小型化十二倍頻器研究

2.3 GaAsFET 微波倍頻器

當 GaAsFET場效應(yīng)管被置于飽和或截止狀態(tài)時，射頻漏極電流Id 被限幅引起非線性，由于 FET 工作在飽和狀態(tài)時，要求更大的直流漏極電流，導(dǎo)致電流至射頻的轉(zhuǎn)換效率較低，而柵極電流尖峰的存在會損壞 FET，所以 GaAsFET 微波倍頻器采用 FET 工作在截止狀態(tài)的模式，即VGS = Vp 。這時 FET 直流漏極電流很小，可靠性高。

由于 GaAsFET 場效應(yīng)微波倍頻器能夠在頻帶范圍內(nèi)獲得較低的變頻損耗甚至變頻增益，輸入電路輸出電路之間具有良好的隔離，因而越來越受到人們的重視。

以上各種倍頻器各有優(yōu)點，當工作在倍頻次數(shù)較小的情況下，可用三極管、FET管及寬帶放大器的方法來實現(xiàn)倍頻。當倍頻次數(shù)較高時，應(yīng)優(yōu)先采用恢復(fù)二極管來倍頻。晶體三極管，F(xiàn)ET管及寬帶放大器等倍頻器一般為變阻類型，所以電路穩(wěn)定，溫度特性好。而階躍恢復(fù)二極管為參量倍頻，電路穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性較差，但可實現(xiàn)高次倍頻。一般變?nèi)莨艿谋额l效率僅為1/(n*n)，而階躍管的效率為1/n。

設(shè)計倍頻器時，還應(yīng)注意倍頻器引起的相位噪聲變壞和附加噪聲的增加。但給定一個倍頻次數(shù)和與之相關(guān)的功率效率后，應(yīng)合理設(shè)計輸入信號的射頻功率，使倍頻器的輸出信號的信噪比不應(yīng)變壞，以不影響輸出相位噪聲。要做到這一點，要求輸入功率不能太大。

3 倍頻器設(shè)計實例

設(shè)計目標是輸入信號頻率為30MHz，經(jīng)過12次倍頻，輸出諧波抑制大于50dB，工作電流小于100mA。

基本工作原理如圖一示：輸入信號經(jīng)過諧波發(fā)生器，通過帶通濾波器選取出3次倍頻信號；再進入單片放大器進行適當?shù)墓β史糯螅缓蠼?jīng)過諧波發(fā)生器帶通濾波器濾除雜波，提取出4次倍頻信號；得到需要的12次倍頻信號，放大到指標要求的功率后經(jīng)過功分器分成兩路信號。

圖1 倍頻器原理框圖

由于在變換過程中涉及到多次非線性信號處理，因此會產(chǎn)生豐富的諧波分量。如何充分高效的利用需要的頻率分量是設(shè)計中的關(guān)鍵。本方案采用兩次有源倍頻，即先倍頻3次，濾掉其他諧波分量后再4次倍頻的方式，由于晶體管放大器效率較高，工作穩(wěn)定可靠，兩級諧波發(fā)生器均采用晶體管放大器實現(xiàn)。為了滿足總電流的要求，方案中選用放大器不能過多，同時放大器的工作電源也不能過大，實際設(shè)計中選取了3級放大器。在實驗過程中，我們還發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)節(jié)放大器的工作電流來提高倍頻效率，有如下規(guī)律，減小電流，可以減小放大器的1dB壓縮點，有利于提高倍頻的效率。

圖2 倍頻器輸入輸出功率測試框圖

倍頻器的一個重要指標是在寬溫工作范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。晶體管的工作點易受溫度變化的影響，從而導(dǎo)致倍頻信號輸出功率波動較大。影響倍頻器工作穩(wěn)定性的一個重要因素是輸入信號功率的變化，因為輸入信號的大小會改變晶體管的工作偏置電壓。對不同的放大器，輸入信號的影響不同。圖二給出了三種不同放大器輸入輸出功率關(guān)系圖。改善上述穩(wěn)定性的最重要措施是加入負反饋，負反饋的引入不僅可以穩(wěn)定輸出信號。同時也減低的晶體管的壓縮點，使輸出諧波分量更易于穩(wěn)定。

電路設(shè)計中還需要考慮到阻抗匹配，阻抗不匹配會引起信號的反射，導(dǎo)致倍頻效率降低，輸出信號功率達不到指標要求。同時還要注意電磁兼容設(shè)計，除了大面積接地外，每個放大器，每個單元的電源都采用了極強的濾波措施，防止了信號線從電源上互相串擾，避免了串擾雜散。

倍頻器的另一個最重要指標是諧波和雜波抑制，通?？梢酝ㄟ^設(shè)計合適的濾波器來實現(xiàn)。濾波器的設(shè)計應(yīng)兼顧帶外抑制和損耗要求，損耗太大會影響倍頻效率，矩形度差會影響諧波和雜波抑制。本設(shè)計采用聲表面波濾波器，損耗小于6dB，帶外抑制大于80dB。圖三給出了濾波器的幅頻響應(yīng)實測結(jié)果。

圖3 濾波器的幅頻響應(yīng)實測結(jié)果