220GHz無源三倍頻器設(shè)計

　　倍頻器是無線電技術(shù)高頻電路中重要的非線性電路，作為基本的電子器件，被廣泛應(yīng)用于發(fā)射機、頻率合成器、接收機本振源等各種電子設(shè)備中。亞毫米波倍頻器可以降低設(shè)備的主振頻率和擴展工作頻段，同時，由于其輸出頻率可以在輸入頻率的 n 次諧波上選取，因而所需的輸入信號源可以選擇在技術(shù)上相對成熟的毫米波頻段上制作，從而為保證所需的頻率穩(wěn)定度和相噪特性提供了條件，同時，固態(tài)倍頻器體積小、易于集成而且使用壽命較長。因此，目前小功率的亞毫米波固態(tài)源主要依靠倍頻方法實現(xiàn)。

　　亞毫米波在長波段與毫米波相重合，而在短波段，與紅外線相重合，可見亞毫米波波在電磁波頻譜中占有很特殊的位置。由于起所處的特殊位置，亞毫米波具有一系列特殊的性質(zhì)，在頻域上，亞毫米波處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，處于電子學向光子學的過渡。它的量子能量很低，信噪比很高，頻率極寬。它覆蓋各種蛋白質(zhì)在內(nèi)的大分子的轉(zhuǎn)動和振蕩頻率。因此，在學術(shù)上有很重要的學術(shù)價值，在科學技術(shù)上及工業(yè)上有很多很誘人的應(yīng)用：如信息科學方面的超高速成像信號處理，大容量數(shù)據(jù)傳輸;材料處理，分層成像技術(shù)，生物成像;等離子體聚變的診斷;天文學及環(huán)境科學等。而且在國防上也有著及其重要的應(yīng)用前景。

　　2 三倍頻器的設(shè)計

　　2.1 總體方案

　　本方案采用標準波導輸入，通過懸置微帶探針過渡，接低通濾波器，在低通濾波器末端接輸入匹配段，后接同向并聯(lián)的二極管對，之后輸出結(jié)構(gòu)為懸置微帶到標準波導的過渡。方案框圖如下：

　　圖1 總體方案圖

　　2.2 傳輸線和介質(zhì)基片的選擇

　　由于本倍頻器工作的頻率達到220GHz,故傳輸線采用懸置微帶線，其電磁場的大部分集中在空氣中，因而其有效介電常數(shù)接近于1,使其電參數(shù)與空氣線的電參數(shù)接近，接近于無色散特性;而且介質(zhì)的損耗大大減小了，故具有比微帶線更高的Q值(500~1500)，而且此傳輸線可實現(xiàn)很寬范圍的阻抗值，這樣利于阻抗匹配。[2]另外，為抑制由不連續(xù)帶來的高次模，要仔細選擇腔體的大小。

　　一般來說對基片的要求是微波損耗小、表面光滑度高、硬度強、韌性好、價格低?？捎糜诤撩撞l段的介質(zhì)基片主要有：氧化鋁陶瓷、RT/duroid5880、藍寶石、石英等，另外還有主要用于MMIC的砷化稼和磷化錮。對于本文，綜合介質(zhì)損耗，加工精度，表面光潔度和成本等方面因素，本文采用石英作為基片，在設(shè)計過程中本文就考慮到了國內(nèi)工藝水平的限制，具體參數(shù)如下：

　　相對介電常數(shù)=3.78，基片厚度h=0.1mm，損耗角正切tan=0.0027。

　　2.3 懸置微帶與波導的過渡結(jié)構(gòu)

　　懸置微帶線到波導的過渡，結(jié)構(gòu)有兩種主要形式：懸置微帶探針法向與波導傳播方向平行;懸置微帶探針法向與波導傳播方向垂直。選取的原則是：加工方便，本文根據(jù)這一原則選擇懸置微帶面法向與波導傳播方向垂直的方案。波導終端短路長度取1/4個波導波長以保證探針在波導內(nèi)處于最大電壓，即電場強度最強位置，以達到盡量高的耦合效率以減小插入損耗和回波損耗。

　　對于本文的倍頻器，需要設(shè)計兩個探針過渡：73GHz輸入探針和220GHz輸出探針。在綜合考慮抑制高次模，減低從懸置微帶到濾波器的不連續(xù)性以及加工精度能力之后，本文在輸入過渡部分選擇了最為直接的探針過渡結(jié)構(gòu)：沒有使用抑制腔，通過減低懸置微帶腔體尺寸來抑制高次模，并且采用漸變探針以降低不連續(xù)性。以下為73GHz輸入端探針的仿真模型和結(jié)果。在70GHz~80GHz范圍內(nèi)插損小于0.05dB,回波損耗大于20dB。

　　220GHz輸出探針過渡也采用了相似的結(jié)構(gòu)，在210GHz~227GHz頻帶內(nèi)達到了與以上性能相當?shù)腟參數(shù)指標。

　　圖2 輸入探針仿真模型與結(jié)果

　　2.4 低通濾波器的設(shè)計

　　微帶線低通濾波器用于通過基波(71.7~75GHz)，并阻止由并聯(lián)二極管對產(chǎn)生的三次諧波(215~ 225GHz)信號由微帶線返回到輸入電路，在此利用高低阻抗線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)該低通濾波器。由于該濾波器工作頻率較高，在設(shè)計時發(fā)現(xiàn)高阻線極細(0.02mm)，這對加工精度有較高的要求。本設(shè)計選擇的是石英基片，可以達到該精度要求。利用HFSS仿真的結(jié)果如下圖，從仿真結(jié)果可看出該濾波器對基波的損耗小于0.15dB，對三次諧波的抑制度在40dB以上，對二次諧波的抑制度在25dB以上，這說明在該低通濾波器后的二極管對產(chǎn)生的諧波信號基本不會泄露到輸入端。

　　圖3 LPF仿真模型與結(jié)果　　2.5 輸入和輸出匹配

　　對于輸出的波導匹配和輸入的微帶匹配的設(shè)計，先在ADS中利用諧波平衡法確定輸出阻抗和輸入阻抗，然后借助HFSS的仿真功能，使波導電路和懸置微帶線實現(xiàn)匹配。在ADS中掃描二極管對后的負載電阻大小和微帶線寬，觀測3次諧波功率，得到在懸置微帶線寬為0.2mm左右時3次諧波輸出最強。然后在HFSS中建立模型，在安裝平衡二極管對的位置設(shè)置集總參數(shù)端口，端口阻抗設(shè)為在ADS中算得的平衡二極管對的輸出阻抗，將此作為平衡二極管對在此復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的嵌入阻抗。

　　需要注意的是，由于二極管的寬度大于之前選定的懸置微帶腔體寬度，所以需要在放置二極管對出擴大腔體，該不連續(xù)性造成的性能惡化需要盡量降低到最低程度。

　　另外，二極管對之前的低通濾波器輸出端對于三次諧波來說相當于一個段路面，三次諧波會在濾波器的輸出端與平衡二極管對的輸入端來回反射，這樣一來，三次諧波功率會在某些頻點相互疊加和抵消，極有可能導致在最后輸出頻帶內(nèi)出現(xiàn)低功率點。所以在仿真時需設(shè)計低通濾波器后到二極管對的長度以避免上述情況的出現(xiàn)。

　　下圖為從二極管放置位置處到輸出部分的仿真模型和結(jié)果：

　　圖4 輸出部分仿真模型與結(jié)果

　　從結(jié)果可以看出220GHz信號從二級管處到輸出端的回波損耗大于11dB,插損小于0.5dB。

　　需要說明的是，為放置二極管而擴寬的腔體在上圖只畫出與輸出探針相連的一半，與低通濾波器相連接的一半沒有畫出。放置二極管的腔體部分對基波信號的回波損耗大于15dB，插損小于0.2dB。

　　2.6 系統(tǒng)整體仿真

　　把之前HFSS中仿真的輸入輸出探針和濾波器，輸出部分以S2P形式帶入到ADS中進行整體仿真，采用的二極管為DBES105a。設(shè)其輸入功率為15dBm，在頻帶215~225GHz，輸出功率為0.6dBm。其仿真模型與仿真結(jié)果如下圖：

　　圖5 整體仿真結(jié)構(gòu)與結(jié)果

　　3 結(jié)論

　　本文利用HFSS和ADS仿真軟件進行仿真和優(yōu)化，討論了220GHz三倍頻器的設(shè)計。該倍頻器結(jié)構(gòu)比較簡單，但由于頻率較高，懸置微帶的尺寸及腔體尺寸都非常小，在設(shè)計時需要考量加工精度和誤差的問題，在設(shè)計過程中就需要作出一些折中的處理，我將在以后的研究中繼續(xù)分析并盡量減小這種影響。