小型化十二倍頻器研究

2.3 GaAsFET 微波倍頻器

當(dāng) GaAsFET場效應(yīng)管被置于飽和或截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，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(shí)，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(huì)損壞 FET，所以 GaAsFET 微波倍頻器采用 FET 工作在截止?fàn)顟B(tài)的模式，即VGS = Vp 。這時(shí) 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(diǎn)，當(dāng)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(shí)現(xiàn)倍頻。當(dāng)倍頻次數(shù)較高時(shí)，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(shí)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(jì)倍頻器時(shí)，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(gè)倍頻次數(shù)和與之相關(guān)的功率效率后，應(yīng)合理設(shè)計(jì)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(diǎn)，要求輸入功率不能太大。

3 倍頻器設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)目標(biāo)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(jìn)入單片放大器進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓β史糯?，然后?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(biāo)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(huì)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(jì)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(shí)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(shí)放大器的工作電源也不能過大，實(shí)際設(shè)計(jì)中選取了3級放大器。在實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，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(gè)重要指標(biāo)是在寬溫工作范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。晶體管的工作點(diǎn)易受溫度變化的影響，從而導(dǎo)致倍頻信號輸出功率波動(dòng)較大。影響倍頻器工作穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素是輸入信號功率的變化，因?yàn)檩斎胄盘柕拇笮?huì)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(fù)反饋，負(fù)反饋的引入不僅可以穩(wěn)定輸出信號。同時(shí)也減低的晶體管的壓縮點(diǎn)，使輸出諧波分量更易于穩(wěn)定。

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

倍頻器的另一個(gè)最重要指標(biāo)是諧波和雜波抑制，通?？梢酝ㄟ^設(shè)計(jì)合適的濾波器來實(shí)現(xiàn)。濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧帶外抑制和損耗要求，損耗太大會(huì)影響倍頻效率，矩形度差會(huì)影響諧波和雜波抑制。本設(shè)計(jì)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(shí)測結(jié)果。

圖3 濾波器的幅頻響應(yīng)實(shí)測結(jié)果