(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院 武漢 430074)

高效率SRD多路倍頻器設(shè)計*

錢煥裕

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院 武漢 430074)

論文采用多工器對SRD梳狀譜發(fā)生器直接濾波的方法,實現(xiàn)倍頻器的多路輸出。通過實驗測量發(fā)現(xiàn),合理選擇、設(shè)計多工器的帶外阻抗,可以有效改善輸出信號強(qiáng)度,提高倍頻器效率;合理選擇偏置電阻值和驅(qū)動電感值,可以有效改善倍頻器附加相位噪聲。利用該方案,已成功將10MHz的信號,倍頻為80MHz、90MHz、100MHz、110MHz四路輸出信號。

梳狀譜;多工器;倍頻器;多路輸出

ClassNumberTN771

1 引言

倍頻器作為一種常見的微波器件,常用于衛(wèi)星通訊、雷達(dá)以及頻率合成器等射頻微波系統(tǒng)中。其主要功能是將頻率相對較低的晶體振蕩器信號或者VCO信號倍增到相對較高的頻率信號。實現(xiàn)倍頻的方案很多,目前主要使用的有單二極管倍頻器、單平衡倍頻器、雙平衡倍頻器、反向并聯(lián)二極管倍頻器、變?nèi)莨鼙额l器以及階躍恢復(fù)二極管(SRD)倍頻器等。其中,只有SRD倍頻器能夠做到高次諧波倍頻,并同時具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較小的附加相位噪聲。[1]

2 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的倍頻器,輸入頻率相對較低。鑒于實際應(yīng)用需求,使用梳狀譜發(fā)生器和多工器相結(jié)合的方法,直接對梳狀譜進(jìn)行濾波。原理如圖1所示。通過合理設(shè)計多工器的帶外阻抗特性,可以提高倍頻器的轉(zhuǎn)換效率,將10MHz的頻率信號倍頻至80MHz、90MHz、100MHz、110MHz,并且同時輸出。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 梳狀譜發(fā)生器設(shè)計

梳狀譜發(fā)生器又稱為脈沖發(fā)生器。其主要功能是將輸入的單一頻率信號,轉(zhuǎn)換為與輸入信號周期相同的窄脈沖信號。由于窄脈沖通過傅里葉變換,在頻域上具有豐富的頻譜,并且各個頻率分量分別為輸入信號頻率及其各次諧波,所以頻域上會產(chǎn)生等間距分布的梳狀頻譜。脈沖越窄、脈沖幅度越大,頻譜中高頻分量越大,第一個頻率零點越高。

階躍恢復(fù)二極管(SRD)是梳狀譜發(fā)生器的關(guān)鍵器件。其分析模型可視為一個較大的正向偏置電容和一個較小的反向偏置電容的并聯(lián),并且可以在這兩個電容之間進(jìn)行切換。理想情況下,切換時間為零,因此具有很強(qiáng)的非線性。當(dāng)輸入信號周期變化時,正向偏置到反向偏置瞬態(tài)的切換將導(dǎo)致二極管電流的階躍,從而產(chǎn)生窄脈沖[2]。產(chǎn)生脈沖的寬度和強(qiáng)度與SRD的參數(shù)有關(guān),主要影響其輸出的參數(shù)有:

1)載流子壽命τ

載流子壽命直接影響二極管正向偏置時注入PN結(jié)的載流子數(shù)量,影響最小輸入頻率和脈沖電壓的強(qiáng)度,載流子壽命τ應(yīng)滿足以下要求:

(1)

2)反向階躍時間tt

反向階躍時間決定了二極管電流截止的時間,影響脈沖寬度,限制了最高輸出頻率分量fN。反向階躍時間tt應(yīng)滿足以下要求:

(2)

3)反向偏置電容CVR

SRD的反向偏置電容影響著輸出的脈沖寬度以及輸出功率,需要在這兩者之間做取舍才能得到一個合適的值,所以一般要求CVR滿足下式:

(3)

除以上三個參數(shù)以外,還有寄生電阻、寄生封裝電感、反向擊穿電壓等。具體可參看參考文獻(xiàn)[3]。

結(jié)合輸入輸出頻率,我們選擇了MACOM公司的MA-44767。使用的電路形式如圖2所示。

圖2 梳狀譜發(fā)生電路

因為輸入輸出的頻率相對較低,且SRD倍頻器本身對電路參數(shù)十分敏感,所以實際的電感電容參數(shù)需要根據(jù)特定的輸入輸出功率容量以及輸出諧波平坦度等性能指標(biāo),進(jìn)行嚴(yán)格計算、仿真、調(diào)試。在10MHz、9dBm信號輸入下,梳狀譜發(fā)生電路的測試結(jié)果如圖3所示。輸入增加4dB,輸出將增加9dB,不與輸入呈線性關(guān)系。

2.2 多工器設(shè)計

多工器的作用是將系統(tǒng)所需要的頻段相互隔離開來,互不影響。在共用一個SRD的情況下,為了得到80MHz、90MHz、100MHz、110MHz獨立的頻率信號,同時間隔10MHz相鄰頻率之間的抑制要達(dá)到30dBc以上,我們使用星點形結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)多工器。

為了使相鄰?fù)ǖ乐g的隔離度達(dá)到30dBc以上,我們設(shè)計帶通濾波器的帶寬為2MHz～3MHz。通過電路仿真發(fā)現(xiàn),使用集總LC結(jié)構(gòu)實現(xiàn)時,由于器件Q值影響,單個濾波器的帶內(nèi)插入損耗約為3dB,而且會隨著帶寬的變窄而增大。另外,因為SRD由10MHz輸入信號驅(qū)動,所以在多工器設(shè)計調(diào)試時,應(yīng)保證多工器公共端低頻帶外特性為開路,防止驅(qū)動電壓電流被地平面吸收,保證SDR能夠被輸入信號驅(qū)動,使其正常工作。多工器的測量結(jié)果如圖4所示。

合路之后的通道插損約3.5dB,主要是由2%～3%帶寬下,單個濾波器的固有插入損耗造成的,與合路本身關(guān)系不大。同時,合路之后,相鄰?fù)ǖ乐g相互增加了傳輸零點,增加了隔離,使相鄰?fù)ǖ乐g的隔離相比單個濾波器更好。在保證帶外抑制的前提下,可以適當(dāng)增大帶寬,改善濾波器帶內(nèi)插入損耗,提高倍頻器的輸出功率。

3 測試與分析

3.1 倍頻效率

將梳狀譜發(fā)生器和多工器級聯(lián)得到一個完整的多輸出倍頻器,同時梳狀譜發(fā)生電路的驅(qū)動電感電容參數(shù)還應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,以得到較為合適的輸出效果。在10MHz、9dBm輸入時,80MHz、90MHz、100MHz、110MHz的輸出功率和雜散抑制如表1所示。

從圖3可以看出:梳狀譜發(fā)生器在相同輸入條件下,相同頻率處的輸出功率約為-18dBm。因此,使用低頻帶外阻抗為開路的窄帶濾波器提高了輸出倍頻器功率。利用濾波器帶外全反射特性,尤其是10MHz的開路特性,將基頻以及各次諧波的輸出功率反射回收到二極管,二極管將這些功率進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為輸出頻率功率。這里采用的直接濾波的方式與一般單路輸出倍頻器不同,因為不管從輸出頻率還是頻率間隔上來看,使用λ/4或者是集總諧振單元都無法使達(dá)到“振鈴式”輸出的效果。根據(jù)倍頻器各個輸出的輸出功率,可以計算整體的轉(zhuǎn)換效率約為16%。Mini-Circuits公司相同頻段倍頻器RMK-5-51+的插入損耗大于22dB,效率要低很多。而如果使用Q值更高,插入損耗更小的帶通濾波器將使效率進(jìn)一步提高。

3.2 相位噪聲特性

倍頻器另一個關(guān)注的指標(biāo)是相位噪聲。圖5中相位噪聲最低的是10MHz激勵源的相位噪聲,由Agilent-E4438C產(chǎn)生。四個相對較大的曲線分別為80MHz、90MHz、100MHz、110MHz的相位噪聲。理論上,倍頻器輸出的相位噪聲應(yīng)該滿足式(4)。PNadd和PNsource分別為倍頻器附加相位噪聲和輸入源的相位噪聲。由此可以計算得到,在100KHz以下,倍頻器附加的相位噪聲基本可以忽略。100KHz～1MHz之間,倍頻器的相位噪聲在輸出相位噪聲中附加了6dBc/Hz。1MHz以外出現(xiàn)衰減,是由窄帶濾波器的插入損耗逐漸增大引起的。

PNout=PNadd+PNsource+10logN

(4)

通過測量發(fā)現(xiàn),100KHz～1MHz之間的附加噪聲與整體轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)正相關(guān),可以通過減小輸出功率來降低附加的相位噪聲和末端上翹的程度。

圖5 倍頻器輸出相噪

4 結(jié)語

以上就是多輸出倍頻器仿真和實驗結(jié)果。電路完成了將10MHz的信號倍頻至80MHz、90MHz、100MHz、110MHz的功能。通過實驗發(fā)現(xiàn),合理選擇濾波器的帶外阻抗特性可以提高倍頻器的輸出功率。使用同樣的方法也可以使梳狀譜發(fā)生器的效率改善。整體的轉(zhuǎn)換效率約為16%。另外,100KHz以下的附加相位噪聲基本可以忽略,根據(jù)實際需要,可以適當(dāng)調(diào)節(jié)電路參數(shù),在輸出效率和附加噪聲之間做折中考慮。

[1]Stephen. A. Maas. The RF and Microwave Circuit Design Cookbook[M]. Boston:Artech House,1998.

[2]Jian Zhang, Antti. V. Raisanen. Improving the CAD of SRD frequency multipliers[C]//IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, IV. CONCLUSIONS,1996:1767-1770.

[3]Mu XiaoHua, Dong Hao. A Low Phase-noise Ka-band Frequency Synthesizer[C]//2011 China-Japan Microwave Conference Proceedings(CJMW),2011.

[4]Howard Charles Reader, Dylan F. Williams, Paul D. Hale, et al. Clement. Comb-generator characterization[J]. IEEE Trans. Microwave Theory &Tech.,2008,56(2):515.

[5]Qiliang Li, Wanshun Jiang, Yanfeng Xu, et al. Analysis and design of wide-band comb generator based on SRD[C]//Microwave and Millimeter Wave Technology(ICMMT),2012.

[6]Nelson. C. W, Hati. A, Nava. J. F. G, et al. Phase noise suppression in frequency comb generators[C]//Frequency Control Symposium(FCS), IEEE International,2010:440-442.

[7]Galbraith. C. J, Rebeiz. G. M. Higher Order Cochlea-Like Channelizing Filters[J]. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions,2008:1675-1683.

[8]Maiuzzo. M, Harwood. T, Duff. W. Radio Frequency Distribution System(RFDS)for Cosite Electromagnetic Compatibility[C]//Electromagnetic Compatibility, 2005. EMC 2005. 2005 International Symposium on IEEE,2005,1:250-255.

[9]徐振宇,錢澄.階躍恢復(fù)二極管倍頻器的設(shè)計[J].電子器件,2005,28(1):125-127.

[10]朱習(xí)松,黃方,蘇憲法.基于階躍恢復(fù)二極管SRD的高速脈沖發(fā)生器[J].電子質(zhì)量,2010(4).

[11]周建明,費元春.SRD建模及其在沖激脈沖產(chǎn)生電路中的應(yīng)用[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2007,27(1):55-58.

HighEfficiencySRDMultiplexFrequencyMultiplierDesign

QIAN Huanyu

(Institute of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074)

In this paper, SRD comb-spectrum generator is direct filtered by the multiplexer to achieve multi-channel output Through the experimental measurement, we find that by reasonable selection and design of multiplexer out-of-band impedance, the output signal amplitude and the efficiency of frequency multiplier can be effectively improved;by reasonable selection of bias-resistance and drive inductor, the phase-noise of frequency multiplier can also be improved. Using this scheme, 10MHz signal has already been converted to 70MHz、80MHz、90MHz、100MHz four output signals successfully.

comb spectrum, multiplexer, multiplier, multiplexing output

2013年11月7日,

:2013年12月17日

錢煥裕,男,碩士,研究方向:射頻與微波。

TN771DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.020