郭 彬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

0 引言

隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)微波電路設(shè)計(jì)水平的不斷提高，Ka及以上波段寬帶微波頻率源在各類(lèi)通信整機(jī)中經(jīng)常出現(xiàn)，作為頻率源的核心部件，寬帶倍頻器的設(shè)計(jì)得到了越來(lái)越多通信工程師的重視，其不僅擴(kuò)展了頻率源的帶寬,還簡(jiǎn)化頻率源的構(gòu)成,節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，降低了整機(jī)的功耗。

倍頻器根據(jù)工作方式的不同,分為奇次倍頻和偶次倍頻。奇次倍頻和偶次倍頻都是基于二極管或三極管的非線(xiàn)性特性設(shè)計(jì)的倍頻方式。此外，依據(jù)倍頻器工作時(shí)是否需要外置直流電源，又可將其分成有源倍頻器和無(wú)源倍頻器2類(lèi)。相對(duì)于有源倍頻,無(wú)源非線(xiàn)性倍頻具有電路相對(duì)簡(jiǎn)單、無(wú)需外加偏置、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，由于二極管制作技術(shù)和輸入輸出匹配技術(shù)的限制，國(guó)內(nèi)多年來(lái)在工作頻率帶寬和倍頻損耗等方面始終沒(méi)有大的突破。

近年來(lái)，隨著MMIC技術(shù)的發(fā)展，單片倍頻器的設(shè)計(jì)有了一定進(jìn)步，但僅限于產(chǎn)品體積的縮小[1-4]；受限于使用的原材料及工藝條件，在工作頻率帶寬的展寬和倍頻效率的提高等方面沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。2016年，電子科大陳奉云等[5]設(shè)計(jì)的一款毫米波段單片二倍頻器，輸入頻率4～8 GHz，輸出頻率8～16 GHz，倍頻損耗13 dB。

本文采用4個(gè)相同的硅肖特基勢(shì)壘二極管構(gòu)成的橋形堆作為寬帶倍頻器件,利用無(wú)源寬帶輸入輸出匹配技術(shù)，在電磁場(chǎng)仿真優(yōu)化和傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法下，實(shí)現(xiàn)了輸入輸出信號(hào)頻率覆蓋多倍頻程，工作頻帶內(nèi)倍頻損耗指標(biāo)達(dá)到國(guó)外同類(lèi)器件水平。

1 二倍頻器電路原理和特性

二倍頻器的作用是將一次輸入信號(hào)倍頻到二次諧波信號(hào)，根據(jù)電路形式不同分為單平衡倍頻器和雙平衡倍頻器。

單平衡倍頻器由2個(gè)二極管和一個(gè)輸出變壓器組成，由于輸入未加匹配，工作頻帶難以展寬，通常達(dá)不到一個(gè)倍頻程，同時(shí)倍頻效率也達(dá)不到預(yù)期的要求[6]。單平衡倍頻器原理如圖1所示。

圖1 單平衡倍頻器原理Fig.1 Principle of single balanced frequency multiplier

以單平衡倍頻器電路原理為基礎(chǔ)，通過(guò)增加輸入匹配電路及參加倍頻的二極管數(shù)量，構(gòu)造出了一種全新的雙平衡倍頻器電路形式，它由4個(gè)二極管及輸入輸出匹配電路組成。

為減小分布參數(shù)，多采用橋堆形式封裝，將4個(gè)性能相近的二極管封裝在一起，組成二極管橋堆；而輸入輸出匹配電路由2個(gè)寬邊耦合懸置帶線(xiàn)組成的巴倫及匹配電感構(gòu)成,從而實(shí)現(xiàn)寬帶倍頻,其工作形式如圖2 所示。

圖2 二次倍頻器的電路原理Fig.2 Circuit principle of frequency doubler

連續(xù)波信號(hào)通過(guò)4個(gè)二極管(通常稱(chēng)為橋堆) 構(gòu)成了連續(xù)波整流電路。信號(hào)在正半周時(shí)使節(jié)點(diǎn)1,2之間和4,3之間的二極管正向偏置，而使節(jié)點(diǎn)2,3之間和1,4之間的二極管反向偏置；在負(fù)半周時(shí)則完全相反，使節(jié)點(diǎn)3,2之間和4,1之間的二極管正向偏置，而使節(jié)點(diǎn)2,1之間和3,4之間的二極管反向偏置。單獨(dú)一個(gè)二極管上的電流為[7]:

i1= -is[exp(-av) - 1]，

(1)

i2=is[exp(av) - 1]，

(2)

式中，is為反向電流；v為二極管兩端外加電壓；a=q/ηkT，其中q為電子電荷,η為理想因子(其理想值為1),k為波爾茲曼常數(shù),T為絕對(duì)溫度。

輸入端電流：

ig=i1+i2= 2issinh(av)=4is[I1(av) cos(wt)+

I3(av) cos(3wt) +I5(av) cos(5wt) + …]。(3)

輸出端電流：

il=i1-i2= 2is-2is( cosh (av)- 1) =

2is[I0(av) + 2I2(av) cos(2wt)+4I4(av) cos(4wt) + …]，

(4)

式中，In(av) 為n階倍賽爾函數(shù)。

式(3)、式(4)表明,橋堆輸入端的主要信號(hào)是基波和奇次諧波，而輸出端的主要信號(hào)是偶次諧波，實(shí)現(xiàn)了基波分量和偶次諧波分量的分離。體現(xiàn)在實(shí)測(cè)結(jié)果上，二倍頻器輸出信號(hào)中二次諧波分量比基波分量功率大20 dB。二倍頻器部分版圖及裝配如圖3所示，其中含電路基板和橋堆。二倍頻器實(shí)物鍍鎳盒體如圖4所示。

圖3 二倍頻器部分版圖及裝配Fig.3 Partial layout and assembly diagram of frequency doubler

圖4 二倍頻器實(shí)物Fig.4 Actual picture of frequency doubler

2 寬帶二倍頻器電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

二倍頻器由輸出、輸入寬邊耦合懸置帶線(xiàn)巴倫和二極管橋堆組成。在寬帶二倍頻器中,寬邊耦合懸置帶線(xiàn)巴倫的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)工作的核心部分,因?yàn)槎O管橋堆的工作帶寬是由外圍匹配電路決定的，輸入、輸出懸置帶線(xiàn)寬邊耦合匹配電路的帶寬對(duì)二倍頻器的帶寬起著決定性的作用。倍頻器的輸入、輸出采用懸置帶線(xiàn)寬邊耦合匹配電路的設(shè)計(jì)。

相對(duì)于其他非線(xiàn)性二倍頻器,硅肖特基勢(shì)壘二極管構(gòu)成的倍頻器的最大優(yōu)勢(shì)是寬帶。二極管倍頻器的非線(xiàn)性倍頻部分可以用2個(gè)或4個(gè)二極管組成。由2個(gè)二極管組成的偶次倍頻器工作帶寬窄，倍頻效率低，且溫度穩(wěn)定性不好，在實(shí)際使用中已不多見(jiàn)；4個(gè)二極管組成的二極管排列可有效抑制諧波，提高倍頻效率，通過(guò)二極管之間的互補(bǔ)效應(yīng)可大大提高其溫度穩(wěn)定性[8-11]；經(jīng)比較，本文采用雙平衡式結(jié)構(gòu)搭建了二極管橋堆，提高整個(gè)倍頻電路的溫度穩(wěn)定性,使輸出、輸入相互隔離,同時(shí)抑制不必要的奇次諧波,獲得較高的倍頻效率。

在本文的設(shè)計(jì)中,采用了寬邊耦合懸置帶線(xiàn)來(lái)進(jìn)行阻抗匹配,實(shí)現(xiàn)寬帶倍頻。介質(zhì)基片選用ε= 2.2,h= 0.13 mm 的介質(zhì)材料。利用HFSS對(duì)無(wú)源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電磁仿真。

此外，二極管橋堆的三維立體式安裝方式也在寬帶二倍頻器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用。選用的二極管橋堆外形如圖5所示，該種封裝方式的二極管橋堆除了可以采用表貼式安裝外，還可以在成型后采用立體式安裝方式；由于寬邊耦合懸置帶線(xiàn)巴倫在微波電路板兩面均有圖形，與二極管橋堆的立體式安裝方式正好匹配。該種裝配方式有效地減小了封裝管腿引入的寄生參數(shù)，有利于二倍頻器擴(kuò)展工作頻率帶寬。在裝配過(guò)程中，采用焊錫焊接的方式把二極管橋堆和匹配巴倫連接起來(lái)，由于二極管橋堆在倍頻過(guò)程中需要吸收一定的耗散功率，有一定的溫度升高，故焊接不可采用低溫焊料。

圖5 二極管橋堆外形Fig.5 Diode bridge configuration

二極管橋堆和懸置帶線(xiàn)巴倫組成的倍頻器整體電路采用ADS 諧波平衡功能和原理圖進(jìn)行聯(lián)合仿真[5]。電路的輸出功率仿真結(jié)果如圖6所示，在2～22 GHz 的頻率范圍內(nèi)，倍頻損耗小于11.5 dB。

用頻率源和頻譜儀組成測(cè)試系統(tǒng)，當(dāng)二倍頻器工作在輸入信號(hào)頻率1～11 GHz，功率8～12 dBm時(shí)；實(shí)測(cè)該二倍頻器倍頻損耗小于12 dB,基波隔離優(yōu)于22 dB; 三次諧波抑制優(yōu)于30 dB，基本符合仿真結(jié)果。實(shí)測(cè)倍頻損耗結(jié)果如圖7所示。

圖6 倍頻損耗仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of frequency multiplication loss

圖7 倍頻損耗實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.7 Measured results of frequency multiplication loss

實(shí)際研制雙平衡寬帶倍頻器的過(guò)程中,選用的是Cobham 公司的硅二極管橋形堆E45R,其外型尺寸緊湊,管堆中的二極管并聯(lián)電容Cp僅為0.08 pF,結(jié)電容Cj小于0.35 pF，導(dǎo)通電阻RD小于15 Ω，并聯(lián)電感Lp小于0.4 nH，正向勢(shì)壘電壓小于0.35 V,反向擊穿電壓VBR大于2 V(以上指標(biāo)均在VR=0，F(xiàn)=1 MHz，IF=5 mA的測(cè)試條件下測(cè)得)，可以工作到Ka頻段[12]。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用硅肖特基低勢(shì)壘二極管橋堆構(gòu)成雙平衡型倍頻器,其特點(diǎn)是超寬帶(帶寬可達(dá)數(shù)個(gè)倍頻程)、高效率(倍頻損耗接近理論值)、奇次諧波抑制(輸入、輸出諧波相互隔離,輸出回路只存在偶次諧波,奇次諧波抑制可達(dá)30 dB)、工作溫度范圍寬。

該倍頻器設(shè)計(jì)好后經(jīng)過(guò)電路板制作、盒體制作、焊接、燒結(jié)和機(jī)械裝配等工藝制成成品，成品不需要調(diào)試,良品率高，可重復(fù)性好,適合批量生產(chǎn)。測(cè)試結(jié)果表明,超寬帶二倍頻器的技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)處于國(guó)內(nèi)微波設(shè)計(jì)公司同類(lèi)產(chǎn)品領(lǐng)先水平,滿(mǎn)足工程實(shí)際應(yīng)用。該產(chǎn)品生產(chǎn)工序較多，在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)工藝人員的操作熟練度有一定要求，以后在簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序，降低產(chǎn)品裝配難度、提升生產(chǎn)效率等方面還有一定的提升空間。