一種新穎的任意次諧波倍頻器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉楊麟　錢敏

摘要：本文介紹了作者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于非線性傳輸線的任意次諧波倍頻器的原理和主要技術(shù)指標(biāo)，描述了倍頻器的設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)現(xiàn)過程。基于非線性傳輸線技術(shù)的任意次諧波倍頻器具有倍頻次數(shù)高、輸出頻帶寬、適用范圍廣、更高的截止頻率和更小的附加相位噪聲，且便于集成化，易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。可應(yīng)用于各種高速、寬帶系統(tǒng)，如皮秒分辨率采樣電路、微波以及毫米波信號(hào)源等。

關(guān)鍵詞：非線性傳輸線 倍頻 任意次諧波

中圖分類號(hào)：TN771 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）09-0149-02

1 倍頻器原理與非線性傳輸線理論概述

倍頻器在微波射頻電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，它可以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的任意次倍頻，在儀器設(shè)備中常常是擴(kuò)展頻帶的關(guān)鍵器件。倍頻器工作原理是基于器件的非線性特性，任何非線性器件，當(dāng)信號(hào)加于其上時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生諧波[1]。非線性傳輸線是由周期加載反向偏置二極管的共面波導(dǎo)組成，如圖1所示。非線性傳輸線有三個(gè)基本特性：非線性，色散性和損耗，這三個(gè)特性相互影響相互制約[2]。

實(shí)踐證明，非線性傳輸線技術(shù)是用來擴(kuò)展現(xiàn)有設(shè)備頻率帶寬的有效手段。利用非線性傳輸線上的孤子波分解這一特性，用足夠長的傳輸線級(jí)數(shù)，將每一個(gè)孤子波相互完全分開，來實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，產(chǎn)生豐富的諧波分量。

2 倍頻器的設(shè)計(jì)目標(biāo)與性能參數(shù)

輸入信號(hào)頻率：fin=100MHz；輸入信號(hào)功率：Pin=21dBm；實(shí)現(xiàn)倍頻次數(shù)：2～15次；輸出譜線功率：Pn≥-15dBm；附加相位噪聲：不大于2dB@15次倍頻偏離載波1KHz處。

3 非線性傳輸線倍頻器的設(shè)計(jì)

為了盡量縮小電路尺寸，用較短的級(jí)數(shù)實(shí)現(xiàn)高階的脈沖壓縮，我們采用一種稱為逐級(jí)收斂非線性傳輸線的非均勻的孤子波非線性傳輸線。這種類型的非線性傳輸線的Bragg截止頻率逐級(jí)提高，這樣能夠加強(qiáng)主脈沖波形，抑制級(jí)聯(lián)非線性傳輸線末級(jí)所產(chǎn)生的一些次級(jí)脈沖串。它的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它的Bragg截止頻率是逐級(jí)收斂的幾何級(jí)數(shù)，即第級(jí)的Bragg截止頻率為[3]：

其中k為收斂因子，這種情況下，每一級(jí)傳輸線的Bragg截止頻率都比前一級(jí)略大一點(diǎn)，每一級(jí)都實(shí)現(xiàn)較小比例的脈沖壓縮。

4 非線性傳輸線倍頻器的仿真與實(shí)現(xiàn)

本案采用Alpha公司的SMV-1139系列超突變結(jié)變?nèi)荻O管和高品質(zhì)因數(shù)貼片電感等分立器件來實(shí)現(xiàn)非線性傳輸線任意次倍頻器。我們?cè)O(shè)定任意次諧波倍頻器采用100MHz正弦信號(hào)作為信源輸入，并實(shí)現(xiàn)輸入頻率的最高15次諧波倍頻（0.1～1.2GHz）。由于實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到電路尺寸不能過大，因此傳輸線級(jí)數(shù)n確定為28級(jí)。

如圖3所示為電路原理圖，傳輸線級(jí)數(shù)n=28，圖中Ld為直流偏置電路饋電電感，取值10uH；C1，C2為隔直流電容，取值C1=C2=100pF；C3，C4為去藕電容，取值C3=100pF，C4=10uF；D1～D28為變?nèi)荻O管，二極管模型采用Alpha公司的SMV1139-011超突變結(jié)變?nèi)荻O管（二極管參數(shù)為、、、）；L0～L28為非線性傳輸線電感，電感采用Q值為60的高品質(zhì)因數(shù)貼片電感，每一級(jí)的電感值隨收斂因子平方k2逐級(jí)收斂：

根據(jù)逐級(jí)收斂非線性傳輸線輸入級(jí)Bragg截止頻率與輸入信號(hào)頻率的關(guān)系得，經(jīng)過計(jì)算，我們得到收斂因子k=0.91，并確定輸入級(jí)電感L0取值為330nH，利用ANsoft Designer對(duì)電路進(jìn)行仿真。

我們把輸入信號(hào)功率設(shè)定為21dBm，電路的偏置電壓為3V，仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，輸出脈沖的幅度為4.94V，半幅脈沖寬度為530ps；從頻譜圖中可以看出輸出頻譜在1.5GHz（15次諧波）處的諧波功率為-13.19dBm。

我們對(duì)電路進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化仿真，并結(jié)合實(shí)際分立元器件的其他參數(shù)，最終根據(jù)仿真結(jié)果，我們選用了板材厚度h=0.5mm，相對(duì)介電常數(shù)εr=3.48，tand=0.002的Rogers4350B雙面附銅箔聚四氟乙烯板材，并采用表層鍍金工藝，作為本案倍頻器的基板板材，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件計(jì)算出特性阻抗為50Ω、w=1.2mm、g= 1.6mm的共面波導(dǎo)。制作出電路板后將元器件安裝到電路板中。如圖5所示為任意次諧波倍頻器的局部實(shí)物圖。

經(jīng)測試，當(dāng)輸入信號(hào)功率Pin=21dBm時(shí)，輸出的15次諧波的功率為-11.79dBm，產(chǎn)生了1dB的附加相位噪聲。如圖6所示倍頻器輸出信號(hào)測試圖。

5 結(jié)語

本案所設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的基于非線性傳輸線的任意次諧波倍頻器達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，并且各項(xiàng)性能參數(shù)優(yōu)于預(yù)先設(shè)定的性能指標(biāo)。采用非線性傳輸線實(shí)現(xiàn)的任意次諧波倍頻器與傳統(tǒng)倍頻方法實(shí)現(xiàn)的梳狀譜信號(hào)發(fā)生器相比，具有倍頻次數(shù)高、高次諧波輸出功率大、輸出頻帶寬、適用范圍廣、具有超低附加相位噪聲，且易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，在電子通信領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]費(fèi)元春.固態(tài)倍頻[M].高等教育出版社，1985.9：1-13.

[2]Michael Garth Case. Nonlinear Transmission Lines for Picosecond Pulse， Impulse and Millimeter-wave Harmonic Generation.[J].University of California Santa Barbara，1993.

[3]Ehsan Afshari， Ali Hajimiri. Nonlinear Transmission Lines for Pulse Shaping in Silicon.[J].IEEE Journal of Solid-state Circuits，2005（3）：744-752.