎo)可以降低特性阻抗與倍頻二極管的輸出阻抗匹配，然而波導(dǎo)自身的高通特性可用作為高通濾波器[4]。其輸出結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。圖 3 中減高波導(dǎo)的輸出端為 BJ—400的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，匹配端的波導(dǎo)高度為 0.5mm，寬度為5.69mm，加工時(shí)允許的誤差是±0.02 mm，內(nèi)表面光潔度要求▽0.8。

圖 3 中短路活塞起到調(diào)諧的作用，圖中肖特基二極管選擇了Aeroflex / Metelics公司的MGS901。該公司的 MGS 系列是 GaAs 的梁式引線肖特基勢壘二極管，頻率可以用到 60GHz。設(shè)計(jì)中利用的輔助軟件 ADS 對(duì)模型進(jìn)行諧波仿真[3]。圖 4 給出了倍頻器實(shí)物圖.

4 測試結(jié)果與分析

倍頻器的主要技術(shù)指標(biāo)有帶內(nèi)回波損耗、變頻損耗以及相噪特性。圖 5 給出了無源三倍頻器變頻損耗和回波損耗的測試結(jié)果和仿真結(jié)果，結(jié)果表明倍頻器的最大變頻損耗是 20dB，最低效率為 1％；最小的變頻損耗 16.5dB，最高效率是 2.2％。通過比較，倍頻器的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果相當(dāng)，但變頻損耗在低端時(shí)，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的差異較大，最大達(dá)到了5 dB。而回波損耗在14GHz以上，測試結(jié)果比仿真結(jié)果差5dB，最大差了10dB以上。

由于儀器的限制，該測試方法只能對(duì)倍頻器輸出40GHz以下的信號(hào)進(jìn)行相位噪聲測試。測試中選擇了 11GHz、12GHz 和 13GHz 三個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行測試。表 1 給出了相位噪聲的測試結(jié)果，在所測頻點(diǎn)中，最大的相位噪聲惡化為 10.5dB。理想三倍頻器相噪惡化指標(biāo)是20lg³＝9.5。從表1看出，實(shí)測的相位噪聲惡化與理想三倍頻器的相位噪聲惡化相當(dāng)。

5 結(jié)束語

研制的無源寬帶毫米波三倍頻器變頻損耗比較低，平坦度比較好，可以應(yīng)用于毫米波測試儀器中。在以后的倍頻器設(shè)計(jì)中，為了減小變頻損耗，可在電路中加入自偏置電路或者外加直流偏置電路，這樣就可以降低輸入本振源作為自偏置驅(qū)動(dòng)的功率。

參考文獻(xiàn)

[1] 王正偉.八毫米波寬帶三倍頻器研制[碩士學(xué)位論文].成都：電子科技大學(xué)，2007

[2] E.Schlecht,G.Chattopadhyay.200,400 and 800GHz Schottky Diode “Substrateless” Multiplier: Design and Results.IEEE, 2001

[3] DavidM.Klymyshyn.Active Frequency Multip -ier Design Using CAD.IEEE,2003

[4] Charlotte Tripon-Canseliet,Alain Maestrin- i.Design of a Wideband 900 GHz Balanced Frequency Tripler for Radioastronomy. IEEE,2004