阶跃二极管高阶倍频器研制

收稿日期:1999-10-08阶跃二极管高阶倍频器研制

张广显　白锡巍

(电子十三所,石家庄　050051)

摘要　介绍了倍频器的原理、应用以及阶跃二极管倍频器的设计方法并给出了结果。关键词　阶跃二极管　倍频器

中图分类号:TN771　文献标识码:A　文章编号:100125507(2000)2250203

SRD H igh-Order M ultipl ier Fabr ica tion

Zhang Guangx ian,B ai X i w ei

(T he13th Institu te(E lectronics),S h ij iaz huang050051)

Abstract　T he theo ry and app licati on of m u lti p lier,the design m ethod and resu lt of SRD m u lti p lier are described.

Keywords　SRD　M u lti p lier

1　引　言

倍频器是指能完成输入信号频率倍增功能的电子组件,它在通信、雷达、频率合成器、测量等领域得到广泛应用。在工作频率较高而对频率稳定性要求又较严格的通信设备中,用一般L C振荡器很难达到要求,若用高稳定度的晶振,再通过倍频放大即可很容易地实现稳频的要求。在频率合成器中,利用倍频器中所产生的各次谐波频率,通过频率合成可得到步进间隔很小、点数很多的稳定频率输出,可以很方便地使用到雷达、通信、测量遥控中去。利用倍频器还可以很容易地制成毫米波信号源,在毫米波通信、军事侦察、制导等方面有着广泛的应用[1]。2　倍频器原理

从理论上讲,任何非线性元件都能够用来设计倍频器,当用正弦波驱动非线性阻抗时,其输出端就会产生输入频率的高次谐波分量,用适当的滤波器就能选出所需的谐波分量,即可实现输入信号的倍频。其一般方框图如图1,常用的非线性元件有变容二极管、阶跃二极管、晶体管等

。

图1　倍频器方框图

05半导体情报 第37卷　第2期　2000年4月

211　变容管倍频器

变容管倍频器是比较简单和常用的一种,它主要是利用变容管结电容对电压的非线性来实现倍频的。常见电路如图2。为提高倍频效率,常加入空闲回路L 1和C 1,它们串联谐振于不需要的谐波频率上,使此谐波重新返回二极管变频,从而增加所需频率上的功率。一般认为变容管常用于倍频次数小于5的倍频器,其优点是效率较高且带宽很宽

。

图2　变容管倍频器方框图

212　晶体管倍频器

晶体管倍频器的主要优点是可利用晶体管的增益,既有倍频功能又有放大作用,它主要是利用晶体管的输入电容或跨导的非线性实现倍频的。双极型晶体管常用于S 波段以下的倍频器中,而S 波段到Ku 、Ka 波段则需用M ES FET ,图3是用M ESFET 实现二倍频器的电路。图中FET 栅偏置为0V ,输入输出用微带线进行匹配。当输入信号频率20GH z ,功率18dBm 时,输出40GH z 的信号功率可达13dBm [2]

。

图3　M ESFET 倍频器(20～40GH z )电路图

213　阶跃管倍频器

上述由变容管和晶体管构成的倍频器常用于倍频次数小于5的情况,当倍频次数较高(N >5)时,它的效率会变得很低,这时可以考虑用阶跃二极管来实现高次倍频。

阶跃管全称为阶跃恢复二极管,它是一种高度非线性元件。图4给出了阶跃管的结电容

和电压之间的关系,当二极管反偏时,电容量几乎不随偏压而变,这时电容值很小(小于几p F );当二极管偏压由负变正时,电容值会变得很大,形成非常大的电容值突变,实际上这种巨大的电容非线性,就是阶跃管高阶倍频效率高的内因。

在高频正弦信号作用下,阶跃管正向时导通,内部存储电荷,当到了信号负半周时,二极管逐渐耗尽所存储的电荷,在电荷耗尽的瞬间,反向电流突然变为零,形成了电流的“阶跃”,由于电流在瞬间(<1n s )变化,在外电路中会产生极窄的脉冲,脉冲沿很陡,含有极其丰富的高次谐波,所以可以利用它进行高次(十次或几十次)倍频

。

图4　阶跃管电容和电压关系曲线图

3　阶跃管倍频器设计

阶跃管倍频器由驱动放大器、谐波产生器、输出滤波器三部分组成。谐波产生器为阶跃管倍频器的核心部分,它还包含输入、输出匹配电路;驱动放大器为阶跃管提供适当的激励功率;而输出滤波器是根据对谐波抑制要求而设置的。下面就对谐波产生器的设计方法和所用公式加以介绍。311　阶跃管的选择

阶跃管最重要的参数有两个:阶跃时间t p

和少子寿命Σ。阶跃时间决定着输出频率的上限,而少子寿命决定着输入频率的下限。通常按以下公式进行阶跃管选择:

t p Φ

1f

o

ΣΕ

1

f

in

其中,f in 和f o 分别为倍频器输入、输出频

1

5第37卷　第2期　2000年4月 半导体情报

率。

312　谐波产生器常用设计公式

图5为谐波产生器电路图,其中,L 为激励电感,C t 为调谐电容,L m ,C m 为匹配元件,R b 为偏置电阻。L m ,C m 使谐波产生器和前级放大器实现阻抗匹配

。

图5　谐波产生器电路图

以下为各电路参数的设计公式[3]

:

L ≈2131×10-2

C j f o 2

C t ≈

11265×10-2

L f

in 2

R in =

f in

2Πf o 2

C j L m =R o R in 2Πf in

C m =

12Πf

in

R o R in

其中,R o =508,C j 为阶跃管的反向结电

容,f in 和f o 分别为倍频器输入、输出频率。电感单位为H ,电容单位为F ,频率单位为H z ,电阻单位为8。

313　45倍频器设计

设计目标是输入频率100M H z ,经过45次倍频至输出415GH z ,输出谐波抑制大于60dB 。考虑到对谐波抑制的要求,我们采用了两次阶跃、两次滤波的方法,如图6。

根据电路要求,选用阶跃管主要参数为:阶跃时间t p Φ150p s ,少子寿命ΣΕ10n s ,结电容C j Φ015p F ,击穿电压V b Ε25V 。用上述公式,很容易计算出900M H z 谐波产生器和415GH z 谐波产生器电路参数

(表1)。

电路调试是倍频器研制的关键。用前述公式计算得出的电路元件值,在调试中还需进行

图6　45倍频器(100～4500M H z )方框图

表1　谐波产生器电路主要元件值

L nH

C t pF

L m nH

C m pF

900M H z 谐波产生器57227036415GH z 谐波产生器

2

7

5

7

微调,实验中一般先调试第一级,即用频谱仪

监测900M H z 信号,达到信号稳定,无自激,无

杂波。调试完第一级后再两级联调。

倍频器中,放大器用硅单片放大器,900M H z 滤波器为L C 带通滤波器,415GH z 滤波器为四节腔体式滤波器。

4　实验结果

当输入100M H z ,功率0dBm 信号时,倍频器输出415GH z 信号功率为10dBm ,谐波抑制大于60dB ,在-40～+70℃的温度范围内,倍频器工作正常,工作电流小于180mA 。

5　结束语

本文介绍了用阶跃管实现倍频器的设计方法并给出了电路参数和设计结果。一般以为阶跃恢复二极管适用于倍频次数较高(N Ε5)的倍频器中,但是由于阶跃管是一种高度非线性的元件,很容易引起电路自激和振荡,因此在实际工作中需要仔细调试。

参　考　文　献

1　费元春.固态倍频.高等教育出版社,1985

2　Boch E .A h igh efficiency 40GH z pow er FET frequency

doubler .M icrow ave Journal,1989.8;154

～1583　H am ilton S,H all R.H ew lett 2Packard app licati on,N o tes

913,920.1967.5

张广显　1989年毕业于北京理工大学电子工程系。主要从事于微波电路研究与开发。

25半导体情报 第37卷　第2期　2000年4月