小型化十二倍频器研究

admin

                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，在工作频率较高而对频率稳定性要求严格的电子设备中，用一般的LC振荡器很难达到要求，若采用高稳定的晶振，通过倍频放大即可很容易的实现稳频要求。
                         
                        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小、点数很多的稳定频率输出，可以很方便的使用到雷达、通信、测量等领域。利用倍频器还可以制成毫米波信号源，在毫米波通信、军事侦查、制导等方面有着广泛的应用。
                         
                        2  倍频器原理

                        从理论上讲，任何非线性原件都能够用来实现倍频，从工作原理上可分为非线性电抗（电容）型和非线性电导（电容）型。当用正弦波驱动非线性元件时，其输出端就会产生输入频率的高次谐波分量，采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。常采用的非线性倍频元件有二极管、晶体管等。
                         
                        倍频器的实现方式是多种多样的，一般用以下七种方法来实现倍频：（1）用二极管的PN结的静态非线性V-I关系，即非线性电导产生谐波；（2）用双极晶体管的非线性产生谐波；（3）用GaAs FET管得到具有增益的倍频器；（4）用宽带单片放大器的非线性产生谐波，并放大谐波构成宽带倍频器；（5）振荡器被注入锁定在基频的N次谐波上实现倍频；（6）用变容二级管得非线性电抗实现参量倍频；（7）用阶跃恢复二极管产生谐波，实现倍频。
                         
                        2.1  二极管微波倍频器

                        二极管微波倍频器常采用肖特基二极管、变容二极管和阶跃恢复二极管来实现。肖特基二极管由于具有极低的附加相位噪声本底（可达-170dBC/Hz（@1kHz）），是倍频电路的首选器件，也是极少可实现毫米波以上频段的倍频器件。
                         
                        变容二极管和阶跃恢复二极管通常用来实现大功率和高次倍频。阶跃恢复二极管倍频器是利用PN结的正向电压存储和反向电压抽取特性，使之将每一输入周期的能量变换为一个狭窄的、大幅度的脉冲，其频率等于输入信号的频率，经带通滤波器滤除不需要的谐波，这样在负载上得到倍频信号。
                         
                        通常认为阶跃恢复二极管适用于倍频次数较高的梳谱信号发生器中。但由于阶跃恢复二极管是一种高度的非线性元件，很容易引起电路振荡和自激，同时对输入激励电平、负载牵引较为敏感，在实际工作中需要仔细调试。
                         
                        2.2  晶体管微波倍频器

                        晶体管微波倍频器是利用其工作于饱和区或截止区来产生谐波，如 C 类放大器输出调谐到 n 倍的输入频率上。这种微波倍频器单向性、隔离性号，并有增益的特点。三极管微波倍频器一般由双极晶体管和场效应三极管构成，倍频次数一般小于 20。用双极晶体管微波倍频器产生C波段以下的输出频率非常简单，成本也较低，是频率源中常用的电路。用场效应三极管微波倍频器可产设几十GHz输出频率，同时提供较高的倍频效率和较宽的工作频带，对输入功率要求较低。
                         
                        这类倍频器的工作状态易受激励偏置、温度变化等出现剧烈变化，因此使用时一般要加入恒流、温补等措施。
                 
                        2.3  GaAsFET 微波倍频器
                        当 GaAsFET场效应管被置于饱和或截止状态时，射频漏极电流Id 被限幅引起非线性，由于 FET 工作在饱和状态时，要求更大的直流漏极电流，导致电流至射频的转换效率较低，而栅极电流尖峰的存在会损坏 FET，所以 GaAsFET 微波倍频器采用 FET 工作在截止状态的模式，即VGS = Vp 。这时 FET 直流漏极电流很小，可靠性高。
                         
                        由于 GaAsFET 场效应微波倍频器能够在频带范围内获得较低的变频损耗甚至变频增益，输入电路输出电路之间具有良好的隔离，因而越来越受到人们的重视。
                         
                        以上各种倍频器各有优点，当工作在倍频次数较小的情况下，可用三极管、FET管及宽带放大器的方法来实现倍频。当倍频次数较高时，应优先采用恢复二极管来倍频。晶体三极管，FET管及宽带放大器等倍频器一般为变阻类型，所以电路稳定，温度特性好。而阶跃恢复二极管为参量倍频，电路稳定性和温度稳定性较差，但可实现高次倍频。一般变容管的倍频效率仅为1/(n*n)，而阶跃管的效率为1/n。
                         
                        设计倍频器时，还应注意倍频器引起的相位噪声变坏和附加噪声的增加。但给定一个倍频次数和与之相关的功率效率后，应合理设计输入信号的射频功率，使倍频器的输出信号的信噪比不应变坏，以不影响输出相位噪声。要做到这一点，要求输入功率不能太大。
                         
                        3  倍频器设计实例

                        设计目标是输入信号频率为30MHz，经过12次倍频，输出谐波抑制大于50dB，工作电流小于100mA。
                         
                        基本工作原理如图一示：输入信号经过谐波发生器，通过带通滤波器选取出3次倍频信号；再进入单片放大器进行适当的功率放大，然后经过谐波发生器带通滤波器滤除杂波，提取出4次倍频信号；得到需要的12次倍频信号，放大到指标要求的功率后经过功分器分成两路信号。
                         
       

               

       

                图1  倍频器原理框图

                         
                        由于在变换过程中涉及到多次非线性信号处理，因此会产生丰富的谐波分量。如何充分高效的利用需要的频率分量是设计中的关键。本方案采用两次有源倍频，即先倍频3次，滤掉其他谐波分量后再4次倍频的方式，由于晶体管放大器效率较高，工作稳定可靠，两级谐波发生器均采用晶体管放大器实现。为了满足总电流的要求，方案中选用放大器不能过多，同时放大器的工作电源也不能过大，实际设计中选取了3级放大器。在实验过程中，我们还发现可以通过调节放大器的工作电流来提高倍频效率，有如下规律，减小电流，可以减小放大器的1dB压缩点，有利于提高倍频的效率。
                         
       

               

       

                图2  倍频器输入输出功率测试框图

                         
                        倍频器的一个重要指标是在宽温工作范围内的稳定性。晶体管的工作点易受温度变化的影响，从而导致倍频信号输出功率波动较大。影响倍频器工作稳定性的一个重要因素是输入信号功率的变化，因为输入信号的大小会改变晶体管的工作偏置电压。对不同的放大器，输入信号的影响不同。图二给出了三种不同放大器输入输出功率关系图。改善上述稳定性的最重要措施是加入负反馈，负反馈的引入不仅可以稳定输出信号。同时也减低的晶体管的压缩点，使输出谐波分量更易于稳定。
                         
                        电路设计中还需要考虑到阻抗匹配，阻抗不匹配会引起信号的反射，导致倍频效率降低，输出信号功率达不到指标要求。同时还要注意电磁兼容设计，除了大面积接地外，每个放大器，每个单元的电源都采用了极强的滤波措施，防止了信号线从电源上互相串扰，避免了串扰杂散。
                         
                        倍频器的另一个最重要指标是谐波和杂波抑制，通常可以通过设计合适的滤波器来实现。滤波器的设计应兼顾带外抑制和损耗要求，损耗太大会影响倍频效率，矩形度差会影响谐波和杂波抑制。本设计采用声表面波滤波器，损耗小于6dB，带外抑制大于80dB。图三给出了滤波器的幅频响应实测结果。
                         
       

               

       

                图3  滤波器的幅频响应实测结果

                 
                        4  实验结果

                        当输入信号为30MHz，输入功率为3～5dBm时，倍频输出功率大于6dBm，谐波抑制大于50dB，在－55～85?C范围内，功率波动小于2 dB，工作电流小于100mA，组件体积为70mmX25mmX20mm。当输入信号相位噪声≤-137dBC/Hz（@10kHz）时，输出信号相位噪声≤-114dBC/Hz（@10kHz），和理论相比恶化了 (137-114)- 20log12=1.42dB，主要是由于第一级晶体管的噪声系数所引入，和理论较好吻合。
                         
       

               

       

                图4  倍频器的输出信号和谐波抑制实测结果

       

               

       

                图5  倍频器的输出信号相位实测结果

                         
                        5  结论

                        本文采用晶体管倍频的方法获得了高效稳定的十二次倍频器。由于倍频实现方式灵活多样，不能一概而论，小型化、高效率、高频段是未来的发展趋势，应根据具体的工程应用环境合理选择设计方案，才能获得高性能的倍频器。