引言

毫米波寬帶倍頻器是毫米波頻率合成的關鍵器件之一，有著廣泛的應用背景。倍頻器基本都是利用半導體器件的非線性特性產(chǎn)生輸入信號的多次諧波，同時配合Balun電橋、諧波提取電路等實現(xiàn)多次倍頻信號的輸出。目前，半導體器件的非線性電阻或電抗特性是構成倍頻器的基礎，而容性非線性電抗在實際電路中得到的應用較多，變容二極管、階躍恢復二極管和FET三端器件都是倍頻電路中廣泛采用的器件。本文在簡要分析非線性倍頻理論的基礎上，介紹了一種毫米波寬帶倍頻器的工程設計方法。

1 方案分析

本文主要討論X波段到7 mm波段的毫米波寬帶四倍頻器，其指標如下：輸入頻率8．25～12．5 GHz，功率10～17 dBm；輸出頻率33～50 GHz，功率大于10 dBm；諧波抑制大于20 dBc；電源+12 V／600 mA；輸入接頭為SMA-K，輸出接頭為WR22標準波導，輸入、輸出相互垂直。

根據(jù)指標要求進行分析：在輸入功率10～17 dBm時直接實現(xiàn)X波段到7 mm波段的四倍頻，倍頻損耗太大，提取四次諧波并放大到要求的輸出功率難度較大，所以設計采用兩次二倍頻實現(xiàn)。這樣對于每次倍頻后需提取的諧波，倍頻損耗較少，對放大器要求降低；同時分兩次二倍頻也有助于提高最后輸出的雜波抑制。

四倍頻后的輸出采用微帶到波導的探針過渡，整個倍頻器設計在一個小型密封腔體內，由倍頻、放大、濾波等多個模塊級聯(lián)而成，便于維修及調試。經(jīng)過以上分析，最后得到整個毫米波寬帶倍頻器的原理框圖如圖1所示。

2 關鍵電路設計

2．1 二倍頻電路

按照方案設計，整個倍頻器包含兩個二倍頻模塊，其原理和電路結構相同，這里以8．25～12．5 GHz到16．5～25 GHz的倍頻模塊為例，介紹二倍頻電路的設計方法。

選用二極管作為倍頻器件，根據(jù)倍頻理論，在微波電路中只要并聯(lián)或串聯(lián)一個二極管，都會因為其非線性電抗產(chǎn)生倍頻作用，配合相應的匹配電路和濾波電路就構成了一個基本的倍頻器。但是，這樣的倍頻器效率較低，實際的倍頻器通常都采用多個二極管構成平衡結構，以增強對不需要諧波的抑制，提高倍頻效率。

本文也采用平衡倍頻電路，兩只同樣的二極管相對于輸入和輸出信號分別以反向并聯(lián)和串聯(lián)形式接入，原理如圖2所示。

該電路實際上是一種全波整流電路，其中輸入信號的前半個周期上面一只二極管導通，后半個周期下面一只二極管導通，流經(jīng)每個二級管的電流分別為

由此可見，輸出電流中只包含輸入頻率的偶次諧波分量，實現(xiàn)了對輸入頻率偶次倍頻。當然以上結果是在電路絕對平衡的情況下得到的，實際電路不可能絕對平衡，電路的性能就會變差。

要實現(xiàn)原理圖所示的平衡二倍頻器，關鍵電路就是安裝反向并聯(lián)二極管的平衡電路，以及將平衡電路轉換成單端輸出的Balun電橋。

采用CPW作為安裝并聯(lián)器件的平衡電路，為了與CPW配合，使用槽線到微帶的過渡實現(xiàn)Balun電橋。整個電路分上下兩面，采用薄膜工藝制作在陶瓷基片上，如圖3所示。實線為正面電路，虛線為背面電路。電路尺寸通過在三維仿真軟件建模優(yōu)化得到。

為了提高二極管的一致性以及便于安裝，選用T字型封裝的梁式引線二極管對，安裝在背面CPW和槽線連接處。將整個結構在ADS中進行仿真、優(yōu)化，結果如圖4所示（其中橫軸表示輸出信號對應的頻率，單位：GHz；縱軸表示輸出信號的功率，單位：dBm）。

圖4的仿真結果是在輸入功率+13 dBm情況下得到的，由此可算出倍頻損耗為10 dB，滿足圖1中方案設計的要求。同時由仿真結果可以看出，奇次諧波得到很好的抑制，與理論分析結果一致。

2．2 微帶到波導的探針過渡

整個倍頻器通過混合集成的工藝實現(xiàn)，最后輸出的33～50 GHz信號通過探針過渡，實現(xiàn)微帶到波導的輸出并保證電路的密封要求。

探針過渡結構比較成熟，在HFSS中針對輸出頻段建模并仿真，即可得到所需的尺寸，如圖5、圖6所示。

圖6中上面一條曲線表示探針過渡結構的S21（dB），下面一條曲線表示探針過渡結構的S11（dB），橫軸表示仿真頻率33～50 GHz。得到實物后，再根據(jù)測試結果做一定調試，就能得到比較滿意的結果。

3 測試結果及分析

完成上述關鍵電路的設計后，再配合模塊化的放大器和濾波器，就得到了整個毫米波四倍頻器，如圖7所示。

對其關鍵指標測試，工作帶寬及輸出功率測試結果如圖8所示。

其中橫軸表示測試的頻率范圍為30～50 GHz，縱軸表示輸出頻譜的功率dBm?？梢?，該倍頻器實現(xiàn)了33～50 GHz頻段內的四倍頻輸出，并且全頻段的輸出功率均大于10 dBm，滿足指標要求。

諧波抑制方面，因為該倍頻器工作頻帶較寬，所以低端輸入頻率的五次諧波會落入工作頻帶以內，其諧波抑制應該最差，對最差的這種情況進行測試，結果如圖9所示。橫軸表示輸出信號的頻率GHz，縱軸表示輸出信號的功率dBm?？梢姡藭r的諧波抑制為23 dBc，滿足設計要求。