超寬帶高效無源二倍頻器設計

郭 彬

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

0 引言

隨著近年來國內微波電路設計水平的不斷提高，Ka及以上波段寬帶微波頻率源在各類通信整機中經常出現(xiàn)，作為頻率源的核心部件，寬帶倍頻器的設計得到了越來越多通信工程師的重視，其不僅擴展了頻率源的帶寬,還簡化頻率源的構成,節(jié)約了設計成本，降低了整機的功耗。

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性特性設計的倍頻方式。此外，依據(jù)倍頻器工作時是否需要外置直流電源，又可將其分成有源倍頻器和無源倍頻器2類。相對于有源倍頻,無源非線性倍頻具有電路相對簡單、無需外加偏置、低噪聲等優(yōu)點，由于二極管制作技術和輸入輸出匹配技術的限制，國內多年來在工作頻率帶寬和倍頻損耗等方面始終沒有大的突破。

近年來，隨著MMIC技術的發(fā)展，單片倍頻器的設計有了一定進步，但僅限于產品體積的縮小[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有實質性的發(fā)展。2016年，電子科大陳奉云等[5]設計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個相同的硅肖特基勢壘二極管構成的橋形堆作為寬帶倍頻器件,利用無源寬帶輸入輸出匹配技術，在電磁場仿真優(yōu)化和傳統(tǒng)電路設計相結合的方法下，實現(xiàn)了輸入輸出信號頻率覆蓋多倍頻程，工作頻帶內倍頻損耗指標達到國外同類器件水平。

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倍頻到二次諧波信號，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個二極管和一個輸出變壓器組成，由于輸入未加匹配，工作頻帶難以展寬，通常達不到一個倍頻程，同時倍頻效率也達不到預期的要求[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，通過增加輸入匹配電路及參加倍頻的二極管數(shù)量，構造出了一種全新的雙平衡倍頻器電路形式，它由4個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個寬邊耦合懸置帶線組成的巴倫及匹配電感構成,從而實現(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)波信號通過4個二極管(通常稱為橋堆) 構成了連續(xù)波整流電路。信號在正半周時使節(jié)點1,2之間和4,3之間的二極管正向偏置，而使節(jié)點2,3之間和1,4之間的二極管反向偏置；在負半周時則完全相反，使節(jié)點3,2之間和4,1之間的二極管正向偏置，而使節(jié)點2,1之間和3,4之間的二極管反向偏置。單獨一個二極管上的電流為[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是基波和奇次諧波，而輸出端的主要信號是偶次諧波，實現(xiàn)了基波分量和偶次諧波分量的分離。體現(xiàn)在實測結果上，二倍頻器輸出信號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 二倍頻器實物Fig.4 Actual picture of frequency doubler

2 寬帶二倍頻器電路設計與實現(xiàn)

二倍頻器由輸出、輸入寬邊耦合懸置帶線巴倫和二極管橋堆組成。在寬帶二倍頻器中,寬邊耦合懸置帶線巴倫的設計是設計工作的核心部分,因為二極管橋堆的工作帶寬是由外圍匹配電路決定的，輸入、輸出懸置帶線寬邊耦合匹配電路的帶寬對二倍頻器的帶寬起著決定性的作用。倍頻器的輸入、輸出采用懸置帶線寬邊耦合匹配電路的設計。

相對于其他非線性二倍頻器,硅肖特基勢壘二極管構成的倍頻器的最大優(yōu)勢是寬帶。二極管倍頻器的非線性倍頻部分可以用2個或4個二極管組成。由2個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，在實際使用中已不多見；4個二極管組成的二極管排列可有效抑制諧波，提高倍頻效率，通過二極管之間的互補效應可大大提高其溫度穩(wěn)定性[8-11]；經比較，本文采用雙平衡式結構搭建了二極管橋堆，提高整個倍頻電路的溫度穩(wěn)定性,使輸出、輸入相互隔離,同時抑制不必要的奇次諧波,獲得較高的倍頻效率。

在本文的設計中,采用了寬邊耦合懸置帶線來進行阻抗匹配,實現(xiàn)寬帶倍頻。介質基片選用ε= 2.2,h= 0.13 mm 的介質材料。利用HFSS對無源結構進行了電磁仿真。

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現(xiàn)過程中起到了至關重要的作用。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)，有利于二倍頻器擴展工作頻率帶寬。在裝配過程中，采用焊錫焊接的方式把二極管橋堆和匹配巴倫連接起來，由于二極管橋堆在倍頻過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行聯(lián)合仿真[5]。電路的輸出功率仿真結果如圖6所示，在2～22 GHz 的頻率范圍內，倍頻損耗小于11.5 dB。

用頻率源和頻譜儀組成測試系統(tǒng)，當二倍頻器工作在輸入信號頻率1～11 GHz，功率8～12 dBm時；實測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，基本符合仿真結果。實測倍頻損耗結果如圖7所示。

圖6 倍頻損耗仿真結果Fig.6 Simulation results of frequency multiplication loss

圖7 倍頻損耗實測結果Fig.7 Measured results of frequency multiplication loss

實際研制雙平衡寬帶倍頻器的過程中,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,結電容Cj小于0.35 pF，導通電阻RD小于15 Ω，并聯(lián)電感Lp小于0.4 nH，正向勢壘電壓小于0.35 V,反向擊穿電壓VBR大于2 V(以上指標均在VR=0，F(xiàn)=1 MHz，IF=5 mA的測試條件下測得)，可以工作到Ka頻段[12]。

3 結束語

采用硅肖特基低勢壘二極管橋堆構成雙平衡型倍頻器,其特點是超寬帶(帶寬可達數(shù)個倍頻程)、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30 dB)、工作溫度范圍寬。

該倍頻器設計好后經過電路板制作、盒體制作、焊接、燒結和機械裝配等工藝制成成品，成品不需要調試,良品率高，可重復性好,適合批量生產。測試結果表明,超寬帶二倍頻器的技術指標已經處于國內微波設計公司同類產品領先水平,滿足工程實際應用。該產品生產工序較多，在生產過程中對工藝人員的操作熟練度有一定要求，以后在簡化生產工序，降低產品裝配難度、提升生產效率等方面還有一定的提升空間。