小型化十二倍頻器研究

2.3 GaAsFET 微波倍頻器

當 GaAsFET場(chǎng)效應管被置于飽和或截止狀態(tài)時(shí)，射頻漏極電流Id 被限幅引起非線(xiàn)性，由于 FET 工作在飽和狀態(tài)時(shí)，要求更大的直流漏極電流，導致電流至射頻的轉換效率較低，而柵極電流尖峰的存在會(huì )損壞 FET，所以 GaAsFET 微波倍頻器采用 FET 工作在截止狀態(tài)的模式，即VGS = Vp 。這時(shí) FET 直流漏極電流很小，可靠性高。

由于 GaAsFET 場(chǎng)效應微波倍頻器能夠在頻帶范圍內獲得較低的變頻損耗甚至變頻增益，輸入電路輸出電路之間具有良好的隔離，因而越來(lái)越受到人們的重視。

以上各種倍頻器各有優(yōu)點(diǎn)，當工作在倍頻次數較小的情況下，可用三極管、FET管及寬帶放大器的方法來(lái)實(shí)現倍頻。當倍頻次數較高時(shí)，應優(yōu)先采用恢復二極管來(lái)倍頻。晶體三極管，FET管及寬帶放大器等倍頻器一般為變阻類(lèi)型，所以電路穩定，溫度特性好。而階躍恢復二極管為參量倍頻，電路穩定性和溫度穩定性較差，但可實(shí)現高次倍頻。一般變容管的倍頻效率僅為1/(n*n)，而階躍管的效率為1/n。

設計倍頻器時(shí)，還應注意倍頻器引起的相位噪聲變壞和附加噪聲的增加。但給定一個(gè)倍頻次數和與之相關(guān)的功率效率后，應合理設計輸入信號的射頻功率，使倍頻器的輸出信號的信噪比不應變壞，以不影響輸出相位噪聲。要做到這一點(diǎn)，要求輸入功率不能太大。

3 倍頻器設計實(shí)例

設計目標是輸入信號頻率為30MHz，經(jīng)過(guò)12次倍頻，輸出諧波抑制大于50dB，工作電流小于100mA。

基本工作原理如圖一示：輸入信號經(jīng)過(guò)諧波發(fā)生器，通過(guò)帶通濾波器選取出3次倍頻信號；再進(jìn)入單片放大器進(jìn)行適當的功率放大，然后經(jīng)過(guò)諧波發(fā)生器帶通濾波器濾除雜波，提取出4次倍頻信號；得到需要的12次倍頻信號，放大到指標要求的功率后經(jīng)過(guò)功分器分成兩路信號。

圖1 倍頻器原理框圖

由于在變換過(guò)程中涉及到多次非線(xiàn)性信號處理，因此會(huì )產(chǎn)生豐富的諧波分量。如何充分高效的利用需要的頻率分量是設計中的關(guān)鍵。本方案采用兩次有源倍頻，即先倍頻3次，濾掉其他諧波分量后再4次倍頻的方式，由于晶體管放大器效率較高，工作穩定可靠，兩級諧波發(fā)生器均采用晶體管放大器實(shí)現。為了滿(mǎn)足總電流的要求，方案中選用放大器不能過(guò)多，同時(shí)放大器的工作電源也不能過(guò)大，實(shí)際設計中選取了3級放大器。在實(shí)驗過(guò)程中，我們還發(fā)現可以通過(guò)調節放大器的工作電流來(lái)提高倍頻效率，有如下規律，減小電流，可以減小放大器的1dB壓縮點(diǎn)，有利于提高倍頻的效率。

圖2 倍頻器輸入輸出功率測試框圖

倍頻器的一個(gè)重要指標是在寬溫工作范圍內的穩定性。晶體管的工作點(diǎn)易受溫度變化的影響，從而導致倍頻信號輸出功率波動(dòng)較大。影響倍頻器工作穩定性的一個(gè)重要因素是輸入信號功率的變化，因為輸入信號的大小會(huì )改變晶體管的工作偏置電壓。對不同的放大器，輸入信號的影響不同。圖二給出了三種不同放大器輸入輸出功率關(guān)系圖。改善上述穩定性的最重要措施是加入負反饋，負反饋的引入不僅可以穩定輸出信號。同時(shí)也減低的晶體管的壓縮點(diǎn)，使輸出諧波分量更易于穩定。

電路設計中還需要考慮到阻抗匹配，阻抗不匹配會(huì )引起信號的反射，導致倍頻效率降低，輸出信號功率達不到指標要求。同時(shí)還要注意電磁兼容設計，除了大面積接地外，每個(gè)放大器，每個(gè)單元的電源都采用了極強的濾波措施，防止了信號線(xiàn)從電源上互相串擾，避免了串擾雜散。

倍頻器的另一個(gè)最重要指標是諧波和雜波抑制，通?？梢酝ㄟ^(guò)設計合適的濾波器來(lái)實(shí)現。濾波器的設計應兼顧帶外抑制和損耗要求，損耗太大會(huì )影響倍頻效率，矩形度差會(huì )影響諧波和雜波抑制。本設計采用聲表面波濾波器，損耗小于6dB，帶外抑制大于80dB。圖三給出了濾波器的幅頻響應實(shí)測結果。

圖3 濾波器的幅頻響應實(shí)測結果