0 引言
    毫米波寬帶倍頻器是毫米波頻率合成的關(guān)鍵器件之一，有著廣泛的應(yīng)用背景。倍頻器基本都是利用半導(dǎo)體器件的非線性特性產(chǎn)生輸入信號的多次諧波，同時配合Balun電橋、諧波提取電路等實現(xiàn)多次倍頻信號的輸出。目前，半導(dǎo)體器件的非線性電阻或電抗特性是構(gòu)成倍頻器的基礎(chǔ)，而容性非線性電抗在實際電路中得到的應(yīng)用較多，變?nèi)荻O管、階躍恢復(fù)二極管和FET三端器件都是倍頻電路中廣泛采用的器件。本文在簡要分析非線性倍頻理論的基礎(chǔ)上，介紹了一種毫米波寬帶倍頻器的工程設(shè)計方法。

1 方案分析
    本文主要討論X波段到7 mm波段的毫米波寬帶四倍頻器，其指標(biāo)如下：輸入頻率8．25～12．5 GHz，功率10～17 dBm；輸出頻率33～50 GHz，功率大于10 dBm；諧波抑制大于20 dBc；電源+12 V／600 mA；輸入接頭為SMA-K，輸出接頭為WR22標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，輸入、輸出相互垂直。
    根據(jù)指標(biāo)要求進(jìn)行分析：在輸入功率10～17 dBm時直接實現(xiàn)X波段到7 mm波段的四倍頻，倍頻損耗太大，提取四次諧波并放大到要求的輸出功率難度較大，所以設(shè)計采用兩次二倍頻實現(xiàn)。這樣對于每次倍頻后需提取的諧波，倍頻損耗較少，對放大器要求降低；同時分兩次二倍頻也有助于提高最后輸出的雜波抑制。
    四倍頻后的輸出采用微帶到波導(dǎo)的探針過渡，整個倍頻器設(shè)計在一個小型密封腔體內(nèi)，由倍頻、放大、濾波等多個模塊級聯(lián)而成，便于維修及調(diào)試。經(jīng)過以上分析，最后得到整個毫米波寬帶倍頻器的原理框圖如圖1所示。

2 關(guān)鍵電路設(shè)計
2．1 二倍頻電路
    按照方案設(shè)計，整個倍頻器包含兩個二倍頻模塊，其原理和電路結(jié)構(gòu)相同，這里以8．25～12．5 GHz到16．5～25 GHz的倍頻模塊為例，介紹二倍頻電路的設(shè)計方法。
    選用二極管作為倍頻器件，根據(jù)倍頻理論，在微波電路中只要并聯(lián)或串聯(lián)一個二極管，都會因為其非線性電抗產(chǎn)生倍頻作用，配合相應(yīng)的匹配電路和濾波電路就構(gòu)成了一個基本的倍頻器。但是，這樣的倍頻器效率較低，實際的倍頻器通常都采用多個二極管構(gòu)成平衡結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)對不需要諧波的抑制，提高倍頻效率。
    本文也采用平衡倍頻電路，兩只同樣的二極管相對于輸入和輸出信號分別以反向并聯(lián)和串聯(lián)形式接入，原理如圖2所示。

    該電路實際上是一種全波整流電路，其中輸入信號的前半個周期上面一只二極管導(dǎo)通，后半個周期下面一只二極管導(dǎo)通，流經(jīng)每個二級管的電流分別為。其中：is為反向飽和電流。
   
式中：n是理想因子；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；η是二極管的效率常數(shù)；Vt=T／16 000，是溫度的等值電壓。
    流經(jīng)負(fù)載電阻RL的電流為：
   
    將v=Vcos(ω1t)代入上式并展開成級數(shù)得到：
   
    由此可見，輸出電流中只包含輸入頻率的偶次諧波分量，實現(xiàn)了對輸入頻率偶次倍頻。當(dāng)然以上結(jié)果是在電路絕對平衡的情況下得到的，實際電路不可能絕對平衡，電路的性能就會變差。
    要實現(xiàn)原理圖所示的平衡二倍頻器，關(guān)鍵電路就是安裝反向并聯(lián)二極管的平衡電路，以及將平衡電路轉(zhuǎn)換成單端輸出的Balun電橋。
    采用CPW作為安裝并聯(lián)器件的平衡電路，為了與CPW配合，使用槽線到微帶的過渡實現(xiàn)Balun電橋。整個電路分上下兩面，采用薄膜工藝制作在陶瓷基片上，如圖3所示。實線為正面電路，虛線為背面電路。電路尺寸通過在三維仿真軟件建模優(yōu)化得到。
    為了提高二極管的一致性以及便于安裝，選用T字型封裝的梁式引線二極管對，安裝在背面CPW和槽線連接處。將整個結(jié)構(gòu)在ADS中進(jìn)行仿真、優(yōu)化，結(jié)果如圖4所示(其中橫軸表示輸出信號對應(yīng)的頻率，單位：GHz；縱軸表示輸出信號的功率，單位：dBm)。

    圖4的仿真結(jié)果是在輸入功率+13 dBm情況下得到的，由此可算出倍頻損耗為10 dB，滿足圖1中方案設(shè)計的要求。同時由仿真結(jié)果可以看出，奇次諧波得到很好的抑制，與理論分析結(jié)果一致。
2．2 微帶到波導(dǎo)的探針過渡
    整個倍頻器通過混合集成的工藝實現(xiàn)，最后輸出的33～50 GHz信號通過探針過渡，實現(xiàn)微帶到波導(dǎo)的輸出并保證電路的密封要求。
    探針過渡結(jié)構(gòu)比較成熟，在HFSS中針對輸出頻段建模并仿真，即可得到所需的尺寸，如圖5、圖6所示。

    圖6中上面一條曲線表示探針過渡結(jié)構(gòu)的S21(dB)，下面一條曲線表示探針過渡結(jié)構(gòu)的S11(dB)，橫軸表示仿真頻率33～50 GHz。得到實物后，再根據(jù)測試結(jié)果做一定調(diào)試，就能得到比較滿意的結(jié)果。

3 測試結(jié)果及分析
    完成上述關(guān)鍵電路的設(shè)計后，再配合模塊化的放大器和濾波器，就得到了整個毫米波四倍頻器，如圖7所示。

    對其關(guān)鍵指標(biāo)測試，工作帶寬及輸出功率測試結(jié)果如圖8所示。

    其中橫軸表示測試的頻率范圍為30～50 GHz，縱軸表示輸出頻譜的功率dBm。可見，該倍頻器實現(xiàn)了33～50 GHz頻段內(nèi)的四倍頻輸出，并且全頻段的輸出功率均大于10 dBm，滿足指標(biāo)要求。

    諧波抑制方面，因為該倍頻器工作頻帶較寬，所以低端輸入頻率的五次諧波會落入工作頻帶以內(nèi)，其諧波抑制應(yīng)該最差，對最差的這種情況進(jìn)行測試，結(jié)果如圖9所示。橫軸表示輸出信號的頻率GHz，縱軸表示輸出信號的功率dBm。可見，此時的諧波抑制為23 dBc，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語
    論述了毫米波寬帶倍頻器的設(shè)計原理和電路實現(xiàn)方式，重點分析了毫米波Balun電橋、微帶到波導(dǎo)的探針過渡等關(guān)鍵電路的仿真設(shè)計，并以此為基礎(chǔ)，采用混合集成工藝，成功地設(shè)計了一個毫米波寬帶四倍頻器。通過實際測試結(jié)果可以看出，該倍頻器具有全密封，體積小，可靠性高等特點，各項指標(biāo)達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平，可以全面替代相應(yīng)頻段的進(jìn)口器件。