一種毫米波寬帶倍頻器設(shè)計(jì)
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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)生輸入信號的多次諧波，同時配合Balun電橋、諧波提取電路等實(shí)現(xiàn)多次倍頻信號的輸出。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)荻O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最后輸出的雜波抑制。
四倍頻后的輸出采用微帶到波導(dǎo)的探針過渡，整個倍頻器設(shè)計(jì)在一個小型密封腔體內(nèi)，由倍頻、放大、濾波等多個模塊級聯(lián)而成，便于維修及調(diào)試。經(jīng)過以上分析，最后得到整個毫米波寬帶倍頻器的原理框圖如圖1所示。
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)，整個倍頻器包含兩個二倍頻模塊，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)一個二極管，都會因?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二極管構(gòu)成平衡結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)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。
該電路實(shí)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(dǎo)通，后半個周期下面一只二極管導(dǎo)通，流經(jīng)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為絕對溫度；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(shí)現(xiàn)了對輸入頻率偶次倍頻。當(dāng)然以上結(jié)果是在電路絕對平衡的情況下得到的，實(shí)際電路不可能絕對平衡，電路的性能就會變差。
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渡實(shí)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(shí)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。
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