220GHz無源三倍頻器設(shè)計(jì)詳細(xì)講解

1 引言

倍頻器是無線電技術(shù)高頻電路中重要的非線性電路，作為基本的電子器件，被廣泛應(yīng)用于發(fā)射機(jī)、頻率合成器、接收機(jī)本振源等各種電子設(shè)備中。亞毫米波倍頻器可以降低設(shè)備的主振頻率和擴(kuò)展工作頻段，同時(shí)，由于其輸出頻率可以在輸入頻率的 n 次諧波上選取，因而所需的輸入信號(hào)源可以選擇在技術(shù)上相對(duì)成熟的毫米波頻段上制作，從而為保證所需的頻率穩(wěn)定度和相噪特性提供了條件，同時(shí)，固態(tài)倍頻器體積小、易于集成而且使用壽命較長。因此，目前小功率的亞毫米波固態(tài)源主要依靠倍頻方法實(shí)現(xiàn)。

亞毫米波在長波段與毫米波相重合，而在短波段，與紅外線相重合，可見亞毫米波波在電磁波頻譜中占有很特殊的位置。由于起所處的特殊位置，亞毫米波具有一系列特殊的性質(zhì)，在頻域上，亞毫米波處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡。它的量子能量很低，信噪比很高，頻率極寬。它覆蓋各種蛋白質(zhì)在內(nèi)的大分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振蕩頻率。因此，在學(xué)術(shù)上有很重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，在科學(xué)技術(shù)上及工業(yè)上有很多很誘人的應(yīng)用：如信息科學(xué)方面的超高速成像信號(hào)處理，大容量數(shù)據(jù)傳輸;材料處理，分層成像技術(shù)，生物成像;等離子體聚變的診斷;天文學(xué)及環(huán)境科學(xué)等。而且在國防上也有著及其重要的應(yīng)用前景。

2 三倍頻器的設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

本方案采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸入，通過懸置微帶探針過渡，接低通濾波器，在低通濾波器末端接輸入匹配段，后接同向并聯(lián)的二極管對(duì)，之后輸出結(jié)構(gòu)為懸置微帶到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的過渡。方案框圖如下：

圖1 總體方案圖

2.2 傳輸線和介質(zhì)基片的選擇

由于本倍頻器工作的頻率達(dá)到220GHz，故傳輸線采用懸置微帶線，其電磁場的大部分集中在空氣中，因而其有效介電常數(shù)接近于1，使其電參數(shù)與空氣線的電參數(shù)接近，接近于無色散特性；而且介質(zhì)的損耗大大減小了，故具有比微帶線更高的Q值（500～1500），而且此傳輸線可實(shí)現(xiàn)很寬范圍的阻抗值，這樣利于阻抗匹配。［2］另外，為抑制由不連續(xù)帶來的高次模，要仔細(xì)選擇腔體的大小。

一般來說對(duì)基片的要求是微波損耗小、表面光滑度高、硬度強(qiáng)、韌性好、價(jià)格低?？捎糜诤撩撞l段的介質(zhì)基片主要有：氧化鋁陶瓷、RT/duroid5880、藍(lán)寶石、石英等，另外還有主要用于MMIC的砷化稼和磷化錮。對(duì)于本文，綜合介質(zhì)損耗，加工精度，表面光潔度和成本等方面因素，本文采用石英作為基片，在設(shè)計(jì)過程中本文就考慮到了國內(nèi)工藝水平的限制，具體參數(shù)如下：

相對(duì)介電常數(shù)=3.78，基片厚度h=0.1mm，損耗角正切tan=0.0027。

2.3 懸置微帶與波導(dǎo)的過渡結(jié)構(gòu)

懸置微帶線到波導(dǎo)的過渡，結(jié)構(gòu)有兩種主要形式：懸置微帶探針法向與波導(dǎo)傳播方向平行；懸置微帶探針法向與波導(dǎo)傳播方向垂直。選取的原則是：加工方便，本文根據(jù)這一原則選擇懸置微帶面法向與波導(dǎo)傳播方向垂直的方案。波導(dǎo)終端短路長度取1/4個(gè)波導(dǎo)波長以保證探針在波導(dǎo)內(nèi)處于最大電壓，即電場強(qiáng)度最強(qiáng)位置，以達(dá)到盡量高的耦合效率以減小插入損耗和回波損耗。

對(duì)于本文的倍頻器，需要設(shè)計(jì)兩個(gè)探針過渡：73GHz輸入探針和220GHz輸出探針。在綜合考慮抑制高次模，減低從懸置微帶到濾波器的不連續(xù)性以及加工精度能力之后，本文在輸入過渡部分選擇了最為直接的探針過渡結(jié)構(gòu)：沒有使用抑制腔，通過減低懸置微帶腔體尺寸來抑制高次模，并且采用漸變探針以降低不連續(xù)性。以下為73GHz輸入端探針的仿真模型和結(jié)果。在70GHz~80GHz范圍內(nèi)插損小于0.05dB，回波損耗大于20dB。

220GHz輸出探針過渡也采用了相似的結(jié)構(gòu)，在210GHz~227GHz頻帶內(nèi)達(dá)到了與以上性能相當(dāng)?shù)腟參數(shù)指標(biāo)。

圖2 輸入探針仿真模型與結(jié)果

2.4 低通濾波器的設(shè)計(jì)

微帶線低通濾波器用于通過基波（71.7~75GHz），并阻止由并聯(lián)二極管對(duì)產(chǎn)生的三次諧波（215~ 225GHz）信號(hào)由微帶線返回到輸入電路，在此利用高低阻抗線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)該低通濾波器。由于該濾波器工作頻率較高，在設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)高阻線極細(xì)（0.02mm），這對(duì)加工精度有較高的要求。本設(shè)計(jì)選擇的是石英基片，可以達(dá)到該精度要求。利用HFSS仿真的結(jié)果如下圖，從仿真結(jié)果可看出該濾波器對(duì)基波的損耗小于0.15dB，對(duì)三次諧波的抑制度在40dB以上，對(duì)二次諧波的抑制度在25dB以上，這說明在該低通濾波器后的二極管對(duì)產(chǎn)生的諧波信號(hào)基本不會(huì)泄露到輸入端。

圖3 LPF仿真模型與結(jié)果

2.5 輸入和輸出匹配

對(duì)于輸出的波導(dǎo)匹配和輸入的微帶匹配的設(shè)計(jì)，先在ADS中利用諧波平衡法確定輸出阻抗和輸入阻抗，然后借助HFSS的仿真功能，使波導(dǎo)電路和懸置微帶線實(shí)現(xiàn)匹配。在ADS中掃描二極管對(duì)后的負(fù)載電阻大小和微帶線寬，觀測3次諧波功率，得到在懸置微帶線寬為0.2mm左右時(shí)3次諧波輸出最強(qiáng)。然后在HFSS中建立模型，在安裝平衡二極管對(duì)的位置設(shè)置集總參數(shù)端口，端口阻抗設(shè)為在ADS中算得的平衡二極管對(duì)的輸出阻抗，將此作為平衡二極管對(duì)在此復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的嵌入阻抗。

需要注意的是，由于二極管的寬度大于之前選定的懸置微帶腔體寬度，所以需要在放置二極管對(duì)出擴(kuò)大腔體，該不連續(xù)性造成的性能惡化需要盡量降低到最低程度。

另外，二極管對(duì)之前的低通濾波器輸出端對(duì)于三次諧波來說相當(dāng)于一個(gè)段路面，三次諧波會(huì)在濾波器的輸出端與平衡二極管對(duì)的輸入端來回反射，這樣一來，三次諧波功率會(huì)在某些頻點(diǎn)相互疊加和抵消，極有可能導(dǎo)致在最后輸出頻帶內(nèi)出現(xiàn)低功率點(diǎn)。所以在仿真時(shí)需設(shè)計(jì)低通濾波器后到二極管對(duì)的長度以避免上述情況的出現(xiàn)。

下圖為從二極管放置位置處到輸出部分的仿真模型和結(jié)果：

圖4 輸出部分仿真模型與結(jié)果

從結(jié)果可以看出220GHz信號(hào)從二級(jí)管處到輸出端的回波損耗大于11dB，插損小于0.5dB。

需要說明的是，為放置二極管而擴(kuò)寬的腔體在上圖只畫出與輸出探針相連的一半，與低通濾波器相連接的一半沒有畫出。放置二極管的腔體部分對(duì)基波信號(hào)的回波損耗大于15dB，插損小于0.2dB。

2.6 系統(tǒng)整體仿真

把之前HFSS中仿真的輸入輸出探針和濾波器，輸出部分以S2P形式帶入到ADS中進(jìn)行整體仿真，采用的二極管為DBES105a。設(shè)其輸入功率為15dBm，在頻帶215~225GHz，輸出功率為0.6dBm。其仿真模型與仿真結(jié)果如下圖：

圖5 整體仿真結(jié)構(gòu)與結(jié)果

3 結(jié)論

本文利用HFSS和ADS仿真軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化，討論了220GHz三倍頻器的設(shè)計(jì)。該倍頻器結(jié)構(gòu)比較簡單，但由于頻率較高，懸置微帶的尺寸及腔體尺寸都非常小，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考量加工精度和誤差的問題，在設(shè)計(jì)過程中就需要作出一些折中的處理，我將在以后的研究中繼續(xù)分析并盡量減小這種影響。