肖 宇，汪曉光

（電子科技大學(xué)，四川 成都 611731）

0 引 言

隨著微波技術(shù)在移動(dòng)電話、無(wú)線通信、個(gè)人通信網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)及雷達(dá)、電子對(duì)抗等方面的廣泛應(yīng)用，非線性電路在上述系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)成為亟待解決的主要問(wèn)題，而設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)在于對(duì)非線性器件大信號(hào)特性的分析[1]。

近年來(lái)，SIW結(jié)構(gòu)的興起，促使SIW在天線、功分器和濾波器等方面的應(yīng)用層出不窮。SIW器件具有比矩形波導(dǎo)更小的尺寸，比微帶結(jié)構(gòu)更高的品質(zhì)因數(shù)和更小的插入損耗。此外，SIW結(jié)構(gòu)可以使用平面電路的制造過(guò)程將其他平面或非平面電路輕松集成[2]。與傳統(tǒng)平面電路相比，SIW的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，易于用標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板（PCB）機(jī)械制造。此外，與其他平面?zhèn)鬏斁€相比，SIW的品質(zhì)因數(shù)Q更高[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)倍頻器的研究主要集中在毫米波段，且較流行的應(yīng)用是單頻或窄帶信號(hào)的上變頻，在微波頻段的寬帶信號(hào)的應(yīng)用較少[4]。本文針對(duì)K波段進(jìn)行寬帶無(wú)源倍頻器設(shè)計(jì)，成功研制了一個(gè)18.75～19.25 GHz的倍頻器。該倍頻器在輸入功率30 dBm的情況下，中心頻率處的諧波分量大于20 dBm。該倍頻器具有無(wú)源大功率特性，且易于集成。

利用旋磁鐵氧體設(shè)計(jì)的大功率無(wú)源倍頻器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率大、易于集成、倍頻效率高等特點(diǎn)，將會(huì)拓展倍頻器的設(shè)計(jì)，將越來(lái)越受人們的重視。

1 旋磁鐵氧體倍頻器原理

旋磁鐵氧體倍頻器的主要機(jī)理是利用旋磁鐵氧體非線性產(chǎn)生諧波實(shí)現(xiàn)倍頻。鐵氧體傳輸線具有非線性電感，根本原因在于鐵氧體的磁化強(qiáng)度M是關(guān)于磁場(chǎng)H的非線性函數(shù)。因此，可以通過(guò)M隨H的變化關(guān)系表達(dá)式來(lái)推導(dǎo)鐵氧體傳輸線的非線性特性[5]。如圖1所示，磁化強(qiáng)度M和磁場(chǎng)H成非線性，對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)率也成非線性。

圖1 磁化曲線與磁導(dǎo)率

M隨H的變化關(guān)系可以使用朗道-吉爾伯特（L-G）形式進(jìn)動(dòng)方程表示為[6]：

式中：Ms為飽和磁化強(qiáng)度；γ為旋磁比，對(duì)于鐵氧體通常當(dāng)常數(shù)對(duì)待，即γ=-1.76×1011（rad/（s·T）；σ為標(biāo)志磁損耗的無(wú)量綱阻尼系數(shù)。

鐵氧體內(nèi)部磁矩在外場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)，影響了鐵氧體傳輸線中波的傳播，進(jìn)而影響了磁芯內(nèi)部磁矩的運(yùn)動(dòng)。電磁波在非線性鐵氧體傳輸線中的傳播過(guò)程可用一維傳輸線方程表示為：

式中：C0和L(i)分別為傳輸線單位長(zhǎng)度的電容和電感，進(jìn)一步表示成：

式中：M為磁化強(qiáng)度，H為內(nèi)場(chǎng)。

由得到的旋磁鐵氧體的非線性，設(shè)計(jì)一個(gè)飽和磁矩在3 000 gauss±1 000 gauss、內(nèi)場(chǎng)在130 000A/M±50 000A/M的SIW旋磁鐵氧體倍頻器。

2 旋磁鐵氧體倍頻器的設(shè)計(jì)

2.1 SIW傳輸線的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)10～20 GHz基頻傳輸?shù)腟IW傳輸線，結(jié)構(gòu)和結(jié)果分別如圖2、圖3所示。

圖2為雙排金屬通孔傳輸線，圖3為傳輸線的S11和 S21曲線，其中 S21＞-0.01 dB，S11＜-30 dB。

2.2 旋磁鐵氧體倍頻器的設(shè)計(jì)

在旋磁鐵氧體無(wú)源倍頻器的設(shè)計(jì)中，最重要是確定鐵氧體的非線性工作點(diǎn)。通過(guò)上述原理，計(jì)算得到鐵氧體的非線性點(diǎn)為飽和磁矩在3 000 gauss±1 000 gauss，內(nèi)場(chǎng)在130 000A/M±50 000A/M，這個(gè)范圍的非線性較強(qiáng)。選取飽和磁矩在3 500 gauss，內(nèi)場(chǎng)在130 000A/M附近的工作點(diǎn)。器件結(jié)構(gòu)采用鐵氧體圓柱嵌入SIW傳輸線，結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

圖2 SIW傳輸線結(jié)構(gòu)

圖3 SIW傳輸線S參數(shù)

圖4 為旋磁鐵氧體圓柱結(jié)構(gòu)，圖5為SIW旋磁鐵氧體倍頻器結(jié)構(gòu)。

2.3 旋磁鐵氧體倍頻器調(diào)試

由于非線性點(diǎn)的確定和頻率、材料、器件結(jié)構(gòu)的各個(gè)尺寸有關(guān)，因此下面將研究相關(guān)參數(shù)對(duì)倍頻效率的影響。

2.3.1 鐵氧體半徑變化對(duì)非線性點(diǎn)的研究

鐵氧體半徑的改變將影響倍頻器的匹配和諧振等特性，計(jì)算得到頻率和倍頻效率隨半徑的變化分別如圖6、圖7所示。

圖4 鐵氧體圓柱結(jié)構(gòu)

圖5 SIW旋磁鐵氧體倍頻器結(jié)構(gòu)

圖6 非線性頻率中心點(diǎn)隨鐵氧體半徑的變化

圖7 S參數(shù)隨鐵氧體半徑的變化

由圖6可知，隨著鐵氧體半徑的增大，倍頻器呈現(xiàn)感性，頻率點(diǎn)左移。由圖7可知，倍頻效率隨著半徑的增大先變好再變差，在中心頻率19 GHz附近，半徑為3.8 mm有較好的倍頻效率。

2.3.2 SIW傳輸線高度變化對(duì)非線性點(diǎn)的研究

SIW傳輸線高度變化會(huì)改變器件的容感性，具體影響如圖8、圖9所示。

圖8 非線性頻率中心點(diǎn)隨SIW高度的變化

圖9 S參數(shù)隨SIW高度的變化

由圖8可知，SIW傳輸線高度對(duì)頻率的影響成線性。由圖9可知，SIW傳輸線高度越小，倍頻效率越低，原因是原倍頻器呈現(xiàn)感性，SIW高度降低，容性增加，倍頻效率提高。

2.3.3 鐵氧體內(nèi)場(chǎng)變化對(duì)非線性點(diǎn)的研究

鐵氧體內(nèi)場(chǎng)改變將影響鐵氧體的非線性點(diǎn)，具體影響如圖10、圖11所示。

圖10 非線性頻率中心點(diǎn)隨鐵氧體內(nèi)場(chǎng)變化

圖11 S參數(shù)隨鐵氧體內(nèi)場(chǎng)的變化

由圖10可知，SIW內(nèi)場(chǎng)增加，頻率增加。由圖11可知，倍頻器隨內(nèi)場(chǎng)增大，倍頻效率先變好再變差，在中心頻率為19 GHz附近，內(nèi)場(chǎng)為150 000A/M具有較好的倍頻效率。

2.3.4 鐵氧體飽和磁矩變化對(duì)非線性點(diǎn)的研究

鐵氧體飽和磁矩改變將影響鐵氧體的非線性點(diǎn)，具體影響如圖12、圖13所示。

由圖12可知，飽和磁矩的增加，頻率點(diǎn)右移。由圖13可知，飽和磁矩的增加，倍頻效率先增加后減小，在中心頻率為19 GHz附近，飽和磁矩為3 700 gauss具有較好的倍頻效率。

圖12 非線性頻率中心點(diǎn)隨鐵氧體飽和磁矩的變化

圖13 S參數(shù)隨鐵氧體飽和磁矩的變化

擬合得到中心頻率19 GHz效率為74%，計(jì)算得到的場(chǎng)和S參數(shù)，如圖14、圖15所示。

圖14為旋磁鐵氧體倍頻器中心頻率19 GHz處的電場(chǎng)圖，是直觀的倍頻場(chǎng)圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖15為旋磁鐵氧體倍頻器中心頻率19 GHz的S參數(shù)曲線，其帶內(nèi)S11和S21最佳處可低于-8.5 dB。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文成功研制了一個(gè)18.75～19.25 GHz旋磁鐵氧體無(wú)源倍頻器，實(shí)現(xiàn)了在輸入功率30 dBm的情況下，中心頻率處的諧波分量大于20 dBm。此外，研究鐵氧體非線性點(diǎn)隨器件各個(gè)參數(shù)變化的規(guī)律，為鐵氧體無(wú)非線性的研究提供了有效的方法和經(jīng)驗(yàn)?？梢?jiàn)，它具有應(yīng)用于SIW集成研發(fā)、大功率倍頻、大功率非線性系統(tǒng)的能力，具有重大的應(yīng)用價(jià)值。

圖14 19 GHz頻率點(diǎn)場(chǎng)圖

圖15 中心頻率19 GHz S參數(shù)