小型化十二倍頻器研究與報(bào)告

1 引言

倍頻器是指能完成輸入信號(hào)頻率倍增功能的電子組件，在工作頻率較高而對頻率穩(wěn)定性要求嚴(yán)格的電子設(shè)備中，用一般的LC振蕩器很難達(dá)到要求，若采用高穩(wěn)定的晶振，通過倍頻放大即可很容易的實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻要求。

在頻率合成器中，利用倍頻器中所產(chǎn)生的各次諧波頻率，通過頻率合成可得到步進(jìn)間隔小、點(diǎn)數(shù)很多的穩(wěn)定頻率輸出，可以很方便的使用到雷達(dá)、通信、測量等領(lǐng)域。利用倍頻器還可以制成毫米波信號(hào)源，在毫米波通信、軍事偵查、制導(dǎo)等方面有著廣泛的應(yīng)用。

2 倍頻器原理

從理論上講，任何非線性原件都能夠用來實(shí)現(xiàn)倍頻，從工作原理上可分為非線性電抗（電容）型和非線性電導(dǎo)（電容）型。當(dāng)用正弦波驅(qū)動(dòng)非線性元件時(shí)，其輸出端就會(huì)產(chǎn)生輸入頻率的高次諧波分量，采用適當(dāng)?shù)?a href="http://wenjunhu.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器就能選出所需的諧波分量，即可實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的倍頻。常采用的非線性倍頻元件有二極管、晶體管等。

倍頻器的實(shí)現(xiàn)方式是多種多樣的，一般用以下七種方法來實(shí)現(xiàn)倍頻：（1）用二極管的PN結(jié)的靜態(tài)非線性V-I關(guān)系，即非線性電導(dǎo)產(chǎn)生諧波；（2）用雙極晶體管的非線性產(chǎn)生諧波；（3）用GaAs FET管得到具有增益的倍頻器；（4）用寬帶單片放大器的非線性產(chǎn)生諧波，并放大諧波構(gòu)成寬帶倍頻器；（5）振蕩器被注入鎖定在基頻的N次諧波上實(shí)現(xiàn)倍頻；（6）用變?nèi)荻壒艿梅蔷€性電抗實(shí)現(xiàn)參量倍頻；（7）用階躍恢復(fù)二極管產(chǎn)生諧波，實(shí)現(xiàn)倍頻。

2.1 二極管微波倍頻器

二極管微波倍頻器常采用肖特基二極管、變?nèi)荻O管和階躍恢復(fù)二極管來實(shí)現(xiàn)。肖特基二極管由于具有極低的附加相位噪聲本底（可達(dá)-170dBC/Hz（@1kHz）），是倍頻電路的首選器件，也是極少可實(shí)現(xiàn)毫米波以上頻段的倍頻器件。

變?nèi)荻O管和階躍恢復(fù)二極管通常用來實(shí)現(xiàn)大功率和高次倍頻。階躍恢復(fù)二極管倍頻器是利用PN結(jié)的正向電壓存儲(chǔ)和反向電壓抽取特性，使之將每一輸入周期的能量變換為一個(gè)狹窄的、大幅度的脈沖，其頻率等于輸入信號(hào)的頻率，經(jīng)帶通濾波器濾除不需要的諧波，這樣在負(fù)載上得到倍頻信號(hào)。

通常認(rèn)為階躍恢復(fù)二極管適用于倍頻次數(shù)較高的梳譜信號(hào)發(fā)生器中。但由于階躍恢復(fù)二極管是一種高度的非線性元件，很容易引起電路振蕩和自激，同時(shí)對輸入激勵(lì)電平、負(fù)載牽引較為敏感，在實(shí)際工作中需要仔細(xì)調(diào)試。

2.2 晶體管微波倍頻器

晶體管微波倍頻器是利用其工作于飽和區(qū)或截止區(qū)來產(chǎn)生諧波，如 C 類放大器輸出調(diào)諧到 n 倍的輸入頻率上。這種微波倍頻器單向性、隔離性號(hào)，并有增益的特點(diǎn)。三極管微波倍頻器一般由雙極晶體管和場效應(yīng)三極管構(gòu)成，倍頻次數(shù)一般小于 20。用雙極晶體管微波倍頻器產(chǎn)生C波段以下的輸出頻率非常簡單，成本也較低，是頻率源中常用的電路。用場效應(yīng)三極管微波倍頻器可產(chǎn)設(shè)幾十GHz輸出頻率，同時(shí)提供較高的倍頻效率和較寬的工作頻帶，對輸入功率要求較低。

這類倍頻器的工作狀態(tài)易受激勵(lì)偏置、溫度變化等出現(xiàn)劇烈變化，因此使用時(shí)一般要加入恒流、溫補(bǔ)等措施。

2.3 GaAsFET 微波倍頻器

當(dāng) GaAsFET場效應(yīng)管被置于飽和或截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，射頻漏極電流Id 被限幅引起非線性，由于 FET 工作在飽和狀態(tài)時(shí)，要求更大的直流漏極電流，導(dǎo)致電流至射頻的轉(zhuǎn)換效率較低，而柵極電流尖峰的存在會(huì)損壞 FET，所以 GaAsFET 微波倍頻器采用 FET 工作在截止?fàn)顟B(tài)的模式，即VGS = Vp 。這時(shí) FET 直流漏極電流很小，可靠性高。

由于 GaAsFET 場效應(yīng)微波倍頻器能夠在頻帶范圍內(nèi)獲得較低的變頻損耗甚至變頻增益，輸入電路輸出電路之間具有良好的隔離，因而越來越受到人們的重視。

以上各種倍頻器各有優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)工作在倍頻次數(shù)較小的情況下，可用三極管、FET管及寬帶放大器的方法來實(shí)現(xiàn)倍頻。當(dāng)倍頻次數(shù)較高時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用恢復(fù)二極管來倍頻。晶體三極管，F(xiàn)ET管及寬帶放大器等倍頻器一般為變阻類型，所以電路穩(wěn)定，溫度特性好。而階躍恢復(fù)二極管為參量倍頻，電路穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性較差，但可實(shí)現(xiàn)高次倍頻。一般變?nèi)莨艿谋额l效率僅為1/（n*n），而階躍管的效率為1/n。

設(shè)計(jì)倍頻器時(shí)，還應(yīng)注意倍頻器引起的相位噪聲變壞和附加噪聲的增加。但給定一個(gè)倍頻次數(shù)和與之相關(guān)的功率效率后，應(yīng)合理設(shè)計(jì)輸入信號(hào)的射頻功率，使倍頻器的輸出信號(hào)的信噪比不應(yīng)變壞，以不影響輸出相位噪聲。要做到這一點(diǎn)，要求輸入功率不能太大。

3 倍頻器設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)目標(biāo)是輸入信號(hào)頻率為30MHz，經(jīng)過12次倍頻，輸出諧波抑制大于50dB，工作電流小于100mA。

基本工作原理如圖一示：輸入信號(hào)經(jīng)過諧波發(fā)生器，通過帶通濾波器選取出3次倍頻信號(hào)；再進(jìn)入單片放大器進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓β史糯?，然后?jīng)過諧波發(fā)生器帶通濾波器濾除雜波，提取出4次倍頻信號(hào)；得到需要的12次倍頻信號(hào)，放大到指標(biāo)要求的功率后經(jīng)過功分器分成兩路信號(hào)。

圖1 倍頻器原理框圖

由于在變換過程中涉及到多次非線性信號(hào)處理，因此會(huì)產(chǎn)生豐富的諧波分量。如何充分高效的利用需要的頻率分量是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。本方案采用兩次有源倍頻，即先倍頻3次，濾掉其他諧波分量后再4次倍頻的方式，由于晶體管放大器效率較高，工作穩(wěn)定可靠，兩級諧波發(fā)生器均采用晶體管放大器實(shí)現(xiàn)。為了滿足總電流的要求，方案中選用放大器不能過多，同時(shí)放大器的工作電源也不能過大，實(shí)際設(shè)計(jì)中選取了3級放大器。在實(shí)驗(yàn)過程中，我們還發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)節(jié)放大器的工作電流來提高倍頻效率，有如下規(guī)律，減小電流，可以減小放大器的1dB壓縮點(diǎn)，有利于提高倍頻的效率。

圖2 倍頻器輸入輸出功率測試框圖

倍頻器的一個(gè)重要指標(biāo)是在寬溫工作范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。晶體管的工作點(diǎn)易受溫度變化的影響，從而導(dǎo)致倍頻信號(hào)輸出功率波動(dòng)較大。影響倍頻器工作穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素是輸入信號(hào)功率的變化，因?yàn)檩斎胄盘?hào)的大小會(huì)改變晶體管的工作偏置電壓。對不同的放大器，輸入信號(hào)的影響不同。圖二給出了三種不同放大器輸入輸出功率關(guān)系圖。改善上述穩(wěn)定性的最重要措施是加入負(fù)反饋，負(fù)反饋的引入不僅可以穩(wěn)定輸出信號(hào)。同時(shí)也減低的晶體管的壓縮點(diǎn)，使輸出諧波分量更易于穩(wěn)定。

電路設(shè)計(jì)中還需要考慮到阻抗匹配，阻抗不匹配會(huì)引起信號(hào)的反射，導(dǎo)致倍頻效率降低，輸出信號(hào)功率達(dá)不到指標(biāo)要求。同時(shí)還要注意電磁兼容設(shè)計(jì)，除了大面積接地外，每個(gè)放大器，每個(gè)單元的電源都采用了極強(qiáng)的濾波措施，防止了信號(hào)線從電源上互相串?dāng)_，避免了串?dāng)_雜散。

倍頻器的另一個(gè)最重要指標(biāo)是諧波和雜波抑制，通常可以通過設(shè)計(jì)合適的濾波器來實(shí)現(xiàn)。濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧帶外抑制和損耗要求，損耗太大會(huì)影響倍頻效率，矩形度差會(huì)影響諧波和雜波抑制。本設(shè)計(jì)采用聲表面波濾波器，損耗小于6dB，帶外抑制大于80dB。圖三給出了濾波器的幅頻響應(yīng)實(shí)測結(jié)果。

圖3 濾波器的幅頻響應(yīng)實(shí)測結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)輸入信號(hào)為30MHz，輸入功率為3～5dBm時(shí)，倍頻輸出功率大于6dBm，諧波抑制大于50dB，在－55～85oC范圍內(nèi)，功率波動(dòng)小于2 dB，工作電流小于100mA，組件體積為70mmX25mmX20mm。當(dāng)輸入信號(hào)相位噪聲≤-137dBC/Hz（@10kHz）時(shí)，輸出信號(hào)相位噪聲≤-114dBC/Hz（@10kHz），和理論相比惡化了 （137-114）- 20log12=1.42dB，主要是由于第一級晶體管的噪聲系數(shù)所引入，和理論較好吻合。

圖4 倍頻器的輸出信號(hào)和諧波抑制實(shí)測結(jié)果

圖5 倍頻器的輸出信號(hào)相位實(shí)測結(jié)果

5 結(jié)論

本文采用晶體管倍頻的方法獲得了高效穩(wěn)定的十二次倍頻器。由于倍頻實(shí)現(xiàn)方式靈活多樣，不能一概而論，小型化、高效率、高頻段是未來的發(fā)展趨勢，應(yīng)根據(jù)具體的工程應(yīng)用環(huán)境合理選擇設(shè)計(jì)方案，才能獲得高性能的倍頻器。