毫米波倍頻器的設(shè)計與研制

于偉華，王雅薇，佟飛，萬成城，呂昕

(北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081)

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毫米波倍頻器的設(shè)計與研制

于偉華，王雅薇，佟飛，萬成城，呂昕

(北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081)

介紹了一種基于微帶結(jié)構(gòu)的W波段寬帶三倍頻器，闡述了倍頻器的工作原理，建立了DBES105a肖特基二極管的反向并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型，并基于場路結(jié)合的分析方法，設(shè)計并實現(xiàn)了W波段的寬帶倍頻器. 測試結(jié)果表明，在75～98 GHz的頻率范圍內(nèi)，其輸出功率大于2 dBm，峰值功率大于5 dBm，與仿真數(shù)據(jù)基本吻合，證明了本文提出的混合電路建模方法及所提取模型的有效性.

肖特基二極管；三倍頻器；全波分析

隨著空間探測技術(shù)對毫米波頻段電磁頻譜的利用日趨廣泛，眾多電子系統(tǒng)對穩(wěn)定、可靠、易于研制的毫米波信號源的需求越來越迫切. 利用倍頻技術(shù)，不僅可以提高頻率源的穩(wěn)定性和可靠性，而且能夠?qū)⒖捎妙l段擴展到毫米波、亞毫米波甚至是太赫茲頻域[1]. 倍頻器有多種實現(xiàn)方式，但主要是基于二極管和有源三端器件的非線性特性實現(xiàn). 與三極管倍頻器相比，基于二極管的倍頻器器具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計方便、可靠性高的特點.

針對毫米波亞毫米波頻段的倍頻器，國外早已開展大量的研究[2]. 而在國內(nèi)，由于工藝條件的制約，三倍頻器的研制基本針對微波毫米波頻段，且輸出功率較低、帶寬相對較窄[3-5]. 基于以上研究特點，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于Rogers5880采用反向并聯(lián)結(jié)構(gòu)肖特基二極管的W波段三倍頻器，具有較寬的帶寬，并取得了較好的性能指標(biāo).

1 反向并聯(lián)肖特基二極管對倍頻器基本原理

原則上來講，任何具有非線性特性的器件都可用于倍頻信號的產(chǎn)生. 常見的用于倍頻器的二極管有變?nèi)荻O管和變阻二極管兩種形式. 變阻二極管具有工作穩(wěn)定、適合寬帶應(yīng)用的特點，因此本文選擇了低勢壘肖特基二極管作為倍頻器的非線性元件.

由于變阻二極管能夠?qū)崿F(xiàn)較寬的頻帶寬帶，為了有效地抑制不必要的諧波分量，得到較大的輸出功率，本設(shè)計采用反向并聯(lián)二極管對的結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)3次倍頻，其工作原理如圖1所示[6].

對于單個肖特基二極管來說，其電荷-電壓關(guān)系可表示為

(1)

式中：V為二極管兩端的輸入電壓；q(v)為肖特基二極管中的電荷量.

因此，通過二極管的電流可以表示為

(2)

如圖1所示，當(dāng)電路的輸入端有信號激勵時，兩個二極管相對于輸入、輸出回路均呈反向并聯(lián)，若二極管兩端的電壓V(t)表示為

(3)

每個二極管中的電流分別為

i1=B1cos(kω0t)+B2sin(2kω0t)+

(4)

i2=-B1cos(kω0t)+B2sin(2kω0t)-

(5)

則反向并聯(lián)二極管對的外部總電流為

(6)

由式(6)可見，倍頻后的外部電路只含有基波和奇次諧波分量，而無偶次諧波分量. 當(dāng)此結(jié)構(gòu)用于三倍頻時，因管對外部電路無二次諧波分量，不需要額外的濾波電路對二次諧波進(jìn)行抑制，故可簡化輔助電路的設(shè)計，通過設(shè)計合適的輸出匹配電路，得到所需的三次諧波分量. 因此，反向并聯(lián)二極管對的結(jié)構(gòu)特別適用于奇次倍頻器.

2 倍頻器的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

設(shè)計基于法國UMS公司生產(chǎn)的DBES105a的混合電路模型的一種W波段寬帶三倍頻器，輸入功率為20 dBm，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示. DBES105a的基本參數(shù)如表1所示. 本三倍頻器主要由5部分組成，分別為輸入過渡結(jié)構(gòu)、濾波器、匹配電路、反向并聯(lián)二極管對和輸出過渡結(jié)構(gòu). 輸入過渡結(jié)構(gòu)為WR-28標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)-微帶過渡轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其主要作用為將輸入信號由波導(dǎo)傳輸轉(zhuǎn)換為在微帶電路上傳輸；濾波器保證基波分量的正向傳輸，將輸入信號低損耗地傳輸?shù)蕉O管，同時將反向并聯(lián)二極管對中產(chǎn)生的其余諧波分量反射給輸出端；匹配網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)電路與反向并聯(lián)二極管對的阻抗匹配；反向并聯(lián)二極管對為倍頻器產(chǎn)生各奇次諧波分量；輸出過渡結(jié)構(gòu)為微帶-減高波導(dǎo)-標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)WR-10過渡結(jié)構(gòu)，可將所需的3次諧波分量通過波導(dǎo)輸出.

Rs/ΩnCj0/fFCpar/fFBVak/VFco/THz44129558<-524

該方案的主要優(yōu)點如下：

① DBES105a由一個二極管管對組成，此方案使用了2個DBES105a反向并聯(lián)，可以得到較高的輸出功率和較大的動態(tài)范圍.

② 平衡式結(jié)構(gòu)抑制偶次諧波分量，無需額外的濾波電路，降低了整體的變頻損耗.

③ 平衡式結(jié)構(gòu)可以隔離輸出和輸入信號，改善輸出和輸入的駐波比.

④ 無外偏置電路，結(jié)構(gòu)相對簡單.

2.2 電路中無源器件的仿真

采用HFSS軟件對倍頻器輸入端口的波導(dǎo)-微帶探針過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行全波電磁仿真，分析其傳輸特性. 過渡結(jié)構(gòu)的HFSS三維模型及仿真結(jié)果如圖3所示.

由于減高波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)可有效提高微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的帶寬，為達(dá)到寬帶的設(shè)計目標(biāo)，輸出端口采用微帶-減高波導(dǎo)-標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)，對其三維模型進(jìn)行仿真和優(yōu)化，模型和仿真結(jié)果如圖4所示.

如圖4所示，輸出微帶-減高波導(dǎo)-標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的3次諧波范圍(87～107 GHz)內(nèi)，回波損耗優(yōu)于-15 dB，插入損耗優(yōu)于-0.14 dB，仿真結(jié)果較好.

2.3 整體仿真

如圖5所示，將在HFSS中設(shè)計好的輸入波導(dǎo)-微帶過渡、濾波器和輸出微帶-減高波導(dǎo)-波導(dǎo)過渡等各無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)文件導(dǎo)入ADS原理圖中，結(jié)合二極管等效電路模型，運用諧波平衡分析法，以3次諧波輸出功率為主要優(yōu)化目標(biāo)，通過調(diào)節(jié)輸入、輸出匹配段的尺寸，得到理想的仿真結(jié)果.

微帶探針無源倍頻器的輸出端口采用微帶探針過渡結(jié)構(gòu)，倍頻電路的仿真結(jié)果如圖6所示.

微帶探針無源倍頻器的輸出功率曲線如圖6(a)所示，由圖可見，在90～100 GHz的頻帶范圍內(nèi)倍頻器的輸出功率較高，且平坦度較好. 同時，由不同的輸入功率得到相應(yīng)的輸出功率曲線可知，此時倍頻輸出仍為線性增長，尚未達(dá)到飽和狀態(tài). 圖6(b)所示為倍頻器的諧波抑制特性仿真結(jié)果，從圖中可看出，在輸出中心頻率93.9 GHz處，輸出5次諧波抑制達(dá)到25 dBc以上，輸出基波抑制達(dá)到60 dBc以上，各偶次諧波得到抑制，諧波抑制特性良好.

3 倍頻器的研制與測試

經(jīng)過上述電路的優(yōu)化仿真和設(shè)計，實現(xiàn)的毫米波三倍頻模塊如圖7所示. 此模塊中的微帶電路制作在厚度為0.127 mm的Rogers5880板材上，DBES105a肖特基二極管倒裝焊于微帶電路.

其中輸入信號由波導(dǎo)饋入，進(jìn)入內(nèi)部平面微帶電路后進(jìn)行倍頻，倍頻信號由波導(dǎo)輸出. 倍頻器屏蔽腔和微帶電路表面鍍金，倍頻器輸出功率測試框圖與測試平臺如圖8和圖9所示. 其中，由信號源通過Ka頻段同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換，可以提供倍頻器20 dBm以上的輸入功率. 倍頻后的信號經(jīng)直波導(dǎo)連接功率計探頭測試得到其輸出功率.

微帶探針倍頻器的測試、建模仿真結(jié)果對比圖如圖10所示. 由測試結(jié)果可知，當(dāng)輸入功率為20 dBm時，本文設(shè)計的微帶探針倍頻器在75～98 GHz的輸出范圍內(nèi)輸出功率大于2 dBm，且?guī)?nèi)輸出功率較為平坦，在95 GHz處達(dá)到峰值，輸出功率為5.2 dBm，變頻損耗約為15 dB.

圖8 倍頻器輸出功率測試框圖
Fig.8 Test block diagram of tripler output power

4 結(jié) 論

分析了倍頻器的工作原理，采用反向并聯(lián)肖特基二極管管對實現(xiàn)3次倍頻，此種倍頻器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、信號傳輸損耗小、便于一體化生產(chǎn)等優(yōu)點. 測試結(jié)果與建模仿真結(jié)果基本吻合，帶內(nèi)輸出功率較為平坦，證明了設(shè)計方法的可行性，為有效獲得寬帶毫米波頻段信號源提供了一種有效的方法.

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(責(zé)任編輯：劉芳)

Design and Fabrication of Millimeter-Wave Frequency Triplers

YU Wei-hua，WANG Ya-wei，TONG Fei，WAN Cheng-cheng，Lü Xin

(School of Information and Electronics， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

Based on reverse parallel structure of DBES105a Schottky diodes, a kind of W-band frequency tripler was developed by using analysis method of combining field and road. According to the measured results, the output power of the frequency tripler is above 2 dBm between 75～98 GHz and the peak output power is more than 5 dBm. The measured results of the frequency tripler are agreed well with the simulated ones, which proves the feasibility of the proposed method as well as the hybrid circuit model.

Schottky diode; frequency tripler; full wave analysis

2014-04-16

北京高等學(xué)校青年英才計劃項目

于偉華(1978—)，女，博士，副教授，E-mail:ywhbit@bit.edu.cn.

王雅薇(1990—)，女，碩士生，E-mail:sherry8299@sina.com.

TN 771

A

1001-0645(2016)09-0951-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.09.013