小型化十二倍頻器研究與報告

1 引言

倍頻器是指能完成輸入信號頻率倍增功能的電子組件，在工作頻率較高而對頻率穩(wěn)定性要求嚴格的電子設備中，用一般的LC振蕩器很難達到要求，若采用高穩(wěn)定的晶振，通過倍頻放大即可很容易的實現(xiàn)穩(wěn)頻要求。

在頻率合成器中，利用倍頻器中所產生的各次諧波頻率，通過頻率合成可得到步進間隔小、點數很多的穩(wěn)定頻率輸出，可以很方便的使用到雷達、通信、測量等領域。利用倍頻器還可以制成毫米波信號源，在毫米波通信、軍事偵查、制導等方面有著廣泛的應用。

2 倍頻器原理

從理論上講，任何非線性原件都能夠用來實現(xiàn)倍頻，從工作原理上可分為非線性電抗（電容）型和非線性電導（電容）型。當用正弦波驅動非線性元件時，其輸出端就會產生輸入頻率的高次諧波分量，采用適當的濾波器就能選出所需的諧波分量，即可實現(xiàn)輸入信號的倍頻。常采用的非線性倍頻元件有二極管、晶體管等。

倍頻器的實現(xiàn)方式是多種多樣的，一般用以下七種方法來實現(xiàn)倍頻：（1）用二極管的PN結的靜態(tài)非線性V-I關系，即非線性電導產生諧波；（2）用雙極晶體管的非線性產生諧波；（3）用GaAs FET管得到具有增益的倍頻器；（4）用寬帶單片放大器的非線性產生諧波，并放大諧波構成寬帶倍頻器；（5）振蕩器被注入鎖定在基頻的N次諧波上實現(xiàn)倍頻；（6）用變容二級管得非線性電抗實現(xiàn)參量倍頻；（7）用階躍恢復二極管產生諧波，實現(xiàn)倍頻。

2.1 二極管微波倍頻器

二極管微波倍頻器常采用肖特基二極管、變容二極管和階躍恢復二極管來實現(xiàn)。肖特基二極管由于具有極低的附加相位噪聲本底（可達-170dBC/Hz（@1kHz）），是倍頻電路的首選器件，也是極少可實現(xiàn)毫米波以上頻段的倍頻器件。

變容二極管和階躍恢復二極管通常用來實現(xiàn)大功率和高次倍頻。階躍恢復二極管倍頻器是利用PN結的正向電壓存儲和反向電壓抽取特性，使之將每一輸入周期的能量變換為一個狹窄的、大幅度的脈沖，其頻率等于輸入信號的頻率，經帶通濾波器濾除不需要的諧波，這樣在負載上得到倍頻信號。

通常認為階躍恢復二極管適用于倍頻次數較高的梳譜信號發(fā)生器中。但由于階躍恢復二極管是一種高度的非線性元件，很容易引起電路振蕩和自激，同時對輸入激勵電平、負載牽引較為敏感，在實際工作中需要仔細調試。

2.2 晶體管微波倍頻器

晶體管微波倍頻器是利用其工作于飽和區(qū)或截止區(qū)來產生諧波，如 C 類放大器輸出調諧到 n 倍的輸入頻率上。這種微波倍頻器單向性、隔離性號，并有增益的特點。三極管微波倍頻器一般由雙極晶體管和場效應三極管構成，倍頻次數一般小于 20。用雙極晶體管微波倍頻器產生C波段以下的輸出頻率非常簡單，成本也較低，是頻率源中常用的電路。用場效應三極管微波倍頻器可產設幾十GHz輸出頻率，同時提供較高的倍頻效率和較寬的工作頻帶，對輸入功率要求較低。

這類倍頻器的工作狀態(tài)易受激勵偏置、溫度變化等出現(xiàn)劇烈變化，因此使用時一般要加入恒流、溫補等措施。

2.3 GaAsFET 微波倍頻器

當 GaAsFET場效應管被置于飽和或截止狀態(tài)時，射頻漏極電流Id 被限幅引起非線性，由于 FET 工作在飽和狀態(tài)時，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 FET 直流漏極電流很小，可靠性高。

由于 GaAsFET 場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，因而越來越受到人們的重視。

以上各種倍頻器各有優(yōu)點，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實現(xiàn)倍頻。當倍頻次數較高時，應優(yōu)先采用恢復二極管來倍頻。晶體三極管，F(xiàn)ET管及寬帶放大器等倍頻器一般為變阻類型，所以電路穩(wěn)定，溫度特性好。而階躍恢復二極管為參量倍頻，電路穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性較差，但可實現(xiàn)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，還應注意倍頻器引起的相位噪聲變壞和附加噪聲的增加。但給定一個倍頻次數和與之相關的功率效率后，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，要求輸入功率不能太大。

3 倍頻器設計實例

設計目標是輸入信號頻率為30MHz，經過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：輸入信號經過諧波發(fā)生器，通過帶通濾波器選取出3次倍頻信號；再進入單片放大器進行適當的功率放大，然后經過諧波發(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過功分器分成兩路信號。

圖1 倍頻器原理框圖

由于在變換過程中涉及到多次非線性信號處理，因此會產生豐富的諧波分量。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(wěn)定可靠，兩級諧波發(fā)生器均采用晶體管放大器實現(xiàn)。為了滿足總電流的要求，方案中選用放大器不能過多，同時放大器的工作電源也不能過大，實際設計中選取了3級放大器。在實驗過程中，我們還發(fā)現(xiàn)可以通過調節(jié)放大器的工作電流來提高倍頻效率，有如下規(guī)律，減小電流，可以減小放大器的1dB壓縮點，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

倍頻器的一個重要指標是在寬溫工作范圍內的穩(wěn)定性。晶體管的工作點易受溫度變化的影響，從而導致倍頻信號輸出功率波動較大。影響倍頻器工作穩(wěn)定性的一個重要因素是輸入信號功率的變化，因為輸入信號的大小會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系圖。改善上述穩(wěn)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(wěn)定輸出信號。同時也減低的晶體管的壓縮點，使輸出諧波分量更易于穩(wěn)定。

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

倍頻器的另一個最重要指標是諧波和雜波抑制，通常可以通過設計合適的濾波器來實現(xiàn)。濾波器的設計應兼顧帶外抑制和損耗要求，損耗太大會影響倍頻效率，矩形度差會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測結果。

圖3 濾波器的幅頻響應實測結果

4 實驗結果

當輸入信號為30MHz，輸入功率為3～5dBm時，倍頻輸出功率大于6dBm，諧波抑制大于50dB，在－55～85oC范圍內，功率波動小于2 dB，工作電流小于100mA，組件體積為70mmX25mmX20mm。當輸入信號相位噪聲≤-137dBC/Hz（@10kHz）時，輸出信號相位噪聲≤-114dBC/Hz（@10kHz），和理論相比惡化了 （137-114）- 20log12=1.42dB，主要是由于第一級晶體管的噪聲系數所引入，和理論較好吻合。

圖4 倍頻器的輸出信號和諧波抑制實測結果

圖5 倍頻器的輸出信號相位實測結果

5 結論

本文采用晶體管倍頻的方法獲得了高效穩(wěn)定的十二次倍頻器。由于倍頻實現(xiàn)方式靈活多樣，不能一概而論，小型化、高效率、高頻段是未來的發(fā)展趨勢，應根據具體的工程應用環(huán)境合理選擇設計方案，才能獲得高性能的倍頻器。