毫米波倍频衰减组件研究

常 巍

(中国电子科技集团公司第13研究所市场营销部，河北石家庄 050051)

现用的微波频段越来越拥挤，毫米波频段成为急待开拓的微波频段之一，该频段在保密、抗干扰等方面比其他微波频段有着明显的优势。在该频段产生性能稳定的信号是毫米波系统必不可少部分，实现该目的方式之一是将性能稳定的低频段信号经过倍频到较高的毫米波频段，再通过精确的数控衰减设计，控制信号的大动态变化［1］。本套组件的功能是将Ku波段信号通过倍频变到毫米波Ka波段信号，然后进行放大滤波、数控衰减通过喇叭天线发射出去，多套本单元并排组成面阵通过各自的天线发射毫米波信号。

1 电路结构与设计

本套组件用倍频放大、数控衰减工作链，完成发射功能。毫米波放大、倍频和大动态衰减的设计是整个组件系统的关键部件［2］。

1.1 关键技术

有源二倍频器、两级大动态的衰减器和端口转换技术为关键技术。

(1)有源二倍频器的实现。从频域的观点来看，倍频是将微波频率按整数倍增长。实现倍频最简单的方法是用非线性电阻或电抗，利用其非线性进行频率变换。然后用滤波电路选取其中所需的谐频信号，而将基频和不需要的谐波加以抑制［3］。对于有源二倍频器，采用二倍频加宽带有源放大的方式实现，如图1所示。二倍频采用前面所介绍的原理，产生二次谐波后经放大输出，即可达到所要求的技术指标。倍频电路为FET管倍频电路形式，通过调节FET管栅偏压及漏偏压，使FET管工作在合适的工作状态，实现二次倍频功能。

倍频电路由3级电路组成，通过调节第1级FET管栅偏压实现二次倍频功能，2、3级电路实现输出信号的放大，倍频器电路如图1所示。

图1 倍频器电路图

输入信号Ku波段、带宽1 GHz、输入功率12～13 dB;输出信号 Ka波段、带宽 2 GHz、输出功率12 dB。

(2)大范围衰减量的实现。为实现大范围的衰减量采用两级级联方式，每级实现45 dB的衰减。衰减器单元主要由波导转换和衰减两部分组成。在此衰减器中输出端为波导口，而衰减电路是在微带电路中实现的。

本模块由电调衰减器和控制电路两部分组成，衰减器采用FET晶体管的电路形式。当给FET管加上连续变化的偏置时，FET管导通电阻将随偏置而连续变化，从而达到改变吸收支路阻抗的目的，当微波信号在主传输线上传输时，将在吸收支路上产生不同程度的衰减，可采用多级级联实现大的衰减动态范围和较宽的频带响应。在此基础上加上控制电路，将BCD数码转换成模拟电压量来控制电调衰减器的衰减量，即可实现可编程控制的衰减器［4－6］。

该衰减器工作于毫米波段，在此频率下，级间匹配、腔体结构设计等关系到大动态衰减量的实现，通过HFSS仿真设计，采取了合理的窄腔结构、通过两级间波导隔离器解决良好的级联匹配，最终实现了超大衰减动态范围，可在Ka波段保证90 dB的大衰减。

(3)波导转换设计。衰减器单元主要由波导转换和衰减两部分组成，衰减电路是在微带电路中实现的，要解决波导对微带电路的转换。波导转换采用微波探针形式，具有体积较小、插损小、频带宽、测试方便等优点。通过电磁场仿真软件优化设计微带—波导转换结构［7］。26.5～40 GHz宽频带微带—波导转换采用了具有密封性的绝缘子探针结构，电磁场仿真结果如图2所示。

图2 微带—波导转换3D电磁场仿真图及结果

通过仿真可以看到，此绝缘子探针结构损耗在28～40 GHz，＜0.3 dB、反射损耗 11 dB，26～28 GHz损耗接近1 dB、反射损耗7 dB，因此在28～40 GHz的宽带范围内，此探针结构体积较小、插损小、密封性好、使用方便。

1.2 参数设计

根据系统指标要求，主要将Ku波段带宽1 GHz的微波信号倍频为Ka波段带宽2 GHz的毫米波信号，输入功率范围在0～5 dB，经放大到11～12 dB后进入倍频器，倍频后再放大到约12 dB，经过滤波、数控衰减器损耗，输出信号幅度在0±3 dB范围内。毫米波数控衰减器为大动态90 dB衰减范围，分为两级实现，每级45 dB衰减，步进为1 dB，采用双6位TTL电平控制，编码状态为1、2、4、8、16、32 dB。当衰减器工作时，输出电平动态范围约为0～－90 dB［8－9］。指标分配如图3所示。

图3 指标分配图

输入频率为Ku波段;输入功率为0～5 dB;输出频率为Ka波段;输出功率为0±3 dB;毫米波数控衰减器为90 dB;步进为1 dB，双6位TTL控制。

输出毫米波信号为大动态90 dB衰减范围，分为两极实现，每级独立腔体、窄腔结构，每级50 dB衰减。为防止级间信号串扰，大动态衰减难以实现，两极间采用隔离器良好隔离最终实现了90 dB衰减。

组件采用SMA(Female)输入，320波导输出，为了具有良好的屏蔽性能，采用分腔结构。这就要求对电路结构进行合理布局，充分考虑确定盒体结构。在设计上采用多腔结构，射频部分和电源部分分别位于不同腔体，两腔体连接采用穿孔的方式防止了信号的串扰。在该产品中使用了裸芯片，为减小外界环境对裸芯片的影响，在结构上将盒盖设计为嵌入式，增加了一定的密封性。

2 达到的技术水平

该组件制作完成后搭建测试系统如图4所示。

图4 测试系统原理图

达到的主要技术指标:输入频率为 Ku波段(1 GHz带宽);输出频率为Ka波段(2 GHz带宽);输入功率为0～5 dB;输出功率为0±1 dB;毫米波数控衰减器最大动态为89～92 dB;毫米波数控衰减器步进为1 dB。具体测试数据如表1和表2所示。

表1 输入频率改变时的测试数据

表2 输出频率改变时的测试数据

从测试结果可看到，组件在2 GHz带宽内小衰减比较平坦，50 dB以上的大衰减平坦变差，约达到3 dB，最终在Ka波段实现了衰减器89～92 dB的最大动态。

3 结束语

该组件实现了较好的性能指标，尤其在Ka波段实现了大动态衰减，可对毫米波信号的大小精确控制，可广泛应用于毫米波通信、雷达系统及毫米波精确制导前端、民用射电天文等系统，并具有良好的市场前景。

［1］ 薛良金.毫米波工程基础［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2004.

［2］ 王惠功.非线性微波毫米波电路分析与设计［M］.北京:北京邮电学院出版社，1991.

［3］ DAVID R，ALFRD H.Millimeter－ wave coupled line filter design techniques for suspended substrate and microstrip［J］.Microwave Journal Octocter，1980(23):67 － 78.

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［5］ 宋立娜，李晓，叶荣钦.一种V波段近距探测毫米波功率放大器设计［J］.电子科技，2011，24(7):57－60.

［6］ 周立东.毫米波合成扫频源中的返波管非线性补偿技术［J］.电子科技，2007(8):12 －15.

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［8］ 赵正平.固态微波毫米波、太赫兹器件与电路的新进展［J］.半导体技术，2012，37(1):1 －8.

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