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

近年來(lái)， 隨著國(guó)內(nèi)微波電路設(shè)計(jì)水平的不斷提高， P 波段微波頻率源在各類(lèi)通信整機(jī)中經(jīng)常出現(xiàn)， 作為頻率源中的核心部件， 窄帶奇次倍頻器的設(shè)計(jì)得到了越來(lái)越多通信工程師的重視， 其不僅擴(kuò)展了頻率源的輸出頻率點(diǎn)的數(shù)量， 還簡(jiǎn)化了頻率源的構(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。 它們都是基于二極管或三極管的非線性特性設(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)源倍頻器兩類(lèi)。 相對(duì)于有源倍頻， 無(wú)源非線性倍頻具有電路相對(duì)簡(jiǎn)單、 無(wú)需外加偏置和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

倍頻效率是倍頻器的主要指標(biāo)， 也被稱(chēng)之為倍頻損耗； 倍頻損耗的變化直接導(dǎo)致整機(jī)的功耗、 可靠性等指標(biāo)發(fā)生變化。 我們以輸入頻率為40 MHz的窄帶五倍頻器為例， 就影響奇次倍頻器倍頻效率的幾種因素從仿真和實(shí)測(cè)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

1 奇次倍頻器的電路原理和特性

本電路輸入由一個(gè)并聯(lián)電感進(jìn)行匹配， 其他的無(wú)源器件添加在了倍頻器的輸出端， 構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)， 以濾除不需要的信號(hào)， 如圖1 所示。

圖1 奇次信頻器電路

五倍頻器由反相并聯(lián)PIN 二極管對(duì)和輸

入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)組成， 比由單PIN 二極管組成的倍頻器增加了一個(gè)二極管， 該二極管的增加抑制了倍頻器偶次諧波分量的輸出， 增加了奇次諧波分量的輸出功率。

反相并聯(lián)PIN 二極管對(duì)1 腳和2 腳焊接在大面積地上， 3 腳焊接在微帶線上， 由于二極管對(duì)是由芯片晶圓上鄰近的兩個(gè)二極管管芯組成的， 微波性能非常匹配， 這使得由它組成的倍頻器偶次諧波抑制得很好。

單獨(dú)一個(gè)二極管上的電流為[4]：

式（1） - （2） 中： is——反向電流；

v——二極管兩端外加電壓。

式（3） 中： q——電子電荷；

η——理想因子（其理想值為η=1）；

k——波爾茲曼常數(shù)；

T——絕對(duì)溫度。

輸出端電流為：

以上3 式表明倍頻器輸出端的主要輸出信號(hào)是奇次諧波。 倍頻器實(shí)際工作時(shí)， 含直流的偶次分量在兩個(gè)二極管間流動(dòng)， 奇次分量在倍頻器除二極管外的外圍電路流動(dòng)， 這樣工作的結(jié)果是奇次分量和偶次分量被分開(kāi)。 體現(xiàn)在實(shí)測(cè)結(jié)果上就是， 倍頻器輸出信號(hào)中五次諧波分量比基波分量的功率大5 dB， 比偶次分量大30 dB。

2 影響奇次倍頻器倍頻效率的幾種因素的仿真及實(shí)測(cè)分析

五倍頻器電路仿真原理圖如圖2 所示。

圖2 仿真電路原理框圖

溫度、 輸入功率、 輸入匹配和輸出匹配是影響倍頻器倍頻效率的幾個(gè)主要因素， 其不止單獨(dú)影響倍頻器的倍頻效率， 同時(shí)相互作用共同影響倍頻器的倍頻效率。

下面以輸入頻率為40 MHz 的五倍頻器為例，用微波仿真軟件對(duì)倍頻器電路進(jìn)行仿真， 相關(guān)的仿真分析如下所述。

采用諧波平衡非線性仿真方法， 計(jì)算在不同的輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率下， 倍頻器的輸入端口特性和倍頻器的倍頻損耗、 倍頻輸出頻譜特性等。

2.1 二極管的端口特性隨輸入信號(hào)功率的變化

在輸入信號(hào)頻率為40 MHz 時(shí)， 倍頻二極管的輸入端口的駐波特性隨輸入信號(hào)功率的變化情況如圖3-4 所示。 從圖3-4 中可以看出， 在不同的輸入激勵(lì)信號(hào)的功率下， 二極管的特性隨輸入信號(hào)功率的大小發(fā)生了很大的變化。

圖3 二極管的駐波特性隨信號(hào)功率的變化

2.2 輸入頻率為40 MHz 的五倍頻器的倍頻特性仿真

仿真發(fā)現(xiàn)， 輸入頻率為40 MHz 的五倍頻器的激勵(lì)功率的大小隨著輸入端并聯(lián)電感L1的變化而發(fā)生非常大的變化， 電感L 的大小對(duì)倍頻器的激勵(lì)功率的大小有著非常大的影響。 實(shí)測(cè)的五倍頻器的輸入端電感L1的感量為100 nH。

L1為100 nH 時(shí)， 倍頻器的特性如圖5-8 所示。

圖5 輸入端口的阻抗特性

圖4 二極管的輸入阻抗隨信號(hào)功率的變化

圖6 輸入端口的駐波特性

圖7 倍頻損耗隨輸入信號(hào)功率變化的特性

圖8 倍頻器Pin=13 dBm 時(shí)輸出頻譜的特性

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)， 在輸入匹配電感L1為100 nH時(shí)， 倍頻器的輸入端口特性較差， 在倍頻器的輸入端口存在很強(qiáng)的不連續(xù)性， 端口反射很大， 影響了信號(hào)功率的傳輸， 提高了倍頻器的輸入激勵(lì)功率， 因此需要比較大的輸入功率才能激勵(lì)倍頻器正常工作。

2.3 輸入匹配電感L1 對(duì)倍頻器性能的影響

調(diào)節(jié)電感L1分別為100、 150、 200、 250 和300 nH， 相應(yīng)的特性曲線如圖9-12 所示。

圖9 輸入端口的阻抗特性

圖10 輸入端口的駐波特性

圖11 倍頻損耗隨輸入信號(hào)功率的特性

圖12 Li=300 nH、 Pin=10 dBm 時(shí)輸出頻譜的特性

上述仿真曲線表明， 輸入匹配電感L1對(duì)倍頻器的特性有很大的影響。 當(dāng)L1取值不合適， 會(huì)造成倍頻器的輸入端口特性較差， 端口傳輸特性不連續(xù)， 信號(hào)功率反射比較大， 影響倍頻器的激勵(lì)信號(hào)功率， 即引起倍頻器的倍頻損耗增大。

從上述仿真曲線中可以發(fā)現(xiàn)， 增大L1的感值能夠改變倍頻器的輸入端口特性， 改善輸入端口的反射特性， 提高了信號(hào)傳輸?shù)倪B續(xù)性； 并使得倍頻器的激勵(lì)信號(hào)功率降低， 在比較大的輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)， 倍頻損耗變化比較小。

2.4 輸出濾波匹配電路對(duì)倍頻器特性的影響

倍頻器輸出濾波匹配電路對(duì)倍頻器的輸出特性有比較大的影響， 通過(guò)調(diào)節(jié)輸出匹配電路發(fā)現(xiàn)， 輸出匹配電路對(duì)倍頻器的倍頻損耗有比較大的影響，而對(duì)倍頻器的輸入激勵(lì)功率的影響比較小。

二極管輸出端串聯(lián)電感L2對(duì)倍頻損耗的影響如圖13 所示， L2分別?。?100、 150、 200 和250 nH。

圖13 二極管輸出端串聯(lián)電壓L2 對(duì)信頻損耗的影響

這表明通過(guò)改變輸出濾波、 匹配電路能夠改善倍頻器的倍頻損耗， 而對(duì)倍頻器的輸入激勵(lì)功率影響不大。

以上是五倍頻器的仿真結(jié)果， 下面對(duì)產(chǎn)品的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

采用串聯(lián)三通封裝方式的二極管對(duì)相互之間有溫度補(bǔ)償作用， 其倍頻溫度穩(wěn)定性大大地優(yōu)于單個(gè)二極管組成的倍頻器， 常溫下其最小輸入激勵(lì)電平為9 dBm 左右， 低溫（-55 ℃） 下測(cè)試最小輸入激勵(lì)電平為11 dBm 時(shí)， 產(chǎn)品倍頻損耗小于18 dB。

該五倍頻器標(biāo)準(zhǔn)工作方式為輸入信號(hào)40 MHz，輸入功率+13 dBm； 當(dāng)輸入信號(hào)功率從9 dBm 開(kāi)始逐漸地增加時(shí)， 輸出信號(hào)功率（5 次） 基本不變，而不需要的諧波輸出功率有所增加； 當(dāng)輸入信號(hào)功率減小時(shí)， 輸出信號(hào)功率（5 次） 隨之減小， 開(kāi)始時(shí)輸出信號(hào)功率隨輸入信號(hào)功率基本呈線性減小，當(dāng)輸入信號(hào)功率小于某一臨界值時(shí)， 輸出信號(hào)功率（5 次） 大幅度地下降， 出現(xiàn)拐點(diǎn)， 此時(shí)倍頻器的倍頻損耗已大到失去實(shí)際的使用價(jià)值， 實(shí)測(cè)結(jié)果如圖14 所示， 實(shí)物外形圖如圖15 所示。

圖14 實(shí)測(cè)結(jié)果

圖15 實(shí)物外形圖

另外， 調(diào)整倍頻器輸出匹配電路和輸入匹配電路， 也可以得出輸出匹配電路影響整個(gè)倍頻器的倍頻效率， 輸入匹配電路影響倍頻器正常工作時(shí)激勵(lì)電平的大小的結(jié)論。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用硅PIN 二極管構(gòu)成的五倍頻器， 其特點(diǎn)是輸入頻點(diǎn)可選、 高效率（倍頻損耗接近理論值）、偶次諧波抑制（輸入、 輸出諧波相互隔離， 輸出回路只存在奇次諧波， 偶次諧波抑制可達(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： 五倍頻器的技術(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。 但該五倍頻器的工作頻率較窄， 對(duì)于不同的頻率需分別設(shè)計(jì)，今后在拓寬工作頻率范圍上還有一定的提升空間。