小型化十二倍頻器研究與報告

1 引言

倍頻器是指能完成輸入信號頻率倍增功能的電子組件，在工作頻率較高而對頻率穩(wěn)定性要求嚴格的電子設(shè)備中，用一般的LC振蕩器很難達到要求，若采用高穩(wěn)定的晶振，通過倍頻放大即可很容易的實現(xiàn)穩(wěn)頻要求。

在頻率合成器中，利用倍頻器中所產(chǎn)生的各次諧波頻率，通過頻率合成可得到步進間隔小、點數(shù)很多的穩(wěn)定頻率輸出，可以很方便的使用到雷達、通信、測量等領(lǐng)域。利用倍頻器還可以制成毫米波信號源，在毫米波通信、軍事偵查、制導(dǎo)等方面有著廣泛的應(yīng)用。

2 倍頻器原理

從理論上講，任何非線性原件都能夠用來實現(xiàn)倍頻，從工作原理上可分為非線性電抗（電容）型和非線性電導(dǎo)（電容）型。當用正弦波驅(qū)動非線性元件時，其輸出端就會產(chǎn)生輸入頻率的高次諧波分量，采用適當?shù)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器就能選出所需的諧波分量，即可實現(xiàn)輸入信號的倍頻。常采用的非線性倍頻元件有二極管、晶體管等。

倍頻器的實現(xiàn)方式是多種多樣的，一般用以下七種方法來實現(xiàn)倍頻：（1）用二極管的PN結(jié)的靜態(tài)非線性V-I關(guān)系，即非線性電導(dǎo)產(chǎn)生諧波；（2）用雙極晶體管的非線性產(chǎn)生諧波；（3）用GaAs FET管得到具有增益的倍頻器；（4）用寬帶單片放大器的非線性產(chǎn)生諧波，并放大諧波構(gòu)成寬帶倍頻器；（5）振蕩器被注入鎖定在基頻的N次諧波上實現(xiàn)倍頻；（6）用變?nèi)荻壒艿梅蔷€性電抗實現(xiàn)參量倍頻；（7）用階躍恢復(fù)二極管產(chǎn)生諧波，實現(xiàn)倍頻。

2.1 二極管微波倍頻器

二極管微波倍頻器常采用肖特基二極管、變?nèi)荻O管和階躍恢復(fù)二極管來實現(xiàn)。肖特基二極管由于具有極低的附加相位噪聲本底（可達-170dBC/Hz（@1kHz）），是倍頻電路的首選器件，也是極少可實現(xiàn)毫米波以上頻段的倍頻器件。

變?nèi)荻O管和階躍恢復(fù)二極管通常用來實現(xiàn)大功率和高次倍頻。階躍恢復(fù)二極管倍頻器是利用PN結(jié)的正向電壓存儲和反向電壓抽取特性，使之將每一輸入周期的能量變換為一個狹窄的、大幅度的脈沖，其頻率等于輸入信號的頻率，經(jīng)帶通濾波器濾除不需要的諧波，這樣在負載上得到倍頻信號。

通常認為階躍恢復(fù)二極管適用于倍頻次數(shù)較高的梳譜信號發(fā)生器中。但由于階躍恢復(fù)二極管是一種高度的非線性元件，很容易引起電路振蕩和自激，同時對輸入激勵電平、負載牽引較為敏感，在實際工作中需要仔細調(diào)試。

2.2 晶體管微波倍頻器

晶體管微波倍頻器是利用其工作于飽和區(qū)或截止區(qū)來產(chǎn)生諧波，如 C 類放大器輸出調(diào)諧到 n 倍的輸入頻率上。這種微波倍頻器單向性、隔離性號，并有增益的特點。三極管微波倍頻器一般由雙極晶體管和場效應(yīng)三極管構(gòu)成，倍頻次數(shù)一般小于 20。用雙極晶體管微波倍頻器產(chǎn)生C波段以下的輸出頻率非常簡單，成本也較低，是頻率源中常用的電路。用場效應(yīng)三極管微波倍頻器可產(chǎn)設(shè)幾十GHz輸出頻率，同時提供較高的倍頻效率和較寬的工作頻帶，對輸入功率要求較低。

這類倍頻器的工作狀態(tài)易受激勵偏置、溫度變化等出現(xiàn)劇烈變化，因此使用時一般要加入恒流、溫補等措施。

2.3 GaAsFET 微波倍頻器

當 GaAsFET場效應(yīng)管被置于飽和或截止狀態(tài)時，射頻漏極電流Id 被限幅引起非線性，由于 FET 工作在飽和狀態(tài)時，要求更大的直流漏極電流，導(dǎo)致電流至射頻的轉(zhuǎn)換效率較低，而柵極電流尖峰的存在會損壞 FET，所以 GaAsFET 微波倍頻器采用 FET 工作在截止狀態(tài)的模式，即VGS = Vp 。這時 FET 直流漏極電流很小，可靠性高。

由于 GaAsFET 場效應(yīng)微波倍頻器能夠在頻帶范圍內(nèi)獲得較低的變頻損耗甚至變頻增益，輸入電路輸出電路之間具有良好的隔離，因而越來越受到人們的重視。

以上各種倍頻器各有優(yōu)點，當工作在倍頻次數(shù)較小的情況下，可用三極管、FET管及寬帶放大器的方法來實現(xiàn)倍頻。當倍頻次數(shù)較高時，應(yīng)優(yōu)先采用恢復(fù)二極管來倍頻。晶體三極管，F(xiàn)ET管及寬帶放大器等倍頻器一般為變阻類型，所以電路穩(wěn)定，溫度特性好。而階躍恢復(fù)二極管為參量倍頻，電路穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性較差，但可實現(xiàn)高次倍頻。一般變?nèi)莨艿谋额l效率僅為1/（n*n），而階躍管的效率為1/n。

設(shè)計倍頻器時，還應(yīng)注意倍頻器引起的相位噪聲變壞和附加噪聲的增加。但給定一個倍頻次數(shù)和與之相關(guān)的功率效率后，應(yīng)合理設(shè)計輸入信號的射頻功率，使倍頻器的輸出信號的信噪比不應(yīng)變壞，以不影響輸出相位噪聲。要做到這一點，要求輸入功率不能太大。

3 倍頻器設(shè)計實例

設(shè)計目標是輸入信號頻率為30MHz，經(jīng)過12次倍頻，輸出諧波抑制大于50dB，工作電流小于100mA。

基本工作原理如圖一示：輸入信號經(jīng)過諧波發(fā)生器，通過帶通濾波器選取出3次倍頻信號；再進入單片放大器進行適當?shù)墓β史糯?，然后?jīng)過諧波發(fā)生器帶通濾波器濾除雜波，提取出4次倍頻信號；得到需要的12次倍頻信號，放大到指標要求的功率后經(jīng)過功分器分成兩路信號。

小型化十二倍頻器研究與報告

圖1 倍頻器原理框圖

由于在變換過程中涉及到多次非線性信號處理，因此會產(chǎn)生豐富的諧波分量。如何充分高效的利用需要的頻率分量是設(shè)計中的關(guān)鍵。本方案采用兩次有源倍頻，即先倍頻3次，濾掉其他諧波分量后再4次倍頻的方式，由于晶體管放大器效率較高，工作穩(wěn)定可靠，兩級諧波發(fā)生器均采用晶體管放大器實現(xiàn)。為了滿足總電流的要求，方案中選用放大器不能過多，同時放大器的工作電源也不能過大，實際設(shè)計中選取了3級放大器。在實驗過程中，我們還發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)節(jié)放大器的工作電流來提高倍頻效率，有如下規(guī)律，減小電流，可以減小放大器的1dB壓縮點，有利于提高倍頻的效率。

小型化十二倍頻器研究與報告

圖2 倍頻器輸入輸出功率測試框圖

倍頻器的一個重要指標是在寬溫工作范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。晶體管的工作點易受溫度變化的影響，從而導(dǎo)致倍頻信號輸出功率波動較大。影響倍頻器工作穩(wěn)定性的一個重要因素是輸入信號功率的變化，因為輸入信號的大小會改變晶體管的工作偏置電壓。對不同的放大器，輸入信號的影響不同。圖二給出了三種不同放大器輸入輸出功率關(guān)系圖。改善上述穩(wěn)定性的最重要措施是加入負反饋，負反饋的引入不僅可以穩(wěn)定輸出信號。同時也減低的晶體管的壓縮點，使輸出諧波分量更易于穩(wěn)定。

電路設(shè)計中還需要考慮到阻抗匹配，阻抗不匹配會引起信號的反射，導(dǎo)致倍頻效率降低，輸出信號功率達不到指標要求。同時還要注意電磁兼容設(shè)計，除了大面積接地外，每個放大器，每個單元的電源都采用了極強的濾波措施，防止了信號線從電源上互相串擾，避免了串擾雜散。

倍頻器的另一個最重要指標是諧波和雜波抑制，通?？梢酝ㄟ^設(shè)計合適的濾波器來實現(xiàn)。濾波器的設(shè)計應(yīng)兼顧帶外抑制和損耗要求，損耗太大會影響倍頻效率，矩形度差會影響諧波和雜波抑制。本設(shè)計采用聲表面波濾波器，損耗小于6dB，帶外抑制大于80dB。圖三給出了濾波器的幅頻響應(yīng)實測結(jié)果。

小型化十二倍頻器研究與報告

圖3 濾波器的幅頻響應(yīng)實測結(jié)果

4 實驗結(jié)果

當輸入信號為30MHz，輸入功率為3～5dBm時，倍頻輸出功率大于6dBm，諧波抑制大于50dB，在－55～85oC范圍內(nèi)，功率波動小于2 dB，工作電流小于100mA，組件體積為70mmX25mmX20mm。當輸入信號相位噪聲≤-137dBC/Hz（@10kHz）時，輸出信號相位噪聲≤-114dBC/Hz（@10kHz），和理論相比惡化了（137-114）- 20log12=1.42dB，主要是由于第一級晶體管的噪聲系數(shù)所引入，和理論較好吻合。

小型化十二倍頻器研究與報告