一種新穎的任意次諧波倍頻器的設(shè)計與實現(xiàn)

劉楊麟　錢敏

摘要：本文介紹了作者設(shè)計并實現(xiàn)一個基于非線性傳輸線的任意次諧波倍頻器的原理和主要技術(shù)指標(biāo)，描述了倍頻器的設(shè)計、仿真和實現(xiàn)過程。基于非線性傳輸線技術(shù)的任意次諧波倍頻器具有倍頻次數(shù)高、輸出頻帶寬、適用范圍廣、更高的截止頻率和更小的附加相位噪聲，且便于集成化，易于調(diào)試等優(yōu)點?？蓱?yīng)用于各種高速、寬帶系統(tǒng)，如皮秒分辨率采樣電路、微波以及毫米波信號源等。

關(guān)鍵詞：非線性傳輸線 倍頻 任意次諧波

中圖分類號：TN771 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0149-02

1 倍頻器原理與非線性傳輸線理論概述

倍頻器在微波射頻電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，它可以實現(xiàn)輸入信號的任意次倍頻，在儀器設(shè)備中常常是擴(kuò)展頻帶的關(guān)鍵器件。倍頻器工作原理是基于器件的非線性特性，任何非線性器件，當(dāng)信號加于其上時，都會產(chǎn)生諧波[1]。非線性傳輸線是由周期加載反向偏置二極管的共面波導(dǎo)組成，如圖1所示。非線性傳輸線有三個基本特性：非線性，色散性和損耗，這三個特性相互影響相互制約[2]。

實踐證明，非線性傳輸線技術(shù)是用來擴(kuò)展現(xiàn)有設(shè)備頻率帶寬的有效手段。利用非線性傳輸線上的孤子波分解這一特性，用足夠長的傳輸線級數(shù)，將每一個孤子波相互完全分開，來實現(xiàn)脈沖壓縮，產(chǎn)生豐富的諧波分量。

2 倍頻器的設(shè)計目標(biāo)與性能參數(shù)

輸入信號頻率：fin=100MHz；輸入信號功率：Pin=21dBm；實現(xiàn)倍頻次數(shù)：2～15次；輸出譜線功率：Pn≥-15dBm；附加相位噪聲：不大于2dB@15次倍頻偏離載波1KHz處。

3 非線性傳輸線倍頻器的設(shè)計

為了盡量縮小電路尺寸，用較短的級數(shù)實現(xiàn)高階的脈沖壓縮，我們采用一種稱為逐級收斂非線性傳輸線的非均勻的孤子波非線性傳輸線。這種類型的非線性傳輸線的Bragg截止頻率逐級提高，這樣能夠加強(qiáng)主脈沖波形，抑制級聯(lián)非線性傳輸線末級所產(chǎn)生的一些次級脈沖串。它的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它的Bragg截止頻率是逐級收斂的幾何級數(shù)，即第級的Bragg截止頻率為[3]：

其中k為收斂因子，這種情況下，每一級傳輸線的Bragg截止頻率都比前一級略大一點，每一級都實現(xiàn)較小比例的脈沖壓縮。

4 非線性傳輸線倍頻器的仿真與實現(xiàn)

本案采用Alpha公司的SMV-1139系列超突變結(jié)變?nèi)荻O管和高品質(zhì)因數(shù)貼片電感等分立器件來實現(xiàn)非線性傳輸線任意次倍頻器。我們設(shè)定任意次諧波倍頻器采用100MHz正弦信號作為信源輸入，并實現(xiàn)輸入頻率的最高15次諧波倍頻（0.1～1.2GHz）。由于實際設(shè)計時需要考慮到電路尺寸不能過大，因此傳輸線級數(shù)n確定為28級。

如圖3所示為電路原理圖，傳輸線級數(shù)n=28，圖中Ld為直流偏置電路饋電電感，取值10uH；C1，C2為隔直流電容，取值C1=C2=100pF；C3，C4為去藕電容，取值C3=100pF，C4=10uF；D1～D28為變?nèi)荻O管，二極管模型采用Alpha公司的SMV1139-011超突變結(jié)變?nèi)荻O管（二極管參數(shù)為、、、）；L0～L28為非線性傳輸線電感，電感采用Q值為60的高品質(zhì)因數(shù)貼片電感，每一級的電感值隨收斂因子平方k2逐級收斂：

根據(jù)逐級收斂非線性傳輸線輸入級Bragg截止頻率與輸入信號頻率的關(guān)系得，經(jīng)過計算，我們得到收斂因子k=0.91，并確定輸入級電感L0取值為330nH，利用ANsoft Designer對電路進(jìn)行仿真。

我們把輸入信號功率設(shè)定為21dBm，電路的偏置電壓為3V，仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，輸出脈沖的幅度為4.94V，半幅脈沖寬度為530ps；從頻譜圖中可以看出輸出頻譜在1.5GHz（15次諧波）處的諧波功率為-13.19dBm。

我們對電路進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化仿真，并結(jié)合實際分立元器件的其他參數(shù)，最終根據(jù)仿真結(jié)果，我們選用了板材厚度h=0.5mm，相對介電常數(shù)εr=3.48，tand=0.002的Rogers4350B雙面附銅箔聚四氟乙烯板材，并采用表層鍍金工藝，作為本案倍頻器的基板板材，應(yīng)用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件計算出特性阻抗為50Ω、w=1.2mm、g= 1.6mm的共面波導(dǎo)。制作出電路板后將元器件安裝到電路板中。如圖5所示為任意次諧波倍頻器的局部實物圖。

經(jīng)測試，當(dāng)輸入信號功率Pin=21dBm時，輸出的15次諧波的功率為-11.79dBm，產(chǎn)生了1dB的附加相位噪聲。如圖6所示倍頻器輸出信號測試圖。

5 結(jié)語

本案所設(shè)計并實現(xiàn)的基于非線性傳輸線的任意次諧波倍頻器達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，并且各項性能參數(shù)優(yōu)于預(yù)先設(shè)定的性能指標(biāo)。采用非線性傳輸線實現(xiàn)的任意次諧波倍頻器與傳統(tǒng)倍頻方法實現(xiàn)的梳狀譜信號發(fā)生器相比，具有倍頻次數(shù)高、高次諧波輸出功率大、輸出頻帶寬、適用范圍廣、具有超低附加相位噪聲，且易于調(diào)試等優(yōu)點，在電子通信領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]費元春.固態(tài)倍頻[M].高等教育出版社，1985.9：1-13.

[2]Michael Garth Case. Nonlinear Transmission Lines for Picosecond Pulse， Impulse and Millimeter-wave Harmonic Generation.[J].University of California Santa Barbara，1993.

[3]Ehsan Afshari， Ali Hajimiri. Nonlinear Transmission Lines for Pulse Shaping in Silicon.[J].IEEE Journal of Solid-state Circuits，2005（3）：744-752.