L波段倍頻組件的設計

林元根，葉波濤

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

倍頻器是使輸出信號頻率等于輸入信號頻率整數(shù)倍的電子組件[1]。如果輸入頻率是f1，則輸出頻率是f0=nf1，系數(shù)n是任何正整數(shù)。它主要是利用器件的非線性效應，去實現(xiàn)輸入信號的頻率倍增。倍頻器用途廣泛，比如在電子對抗中擴展工作頻段，在調頻設備中增大頻率偏移，在發(fā)射機中降低電子設備的主振頻率。

1 倍頻器的原理

倍頻器一般采用單個或多個非線性器件來實現(xiàn)倍頻[2]。單器件的倍頻電路承受功率有限，而且不能抑制不需要的諧波；而多個非線性器件則采用平衡式結構，不但可以抑制不需要的諧波分量，而且還可以提高電路功率容量，取得較大的輸出功率。所以倍頻電路設計的時候，一般選擇多個非線性器件串聯(lián)或并聯(lián)，常見的如偶次倍頻和奇次倍頻。

1.1 偶次倍頻原理

偶次倍頻器的工作原理如圖1所示。

圖1 偶次倍頻原理圖

在圖1中，2個二極管相對于輸出回路是同向串聯(lián)，相對于輸入回路是反向并聯(lián)。

在反向并聯(lián)二極管輸入端電流是：

i=i1+i2=2sinh(aV)

(1)

將輸入信號V=Vscos(ωst)代入式(1)得:

i=2issinh(αVscos(ωst))

(2)

式中：Vs為反向飽和電壓；is為反向飽和電流；α跟二極管本身有關。

將電流作傅氏級數(shù)展開，得到：

i=4is[I1(αVs)cosωst+I3(αVs)cos3ωst+…]

(3)

從電流公式中可以看出，輸入回路只有輸入信號的基波和奇次諧波，不包含直流分量和偶次諧波分量。

而流過負載上的電流：

iL=i1-i2=2is(cosh(αV-1))

(4)

最后將V=Vscos(ωst)代入式(4)中，并作傅氏級數(shù)展開：

iL=is(2I0(αVs)-2)+4is[I2(αVs)cos2ωst+

I4(αVs)cos4ωst+…

(5)

從上面電流公式中可以看出，流過負載上的電流僅含輸入頻率的偶次諧波，就可以說明該電路適用于偶次倍頻電路。

1.2 奇次倍頻原理

奇次倍頻器[3]的工作原理如圖2所示。

圖2 奇次倍頻原理圖

2個二極管反向并聯(lián)，一般不需要外加直流偏置。設二極管正向的非線性I/V特性的冪級數(shù)表示式是：

(6)

那么對反向的二極管，非線性I/V特性的冪級數(shù)中電流、電壓方向與公式(6)相反：

(7)

總的外部電流是：

i=iA+iB=f(Vn)-f(-Vn)=

(8)

將Vn=Ancosωnt代入式(8)中，并作傅氏級數(shù)展開得：

(9)

由上式可以看出，電流中只產(chǎn)生奇次分量。實際上，偶次分量在電路環(huán)路內環(huán)流，而奇次分量在外電路中環(huán)流，其實2只二極管特性肯定不可能完全一致，所以輸出分量中也有幅度很低的偶次分量。

2 倍頻組件的設計

2.1 倍頻組件的指標與方案

本組件技術條件如下：

輸入為100 MHz晶振，其輸出功率為10 dBm。輸出端指標為：

(1) 輸出頻率為200 MHz，輸出功率大于0 dBm，雜散大于70 dB，諧波大于45 dB；

(2) 輸出頻率為1 000 MHz，輸出功率大于0 dBm，雜散大于70 dB，諧波大于45 dB；

(3) 輸出頻率為2 000 MHz，輸出功率大于0 dBm，雜散大于70 dB，諧波大于45 dB；

(4) 輸出頻率為2 800 MHz，輸出功率大于0 dBm，雜散大于70 dB，諧波大于45 dB；

在微波倍頻組件的設計中，主要任務是合理分配各級功率電平、保證雜散和諧波抑制度、選擇適合的器件，并且需要設計幾個不同中心頻率的帶通濾波器，總的電路方框圖如圖3所示。

2.2 200 MHz和400 MHz二倍頻的設計

200 MHz和400 MHz二倍頻器的頻率相對比較低，所以可以不考慮分布參數(shù)影響。2種二倍頻器都選用HP公司的HSMS2828變容二極管堆。選用二極管全橋整流型倍頻器的電路，可以產(chǎn)生豐富的偶次諧波，輸入端匹配是采用傳輸線變壓器，最后經(jīng)傳輸線變壓器耦合到輸出端[4-5]，電路如圖4所示。

圖3 倍頻組件電路方框圖

圖4 二極管全橋整流二倍頻器的電路

二倍頻后的總電流是：

i=i1+i2+i3+i4=16ωQ2cos2ωt

(10)

從上面的公式可以看出，倍頻器的輸出電流中只有二次諧波，沒有其它的諧波，甚至是基波。這說明輸入端與輸出端是完全隔離的，所以對帶通濾波器的要求就不是很高。但是倍頻器電路設計還需要考慮最佳輸入信號幅度問題，這樣才能獲得更好的倍頻效率，也為倍頻組件中放大器的選取提供了依據(jù)。

經(jīng)過軟件仿真可以得到二倍頻器的倍頻損耗隨輸入功率變化的曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，輸入功率在4～8 dBm范圍內的倍頻損耗是最小的。晶振輸出功率為10 dBm，所以200 MHz二倍頻器的輸入功率是滿足的，200 MHz二倍頻器的變頻損耗是6.5 dB，200 MHz帶通濾波器的插損是2 dB，一分四功分器的插損是6.5 dB，故400 MHz二倍頻值前節(jié)的放大器的增益要達到20 dB，才能保證400 MHz二倍頻器最佳輸入功率在4～8 dBm范圍內。所以綜合上述考慮，選取增益在20 dB左右的放大器SGA-5486。

圖5 倍頻損耗隨輸入功率變化的曲線圖

因為第1級、第2級倍頻輸出頻率都較低，所以就選取LC濾波器來抑制雜散頻率信號，指標為：插損≤1.8 dB；帶外抑制≥70 dBc@100 MHz及≥60 dBc@300 MHz。

利用專業(yè)軟件ADS進行仿真和設計，電路的形式和仿真結果如圖6所示。

圖6 200 MHz帶通濾波器電路圖

圖7 200 MHz帶通濾波器仿真結果

從圖7可以看出，200 MHz帶通濾波器的插損≤0.2 dB；帶外抑制≥88 dBc@100 MHz及≥61 dBc@300 MHz，滿足設計要求。

圖8 400 MHz帶通濾波器電路圖

從圖9可以看出，400 MHz帶通濾波器的插損≤0.45 dB；帶外抑制≥75dBc@300 MHz及≥66 dBc@500 MHz，滿足設計要求。

圖9 400 MHz帶通濾波器仿真結果

2.3 1 000 MHz五倍頻器的設計

200 MHz經(jīng)過5次倍頻到1 000 MHz，倍頻管選用Agilent HSMP3822肖特基勢壘二極管。5次倍頻器電路的形式如圖10所示，最后在ADS仿真軟件中利用諧波平衡法對電路特性進行分析，5次倍頻仿真結果如圖11所示。

圖10 5次倍頻器的仿真電路

圖11 5次倍頻器的仿真結果

從圖11 可以看出倍頻輸出的奇次諧波分量較大，偶次諧波分量相對較小，主要是二極管對反向并聯(lián)的結果。由于倍頻器不需要加偏置電路，因此倍頻器具有體積小、結構簡單等特點。經(jīng)過仿真，該倍頻器的最佳輸入功率仍在10 dBm左右，前節(jié)放大器SGA-5486增益能夠滿足。 1 000 MHz頻率也不高，因此仍是選用LC濾波器來濾掉雜散和諧波，指標為：插損≤1.8 dB；帶外抑制≥70 dBc@800 MHz及≥60 dBc@1 200 MHz，電路的形式和仿真結果如圖12所示。

圖12 1 000 MHz帶通濾波器電路圖

從圖13可以看出，1 000 MHz帶通濾波器的插損≤0.2 dB；帶外抑制≥78 dBc@800 MHz及≥67 dBc@1 200 MHz，滿足設計要求。

圖13 1 000 MHz帶通濾波器仿真結果

2.4 2 000 MHz五倍頻器與2 800 MHz七倍頻器的設計

在設計方案中選取了美國HEROTEK公司GC400RL諧波產(chǎn)生器，利用該諧波產(chǎn)生器產(chǎn)生400 MHz的諧波譜，再用相對應的帶通濾波器將5次和7次諧波提取出來，同時抑制其它各次諧波和雜散成分。該設計在一定程度上可以減小倍頻組件的體積，降低它的成本。因為此電路相對簡單，本文不再詳述，它的設計難點主要在于帶通濾波器(諧波產(chǎn)生器的諧波譜較多，對帶通濾波器的要求較高)。

本文2 000 MHz和2 800 MHz帶通濾波器均采用平行耦合微帶線帶通濾波器，主要是因為平行耦合微帶線帶通濾波器具有結構比較緊湊和性能穩(wěn)定的特點。由于2 000 MHz和2 800 MHz頻率都不高，波長相對比較長，因此需用介電常數(shù)比較高的板材，最終選擇的板材陶瓷介電常數(shù)是9.6。用ADS設計軟件進行仿真優(yōu)化時，注意相鄰各耦合線節(jié)的微帶線寬不要相差過大，這樣才能保證實際電路的結果更接近仿真結果。指標為：插損≤1.8 dB；帶外抑制≥70 dBc@-400 MHz及≥60 dBc@+400 MHz，圖14為平行耦合線帶通濾波器的拓撲圖，圖15和圖16為兩者的仿真結果。

圖15 2 000 MHz帶通濾波器仿真結果圖

圖16 2 800 MHz帶通濾波器仿真結果

圖14 平行耦合微帶線帶通濾波器拓撲圖

從圖15可以看出，2 000 MHz帶通濾波器的插損≤0.2 dB；帶外抑制≥72 dBc@1 600 MHz及≥61 dBc@2 400 MHz，滿足設計要求。從圖16可以看出，2 800 MHz帶通濾波器的插損≤0.7dB；帶外抑制≥74 dBc@2 400 MHz及≥70 dBc@3 200 MHz，滿足設計要求。

2.5 倍頻組件的測試結果

L波段倍頻放大組件外形圖和測試結果如圖17和表1所示。

圖17 組件外形圖

輸出頻率輸出功率(dBm)雜散(dBc)諧波(dBc)200 MHz2.3-72-521 000 MHz2.5-72-492 000 MHz1.2-71-492 800 MHz1.4-70-47

3 結束語

本文利用先進的專業(yè)軟件ADS對倍頻器、LC濾波器和平行耦合線濾波器進行了仿真與優(yōu)化。測試結果表明，設計的L波段倍頻組件達到了預先的設計目的，該產(chǎn)品具有體積小、安裝靈活簡單、成本低等特點，已成功用于項目中。