小型化十二倍頻器研究

1 引言

倍頻器是指能完成輸入信號頻率倍增功能的電子組件，在工作頻率較高而對頻率穩(wěn)定性要求嚴(yán)格的電子設(shè)備中，用一般的LC振蕩器很難達(dá)到要求，若采用高穩(wěn)定的晶振，通過倍頻放大即可很容易的實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻要求。

在頻率合成器中，利用倍頻器中所產(chǎn)生的各次諧波頻率，通過頻率合成可得到步進(jìn)間隔小、點(diǎn)數(shù)很多的穩(wěn)定頻率輸出，可以很方便的使用到雷達(dá)、通信、測量等領(lǐng)域。利用倍頻器還可以制成毫米波信號源，在毫米波通信、軍事偵查、制導(dǎo)等方面有著廣泛的應(yīng)用。

2 倍頻器原理

從理論上講，任何非線性原件都能夠用來實(shí)現(xiàn)倍頻，從工作原理上可分為非線性電抗（電容）型和非線性電導(dǎo)（電容）型。當(dāng)用正弦波驅(qū)動非線性元件時(shí)，其輸出端就會產(chǎn)生輸入頻率的高次諧波分量，采用適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/濾波器">濾波器就能選出所需的諧波分量，即可實(shí)現(xiàn)輸入信號的倍頻。常采用的非線性倍頻元件有二極管、晶體管等。

倍頻器的實(shí)現(xiàn)方式是多種多樣的，一般用以下七種方法來實(shí)現(xiàn)倍頻：（1）用二極管的PN結(jié)的靜態(tài)非線性V-I關(guān)系，即非線性電導(dǎo)產(chǎn)生諧波；（2）用雙極晶體管的非線性產(chǎn)生諧波；（3）用GaAs FET管得到具有增益的倍頻器；（4）用寬帶單片放大器的非線性產(chǎn)生諧波，并放大諧波構(gòu)成寬帶倍頻器；（5）振蕩器被注入鎖定在基頻的N次諧波上實(shí)現(xiàn)倍頻；（6）用變?nèi)荻壒艿梅蔷€性電抗實(shí)現(xiàn)參量倍頻；（7）用階躍恢復(fù)二極管產(chǎn)生諧波，實(shí)現(xiàn)倍頻。

2.1 二極管微波倍頻器

二極管微波倍頻器常采用肖特基二極管、變?nèi)荻O管和階躍恢復(fù)二極管來實(shí)現(xiàn)。肖特基二極管由于具有極低的附加相位噪聲本底（可達(dá)-170dBC/Hz（@1kHz）），是倍頻電路的首選器件，也是極少可實(shí)現(xiàn)毫米波以上頻段的倍頻器件。

變?nèi)荻O管和階躍恢復(fù)二極管通常用來實(shí)現(xiàn)大功率和高次倍頻。階躍恢復(fù)二極管倍頻器是利用PN結(jié)的正向電壓存儲和反向電壓抽取特性，使之將每一輸入周期的能量變換為一個(gè)狹窄的、大幅度的脈沖，其頻率等于輸入信號的頻率，經(jīng)帶通濾波器濾除不需要的諧波，這樣在負(fù)載上得到倍頻信號。

通常認(rèn)為階躍恢復(fù)二極管適用于倍頻次數(shù)較高的梳譜信號發(fā)生器中。但由于階躍恢復(fù)二極管是一種高度的非線性元件，很容易引起電路振蕩和自激，同時(shí)對輸入激勵(lì)電平、負(fù)載牽引較為敏感，在實(shí)際工作中需要仔細(xì)調(diào)試。

2.2 晶體管微波倍頻器

晶體管微波倍頻器是利用其工作于飽和區(qū)或截止區(qū)來產(chǎn)生諧波，如 C 類放大器輸出調(diào)諧到 n 倍的輸入頻率上。這種微波倍頻器單向性、隔離性號，并有增益的特點(diǎn)。三極管微波倍頻器一般由雙極晶體管和場效應(yīng)三極管構(gòu)成，倍頻次數(shù)一般小于 20。用雙極晶體管微波倍頻器產(chǎn)生C波段以下的輸出頻率非常簡單，成本也較低，是頻率源中常用的電路。用場效應(yīng)三極管微波倍頻器可產(chǎn)設(shè)幾十GHz輸出頻率，同時(shí)提供較高的倍頻效率和較寬的工作頻帶，對輸入功率要求較低。

這類倍頻器的工作狀態(tài)易受激勵(lì)偏置、溫度變化等出現(xiàn)劇烈變化，因此使用時(shí)一般要加入恒流、溫補(bǔ)等措施。