一種毫米波寬帶倍頻器設計
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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。
根據指標要求進行分析：在輸入功率10～17 dBm時直接實現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。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而成，便于維修及調試。經過以上分析，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，根據倍頻理論，在微波電路中只要并聯或串聯一個二極管，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和串聯形式接入，原理如圖2所示。
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；T為絕對溫度；η是二極管的效率常數；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，實現了對輸入頻率偶次倍頻。當然以上結果是在電路絕對平衡的情況下得到的，實際電路不可能絕對平衡，電路的性能就會變差。
要實現原理圖所示的平衡二倍頻器，關鍵電路就是安裝反向并聯二極管的平衡電路，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。
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