2 关键电路设计
2.1 二倍频电路
按照方案设计,整个倍频器包含两个二倍频模块,其原理和电路结构相同,这里以8.25~12.5 GHz到16.5~25 GHz的倍频模块为例,介绍二倍频电路的设计方法。
选用二极管作为倍频器件,根据倍频理论,在微波电路中只要并联或串联一个二极管,都会因为其非线性电抗产生倍频作用,配合相应的匹配电路和滤波电路就构成了一个基本的倍频器。但是,这样的倍频器效率较低,实际的倍频器通常都采用多个二极管构成平衡结构,以增强对不需要谐波的抑制,提高倍频效率。
本文也采用平衡倍频电路,两只同样的二极管相对于输入和输出信号分别以反向并联和串联形式接入,原理如图2所示。
该电路实际上是一种全波整流电路,其中输入信号的前半个周期上面一只二极管导通,后半个周期下面一只二极管导通,流经每个二级管的电流分别为
图4的仿真结果是在输入功率+13 dBm情况下得到的,由此可算出倍频损耗为10 dB,满足图1中方案设计的要求。同时由仿真结果可以看出,奇次谐波得到很好的抑制,与理论分析结果一致。
2.2 微带到波导的探针过渡
整个倍频器通过混合集成的工艺实现,最后输出的33~50 GHz信号通过探针过渡,实现微带到波导的输出并保证电路的密封要求。
探针过渡结构比较成熟,在HFSS中针对输出频段建模并仿真,即可得到所需的尺寸,如图5、图6所示。
图6中上面一条曲线表示探针过渡结构的S21(dB),下面一条曲线表示探针过渡结构的S11(dB),横轴表示仿真频率33~50 GHz。得到实物后,再根据测试结果做一定调试,就能得到比较满意的结果。
3 测试结果及分析
完成上述关键电路的设计后,再配合模块化的放大器和滤波器,就得到了整个毫米波四倍频器,如图7所示。
对其关键指标测试,工作带宽及输出功率测试结果如图8所示。
其中横轴表示测试的频率范围为30~50 GHz,纵轴表示输出频谱的功率dBm。可见,该倍频器实现了33~50 GHz频段内的四倍频输出,并且全频段的输出功率均大于10 dBm,满足指标要求。
谐波抑制方面,因为该倍频器工作频带较宽,所以低端输入频率的五次谐波会落入工作频带以内,其谐波抑制应该最差,对最差的这种情况进行测试,结果如图9所示。横轴表示输出信号的频率GHz,纵轴表示输出信号的功率dBm。可见,此时的谐波抑制为23 dBc,满足设计要求。
4 结语
论述了毫米波宽带倍频器的设计原理和电路实现方式,重点分析了毫米波Balun电桥、微带到波导的探针过渡等关键电路的仿真设计,并以此为基础,采用混合集成工艺,成功地设计了一个毫米波宽带四倍频器。通过实际测试结果可以看出,该倍频器具有全密封,体积小,可靠性高等特点,各项指标达到国外同类产品水平,可以全面替代相应频段的进口器件。
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