220GHz無(wú)源三倍頻器設計

　　倍頻器是無(wú)線(xiàn)電技術(shù)高頻電路中重要的非線(xiàn)性電路，作為基本的電子器件，被廣泛應用于發(fā)射機、頻率合成器、接收機本振源等各種電子設備中。亞毫米波倍頻器可以降低設備的主振頻率和擴展工作頻段，同時(shí)，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定度和相噪特性提供了條件，同時(shí)，固態(tài)倍頻器體積小、易于集成而且使用壽命較長(cháng)。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(shí)現。

　　亞毫米波在長(cháng)波段與毫米波相重合，而在短波段，與紅外線(xiàn)相重合，可見(jiàn)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(guān)經(jīng)典理論向微觀(guān)量子理論的過(guò)渡區，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過(guò)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)在內的大分子的轉動(dòng)和振蕩頻率。因此，在學(xué)術(shù)上有很重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，在科學(xué)技術(shù)上及工業(yè)上有很多很誘人的應用：如信息科學(xué)方面的超高速成像信號處理，大容量數據傳輸;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(xué)及環(huán)境科學(xué)等。而且在國防上也有著(zhù)及其重要的應用前景。

　　2 三倍頻器的設計

　　2.1 總體方案

　　本方案采用標準波導輸入，通過(guò)懸置微帶探針過(guò)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，之后輸出結構為懸置微帶到標準波導的過(guò)渡。方案框圖如下：

　　圖1 總體方案圖

　　2.2 傳輸線(xiàn)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(xiàn)采用懸置微帶線(xiàn)，其電磁場(chǎng)的大部分集中在空氣中，因而其有效介電常數接近于1,使其電參數與空氣線(xiàn)的電參數接近，接近于無(wú)色散特性;而且介質(zhì)的損耗大大減小了，故具有比微帶線(xiàn)更高的Q值(500~1500)，而且此傳輸線(xiàn)可實(shí)現很寬范圍的阻抗值，這樣利于阻抗匹配。[2]另外，為抑制由不連續帶來(lái)的高次模，要仔細選擇腔體的大小。

　　一般來(lái)說(shuō)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(jià)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，在設計過(guò)程中本文就考慮到了國內工藝水平的限制，具體參數如下：

　　相對介電常數=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(guò)渡結構

　　懸置微帶線(xiàn)到波導的過(guò)渡，結構有兩種主要形式：懸置微帶探針?lè )ㄏ蚺c波導傳播方向平行;懸置微帶探針?lè )ㄏ蚺c波導傳播方向垂直。選取的原則是：加工方便，本文根據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(cháng)度取1/4個(gè)波導波長(cháng)以保證探針在波導內處于最大電壓，即電場(chǎng)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，需要設計兩個(gè)探針過(guò)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性以及加工精度能力之后，本文在輸入過(guò)渡部分選擇了最為直接的探針過(guò)渡結構：沒(méi)有使用抑制腔，通過(guò)減低懸置微帶腔體尺寸來(lái)抑制高次模，并且采用漸變探針以降低不連續性。以下為73GHz輸入端探針的仿真模型和結果。在70GHz~80GHz范圍內插損小于0.05dB,回波損耗大于20dB。

　　220GHz輸出探針過(guò)渡也采用了相似的結構，在210GHz~227GHz頻帶內達到了與以上性能相當的S參數指標。

　　圖2 輸入探針?lè )抡婺Ｐ团c結果

　　2.4 低通濾波器的設計

　　微帶線(xiàn)低通濾波器用于通過(guò)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(xiàn)返回到輸入電路，在此利用高低阻抗線(xiàn)結構實(shí)現該低通濾波器。由于該濾波器工作頻率較高，在設計時(shí)發(fā)現高阻線(xiàn)極細(0.02mm)，這對加工精度有較高的要求。本設計選擇的是石英基片，可以達到該精度要求。利用HFSS仿真的結果如下圖，從仿真結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(shuō)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(huì )泄露到輸入端。

　　圖3 LPF仿真模型與結果　　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計，先在A(yíng)DS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(xiàn)實(shí)現匹配。在A(yíng)DS中掃描二極管對后的負載電阻大小和微帶線(xiàn)寬，觀(guān)測3次諧波功率，得到在懸置微帶線(xiàn)寬為0.2mm左右時(shí)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置集總參數端口，端口阻抗設為在A(yíng)DS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雜結構中的嵌入阻抗。

　　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(lái)說(shuō)相當于一個(gè)段路面，三次諧波會(huì )在濾波器的輸出端與平衡二極管對的輸入端來(lái)回反射，這樣一來(lái)，三次諧波功率會(huì )在某些頻點(diǎn)相互疊加和抵消，極有可能導致在最后輸出頻帶內出現低功率點(diǎn)。所以在仿真時(shí)需設計低通濾波器后到二極管對的長(cháng)度以避免上述情況的出現。

　　下圖為從二極管放置位置處到輸出部分的仿真模型和結果：

　　圖4 輸出部分仿真模型與結果

　　從結果可以看出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(shuō)明的是，為放置二極管而擴寬的腔體在上圖只畫(huà)出與輸出探針相連的一半，與低通濾波器相連接的一半沒(méi)有畫(huà)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(jìn)行整體仿真，采用的二極管為DBES105a。設其輸入功率為15dBm，在頻帶215~225GHz，輸出功率為0.6dBm。其仿真模型與仿真結果如下圖：

　　圖5 整體仿真結構與結果

　　3 結論

　　本文利用HFSS和ADS仿真軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化，討論了220GHz三倍頻器的設計。該倍頻器結構比較簡(jiǎn)單，但由于頻率較高，懸置微帶的尺寸及腔體尺寸都非常小，在設計時(shí)需要考量加工精度和誤差的問(wèn)題，在設計過(guò)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分析并盡量減小這種影響。