超宽带高效无源二倍频器设计

郭 彬

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

0 引言

随着近年来国内微波电路设计水平的不断提高，Ka及以上波段宽带微波频率源在各类通信整机中经常出现，作为频率源的核心部件，宽带倍频器的设计得到了越来越多通信工程师的重视，其不仅扩展了频率源的带宽,还简化频率源的构成,节约了设计成本，降低了整机的功耗。

倍频器根据工作方式的不同,分为奇次倍频和偶次倍频。奇次倍频和偶次倍频都是基于二极管或三极管的非线性特性设计的倍频方式。此外，依据倍频器工作时是否需要外置直流电源，又可将其分成有源倍频器和无源倍频器2类。相对于有源倍频,无源非线性倍频具有电路相对简单、无需外加偏置、低噪声等优点，由于二极管制作技术和输入输出匹配技术的限制，国内多年来在工作频率带宽和倍频损耗等方面始终没有大的突破。

近年来，随着MMIC技术的发展，单片倍频器的设计有了一定进步，但仅限于产品体积的缩小[1-4]；受限于使用的原材料及工艺条件，在工作频率带宽的展宽和倍频效率的提高等方面没有实质性的发展。2016年，电子科大陈奉云等[5]设计的一款毫米波段单片二倍频器，输入频率4～8 GHz，输出频率8～16 GHz，倍频损耗13 dB。

本文采用4个相同的硅肖特基势垒二极管构成的桥形堆作为宽带倍频器件,利用无源宽带输入输出匹配技术，在电磁场仿真优化和传统电路设计相结合的方法下，实现了输入输出信号频率覆盖多倍频程，工作频带内倍频损耗指标达到国外同类器件水平。

1 二倍频器电路原理和特性

二倍频器的作用是将一次输入信号倍频到二次谐波信号，根据电路形式不同分为单平衡倍频器和双平衡倍频器。

单平衡倍频器由2个二极管和一个输出变压器组成，由于输入未加匹配，工作频带难以展宽，通常达不到一个倍频程，同时倍频效率也达不到预期的要求[6]。单平衡倍频器原理如图1所示。

图1 单平衡倍频器原理Fig.1 Principle of single balanced frequency multiplier

以单平衡倍频器电路原理为基础，通过增加输入匹配电路及参加倍频的二极管数量，构造出了一种全新的双平衡倍频器电路形式，它由4个二极管及输入输出匹配电路组成。

为减小分布参数，多采用桥堆形式封装，将4个性能相近的二极管封装在一起，组成二极管桥堆；而输入输出匹配电路由2个宽边耦合悬置带线组成的巴伦及匹配电感构成,从而实现宽带倍频,其工作形式如图2 所示。

图2 二次倍频器的电路原理Fig.2 Circuit principle of frequency doubler

连续波信号通过4个二极管(通常称为桥堆) 构成了连续波整流电路。信号在正半周时使节点1,2之间和4,3之间的二极管正向偏置，而使节点2,3之间和1,4之间的二极管反向偏置；在负半周时则完全相反，使节点3,2之间和4,1之间的二极管正向偏置，而使节点2,1之间和3,4之间的二极管反向偏置。单独一个二极管上的电流为[7]:

i1= -is[exp(-av) - 1]，

(1)

i2=is[exp(av) - 1]，

(2)

式中，is为反向电流；v为二极管两端外加电压；a=q/ηkT，其中q为电子电荷,η为理想因子(其理想值为1),k为波尔兹曼常数,T为绝对温度。

输入端电流：

ig=i1+i2= 2issinh(av)=4is[I1(av) cos(wt)+

I3(av) cos(3wt) +I5(av) cos(5wt) + …]。(3)

输出端电流：

il=i1-i2= 2is-2is( cosh (av)- 1) =

2is[I0(av) + 2I2(av) cos(2wt)+4I4(av) cos(4wt) + …]，

(4)

式中，In(av) 为n阶倍赛尔函数。

式(3)、式(4)表明,桥堆输入端的主要信号是基波和奇次谐波，而输出端的主要信号是偶次谐波，实现了基波分量和偶次谐波分量的分离。体现在实测结果上，二倍频器输出信号中二次谐波分量比基波分量功率大20 dB。二倍频器部分版图及装配如图3所示，其中含电路基板和桥堆。二倍频器实物镀镍盒体如图4所示。

图3 二倍频器部分版图及装配Fig.3 Partial layout and assembly diagram of frequency doubler

图4 二倍频器实物Fig.4 Actual picture of frequency doubler

2 宽带二倍频器电路设计与实现

二倍频器由输出、输入宽边耦合悬置带线巴伦和二极管桥堆组成。在宽带二倍频器中,宽边耦合悬置带线巴伦的设计是设计工作的核心部分,因为二极管桥堆的工作带宽是由外围匹配电路决定的，输入、输出悬置带线宽边耦合匹配电路的带宽对二倍频器的带宽起着决定性的作用。倍频器的输入、输出采用悬置带线宽边耦合匹配电路的设计。

相对于其他非线性二倍频器,硅肖特基势垒二极管构成的倍频器的最大优势是宽带。二极管倍频器的非线性倍频部分可以用2个或4个二极管组成。由2个二极管组成的偶次倍频器工作带宽窄，倍频效率低，且温度稳定性不好，在实际使用中已不多见；4个二极管组成的二极管排列可有效抑制谐波，提高倍频效率，通过二极管之间的互补效应可大大提高其温度稳定性[8-11]；经比较，本文采用双平衡式结构搭建了二极管桥堆，提高整个倍频电路的温度稳定性,使输出、输入相互隔离,同时抑制不必要的奇次谐波,获得较高的倍频效率。

在本文的设计中,采用了宽边耦合悬置带线来进行阻抗匹配,实现宽带倍频。介质基片选用ε= 2.2,h= 0.13 mm 的介质材料。利用HFSS对无源结构进行了电磁仿真。

此外，二极管桥堆的三维立体式安装方式也在宽带二倍频器的实现过程中起到了至关重要的作用。选用的二极管桥堆外形如图5所示，该种封装方式的二极管桥堆除了可以采用表贴式安装外，还可以在成型后采用立体式安装方式；由于宽边耦合悬置带线巴伦在微波电路板两面均有图形，与二极管桥堆的立体式安装方式正好匹配。该种装配方式有效地减小了封装管腿引入的寄生参数，有利于二倍频器扩展工作频率带宽。在装配过程中，采用焊锡焊接的方式把二极管桥堆和匹配巴伦连接起来，由于二极管桥堆在倍频过程中需要吸收一定的耗散功率，有一定的温度升高，故焊接不可采用低温焊料。

图5 二极管桥堆外形Fig.5 Diode bridge configuration

二极管桥堆和悬置带线巴伦组成的倍频器整体电路采用ADS 谐波平衡功能和原理图进行联合仿真[5]。电路的输出功率仿真结果如图6所示，在2～22 GHz 的频率范围内，倍频损耗小于11.5 dB。

用频率源和频谱仪组成测试系统，当二倍频器工作在输入信号频率1～11 GHz，功率8～12 dBm时；实测该二倍频器倍频损耗小于12 dB,基波隔离优于22 dB; 三次谐波抑制优于30 dB，基本符合仿真结果。实测倍频损耗结果如图7所示。

图6 倍频损耗仿真结果Fig.6 Simulation results of frequency multiplication loss

图7 倍频损耗实测结果Fig.7 Measured results of frequency multiplication loss

实际研制双平衡宽带倍频器的过程中,选用的是Cobham 公司的硅二极管桥形堆E45R,其外型尺寸紧凑,管堆中的二极管并联电容Cp仅为0.08 pF,结电容Cj小于0.35 pF，导通电阻RD小于15 Ω，并联电感Lp小于0.4 nH，正向势垒电压小于0.35 V,反向击穿电压VBR大于2 V(以上指标均在VR=0，F=1 MHz，IF=5 mA的测试条件下测得)，可以工作到Ka频段[12]。

3 结束语

采用硅肖特基低势垒二极管桥堆构成双平衡型倍频器,其特点是超宽带(带宽可达数个倍频程)、高效率(倍频损耗接近理论值)、奇次谐波抑制(输入、输出谐波相互隔离,输出回路只存在偶次谐波,奇次谐波抑制可达30 dB)、工作温度范围宽。

该倍频器设计好后经过电路板制作、盒体制作、焊接、烧结和机械装配等工艺制成成品，成品不需要调试,良品率高，可重复性好,适合批量生产。测试结果表明,超宽带二倍频器的技术指标已经处于国内微波设计公司同类产品领先水平,满足工程实际应用。该产品生产工序较多，在生产过程中对工艺人员的操作熟练度有一定要求，以后在简化生产工序，降低产品装配难度、提升生产效率等方面还有一定的提升空间。