1  引言

毫米波倍频器是毫米波技术中的一项重要内容，它可以降低毫米波设备的主振频率和扩展工作频率。同时，又把微波设备所具有的优点，如高频率稳定度及微波调制器的调制特性等扩展到毫米波波段。国内外对倍频器的研究已有报道，如采用变容二极管作毫米波倍频器，这种倍频器变频损耗较低，但只限于窄带，作为测试的仪器，宽频带是主要的指标，所以采用电阻性梁式引线肖特基势磊二极管作宽带倍频器件而获得毫米波信号源是最具有前景的方法。尽管电阻性倍频的效率不是很高，一般不会大于1/n^2（n为谐波次数），但它能实现一到两个倍频程的带宽。Rainer Bitzer 采用梁式引线肖特基势磊二极管和由微带线、共面线、缝线构成的输出巴伦结构，在陶瓷基片上实现6－18GHz的宽带倍频，变频损耗为9dB.此时输入功率为20dBm，这种体积小而廉价的倍频器，可用来产生宽待测试一起的本振信号。S.A.Maas 采用肖特基势垒二极管和利用类似于 Marchand 平面巴伦结构的输入、输出巴伦，实现了 16 到 40GHz 的二倍频器。其变频损耗为 12dB，输出功率为 2dBm，对基波的抑制为 20dBc^[1][2]。

2  肖特基二极管反向并联对的工作原理

以肖特基二极管为例，推导一下反向并联肖特基二极管的谐波特性。如图1是两个相同肖特基二极管反向并联的电路图。从图中可得总电流为

                （1）

图1  两相同肖特基二极管反向并联示意图

单个肖特基势垒二极管的电流特性是

           （2）

两个二极管极性相反地并联在一起时，如图2所示，这时两管的电流分别为

          （3）

         （4）

管对的总电流是

 （5）

外加本振电压为

                                  （6）

代入式5，得到管对电流

                      （7）

把此电流展开成傅立叶级数，则

          （8）

式中的系数是n阶第一类变型贝塞尔函数，即

               （9）

由上式可见，由于电流i是奇函数，其展开式中没有偶次项。所以利用两个相同的肖特基势垒二极管反向并联可以对基波进行奇次倍频，其直接抑制了偶次谐波[1]。

3  倍频器设计实现

毫米波倍频器有有源倍频和无源倍频之分，无源具有低噪声的优点，且结构简单。根据不同的倍频次数，无源倍频器又有不同的连接方式，参 考 文 献[1]分析了反向并联二极管对可输出不含偶次谐波的奇次倍频；反向串联二极管对可输出不含奇次谐波的偶次倍频。本论文主要是对无源毫米波三倍频的研究，因此根据无源、三倍频等要求决定了利用二极管倍频， 为了减小偶次谐波分量，因此采用了如图2所示的基本结构，以完成三次倍频。

图2  毫米波三倍频基本结构图

输入低通滤波器采用带状线枝节滤波器，在11GHz～17GHz，其指标是通带插损小于1dB，带内反射大于15dB，带外抑制大于50dB[1]。为了满足宽带的要求，输入匹配利用渐变悬置微带。为了过渡方便，带状线滤波器和悬置微带都采用RT5880基板。输出匹配电路和输出高通滤波器同时采用减高波导来实现，其中减高波导可以降低特性阻抗与倍频二极管的输出阻抗匹配，然而波导自身的高通特性可用作为高通滤波器[4]。其输出结构如图3所示。图3中减高波导的输出端为BJ—400的标准波导，匹配端的波导高度为0.5mm，宽度为5.69mm，加工时允许的误差是±0.02mm，内表面光洁度要求▽0.8。

图3  输出电路结构示意图

图3中短路活塞起到调谐的作用，图中肖特基二极管选择了Aeroflex / Metelics公司的MGS901。该公司的MGS系列是GaAs的梁式引线肖特基势垒二极管，频率可以用到60GHz。设计中利用的辅助软件ADS对模型进行谐波仿真[3]。图4给出了倍频器实物图.

图4  倍频器实物图

4  测试结果与分析

倍频器的主要技术指标有带内回波损耗、变频损耗以及相噪特性。图5给出了无源三倍频器变频损耗和回波损耗的测试结果和仿真结果，结果表明倍频器的最大变频损耗是20dB，最低效率为1％；最小的变频损耗16.5dB，最高效率是2.2％。通过比较，倍频器的实测结果与仿真结果相当，但变频损耗在低端时，仿真结果与实测结果的差异较大，最大达到了5 dB。而回波损耗在14GHz以上，测试结果比仿真结果差5dB，最大差了10dB以上。 

图5  测试结果与仿真结果

由于仪器的限制，该测试方法只能对倍频器输出40GHz以下的信号进行相位噪声测试。测试中选择了11GHz、12GHz和13GHz三个频率点进行测试。表1给出了相位噪声的测试结果，在所测频点中，最大的相位噪声恶化为10.5dB。理想三倍频器相噪恶化指标是＝9.5。从表1看出，实测的相位噪声恶化与理想三倍频器的相位噪声恶化相当。

表1  相位噪声测试结果

5  结束语

研制的无源宽带毫米波三倍频器变频损耗比较低，平坦度比较好，可以应用于毫米波测试仪器中。在以后的倍频器设计中，为了减小变频损耗，可在电路中加入自偏置电路或者外加直流偏置电路，这样就可以降低输入本振源作为自偏置驱动的功率。

参 考 文 献

[1]  王正伟.八毫米波宽带三倍频器研制[硕士学位论文].成都：电子科技大学，2007

[2]  E.Schlecht,G.Chattopadhyay.200,400 and 800GHz Schottky Diode “Substrateless” Multiplier: Design and Results.IEEE, 2001

[3]  DavidM.Klymyshyn.Active Frequency Multip -ier Design Using CAD.IEEE,2003

[4]  Charlotte Tripon-Canseliet,Alain Maestrin- i.Design of a Wideband 900 GHz Balanced Frequency Tripler for Radioastronomy. IEEE,2004