第3部分 微波毫米波有源器件及電路

八毫米波寬帶三倍頻器

汪 波 謝秩嵐 游九洲 王正偉

（九洲電器集團公司 四川綿陽621000）

摘 要：本文主要對八毫米波無源三倍頻器的寬帶實現(xiàn)進行了研究。利用減高波導實現(xiàn)了輸出頻率為33GHz～50GHz 的無源三倍頻器，其在整個頻帶內變頻損耗為 18.2±2dB，帶內回波損耗大于 6dB，相位噪聲惡化小于10.5dB。

關鍵詞：毫米波，三倍頻器，減高波導，變頻損耗

Eight Millimeter-wave Broad-band Tripler

Wang Bo Xie Zhilan You Jiuzhou Wang Zheng Wei

(Jiuzhou Electric Group Co.Ltd , Mianyang Sichuan 621000)

Abstract:This paper describes the design of broadband passive tripler base on eight millimeter-wave. By lower waveguide, passive tripler is achieved. The output frequency of the passive tripler is 33GHz to 50GHz. In this band, the conversion loss is 18.2±2dB, the return loss is more than 6dB, the phase noise figure deterioration is less than 10.5dB.

Keywords:millimeter-wave，tripler，lower waveguide，conversion loss

1 引言

毫米波倍頻器是毫米波技術中的一項重要內容，它可以降低毫米波設備的主振頻率和擴展工作頻率。同時，又把微波設備所具有的優(yōu)點，如高頻率穩(wěn)定度及微波調制器的調制特性等擴展到毫米波波段。國內外對倍頻器的研究已有報道，如采用變容二極管作毫米波倍頻器，這種倍頻器變頻損耗較低，但只限于窄帶，作為測試的儀器，寬頻帶是主要的指標，所以采用電阻性梁式引線肖特基勢磊二極管作寬帶倍頻器件而獲得毫米波信號源是最具有前景的方法。盡管電阻性倍頻的效率不是很高，一般不會大于 ²1 n （n 為諧波次數(shù)），但它能實現(xiàn)一到兩個倍頻程的帶寬。Rainer Bitzer 采用梁式引線肖特基勢磊二極管和由微帶線、共面線、縫線構成的輸出巴倫結構，在陶瓷基片上實現(xiàn) 6－18GHz 的寬帶倍頻，變頻損耗為 9dB.此時輸入功率為20dBm，這種體積小而廉價的倍頻器，可用來產(chǎn)生寬待測試一起的本振信號。S.A.Maas 采用肖特基勢壘二極管和利用類似于 Marchand 平面巴倫結構的輸入、輸出巴倫，實現(xiàn)了 16 到 40GHz 的二倍頻器。其變頻損耗為 12dB，輸出功率為 2dBm，對基波的抑制為20dBc^[1][2]。

2 肖特基二極管反向并聯(lián)對的工作原理

以肖特基二極管為例，推導一下反向并聯(lián)肖特基二極管的諧波特性。如圖 1 是兩個相同肖特基二極管反向并聯(lián)的電路圖。從圖中可得總電流為

單個肖特基勢壘二極管的電流特性是

兩個二極管極性相反地并聯(lián)在一起時，如圖 2所示，這時兩管的電流分別為

由上式可見，由于電流 i 是奇函數(shù)，其展開式中沒有偶次項。所以利用兩個相同的肖特基勢壘二極管反向并聯(lián)可以對基波進行奇次倍頻，其直接抑制了偶次諧波[1]。

3 倍頻器設計實現(xiàn)

毫米波倍頻器有有源倍頻和無源倍頻之分，無源具有低噪聲的優(yōu)點，且結構簡單。根據(jù)不同的倍頻次數(shù)，無源倍頻器又有不同的連接方式，參 考文 獻[1]分析了反向并聯(lián)二極管對可輸出不含偶次諧波的奇次倍頻；反向串聯(lián)二極管對可輸出不含奇次諧波的偶次倍頻。本論文主要是對無源毫米波三倍頻的研究，因此根據(jù)無源、三倍頻等要求決定了利用二極管倍頻， 為了減小偶次諧波分量，因此采用了如圖2所示的基本結構，以完成三次倍頻。

輸入低通濾波器采用帶狀線枝節(jié)濾波器，在11GHz～17GHz，其指標是通帶插損小于 1dB，帶內反射大于 15dB，帶外抑制大于 50dB[1]。為了滿足寬帶的要求，輸入匹配利用漸變懸置微帶。為了過渡方便，帶狀線濾波器和懸置微帶都采用RT5880 基板。輸出匹配電路和輸出高通濾波器同時采用減高波導來實現(xiàn)，其中減高波導可以降低特性阻抗與倍頻二極管的輸出阻抗匹配，然而波導自身的高通特性可用作為高通濾波器[4]。其輸出結構如圖 3 所示。圖 3 中減高波導的輸出端為 BJ—400的標準波導，匹配端的波導高度為 0.5mm，寬度為5.69mm，加工時允許的誤差是±0.02 mm，內表面光潔度要求▽0.8。

圖 3 中短路活塞起到調諧的作用，圖中肖特基二極管選擇了Aeroflex / Metelics公司的MGS901。該公司的 MGS 系列是 GaAs 的梁式引線肖特基勢壘二極管，頻率可以用到 60GHz。設計中利用的輔助軟件 ADS 對模型進行諧波仿真[3]。圖 4 給出了倍頻器實物圖.

4 測試結果與分析

倍頻器的主要技術指標有帶內回波損耗、變頻損耗以及相噪特性。圖 5 給出了無源三倍頻器變頻損耗和回波損耗的測試結果和仿真結果，結果表明倍頻器的最大變頻損耗是 20dB，最低效率為 1％；最小的變頻損耗 16.5dB，最高效率是 2.2％。通過比較，倍頻器的實測結果與仿真結果相當，但變頻損耗在低端時，仿真結果與實測結果的差異較大，最大達到了5 dB。而回波損耗在14GHz以上，測試結果比仿真結果差5dB，最大差了10dB以上。

由于儀器的限制，該測試方法只能對倍頻器輸出40GHz以下的信號進行相位噪聲測試。測試中選擇了 11GHz、12GHz 和 13GHz 三個頻率點進行測試。表 1 給出了相位噪聲的測試結果，在所測頻點中，最大的相位噪聲惡化為 10.5dB。理想三倍頻器相噪惡化指標是20lg³＝9.5。從表1看出，實測的相位噪聲惡化與理想三倍頻器的相位噪聲惡化相當。

5 結束語

研制的無源寬帶毫米波三倍頻器變頻損耗比較低，平坦度比較好，可以應用于毫米波測試儀器中。在以后的倍頻器設計中，為了減小變頻損耗，可在電路中加入自偏置電路或者外加直流偏置電路，這樣就可以降低輸入本振源作為自偏置驅動的功率。

參考文獻

[1] 王正偉.八毫米波寬帶三倍頻器研制[碩士學位論文].成都：電子科技大學，2007

[2] E.Schlecht,G.Chattopadhyay.200,400 and 800GHz Schottky Diode “Substrateless” Multiplier: Design and Results.IEEE, 2001

[3] DavidM.Klymyshyn.Active Frequency Multip -ier Design Using CAD.IEEE,2003

[4] Charlotte Tripon-Canseliet,Alain Maestrin- i.Design of a Wideband 900 GHz Balanced Frequency Tripler for Radioastronomy. IEEE,2004