W 波段寬帶高效率電阻性三倍頻器設計

周 明 姚常飛 羅運生 李 姣 吳 剛

(南京電子器件研究所 南京 210016)

1 引言

毫米波技術(shù)廣泛應用于遙感技術(shù)、深空探測、射電天文學等領(lǐng)域，作為其各類應用系統(tǒng)的核心部件，頻率源的研究至關(guān)重要。頻率源的實現(xiàn)途徑主要分三大類:第一類是采用速調(diào)管、磁控管、行波管等真空電子器件;第二類是采用二端器件(GUNN，IMPATT，PSVD、HBV 等)、三端器件(HBT、HEMT 和PHEMT 等)和量子級聯(lián)激光器(QCL)來實現(xiàn);第三類信號源則是通過其它方式如:自由電子激光、高能加速器等實現(xiàn)。目前真空電子器件輸出功率雖然很大，但對實際工作條件要求苛刻，且不易于系統(tǒng)的集成和小型化設計，因此其應用在很多場合受到了限制。二端器件振蕩器在毫米波低端能輸出上百毫瓦數(shù)量級的功率，但相噪差。同樣地，三端器件振蕩器輸出功率也很低，且遠遠低于目前二端器件的水平。鑒于以上情況，需要尋求一種更加可靠、穩(wěn)定、高性能的毫米波源實現(xiàn)途徑。倍頻技術(shù)作為一種信號源實現(xiàn)途徑，由于其倍頻效率高、輸出功率電平大，是目前實現(xiàn)毫米波信號源的最主要方式。目前國外在微波頻段倍頻器基本實現(xiàn)了MMIC 化;在W 波段以下，混合集成倍頻技術(shù)已經(jīng)很成熟，已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化，但實現(xiàn)寬帶、高效率的倍頻源仍來是一大技術(shù)難題［1-4］。

2 二極管阻抗

2.1 寄生參數(shù)分析

GaAs 肖特基二極管分為有源部分和無源部分，有源部分即非線性部分，由二極管的肖特基金屬和外延層接觸面產(chǎn)生，通過二極管的SPICE 參數(shù)來描述其特性。無源部分為二極管的制作材料，主要由以下幾部分構(gòu)成:SiO2 保護層、n 外延層、n++緩沖層、GaAs 襯底層及正負極焊盤和空氣橋。GaAs 肖特基二極管的非線性特性通過二極管的SPICE 參數(shù)來描述，可根據(jù)其I-V 關(guān)系來提取相應的主要SPICE 模型參數(shù)。當倍頻器的工作波長與二極管的尺寸0.355 ×0.13 ×0.088 mm3(長、寬、高)可相比擬，必須考慮二極管物理結(jié)構(gòu)所引起的寄生參數(shù)，通過在場仿真軟件HFFS 中建立其三維電磁結(jié)構(gòu)，提取S 參數(shù)來模擬寄生參數(shù)的影響，該方法比建立二極管的等效模型更加精確。

2.2 二極管嵌入阻抗

在數(shù)值仿真計算中，二極管的制作材料參數(shù)做了些仿真近似，具體參數(shù)見文獻［10］。根據(jù)倍頻器結(jié)構(gòu)，在仿真軟件中建立的二極管物理模型，基片為Duroid 5880:厚0.127mm、介電常數(shù)2.2、損耗角0.001，采用去嵌入法提取二極管的S 參數(shù)，在路仿真軟件中，結(jié)合二極管SPICES 參數(shù)，采用諧波平衡分析方法，分析二極管各端口的最優(yōu)阻抗，得到的基波輸入和三次諧波輸出最優(yōu)阻抗分別為21-j75 和30-j45。

3 電路設計

本文采用了混合集成式的倍頻電路結(jié)構(gòu)，其基本設計流程如圖1 所示，首先確定電路的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，倍頻器選用了平衡式的結(jié)構(gòu)，平衡式電路結(jié)構(gòu)不但簡化了電路設計，還節(jié)省了仿真計算時間，提高了設計效率。其次根據(jù)相應的電路結(jié)構(gòu)，建立二極管在電磁場仿真軟件HFSS 中的物理結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)場軟件提取出的S 參數(shù)文件，在電路仿真軟ADS 中確定二極管的最優(yōu)輸入和輸出阻抗，根據(jù)最優(yōu)阻抗分別單獨優(yōu)化設計電路的各個無源部分，如輸入和輸出波導-微帶過渡、匹配網(wǎng)絡等無源電路。再次基于優(yōu)化設計得到的無源網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，建立模塊電路的整體場仿真模型，并提取相應的多端口S 參數(shù)文件，在路仿真軟件中模擬模塊電路的性能并優(yōu)化偏置工作點，如果性能滿足設計要求設計參數(shù)輸出，不滿足指標要求，則重新優(yōu)化設計電路的各個無源網(wǎng)絡。

圖1 電路設計流程

3.1 三倍頻方案

W 波段倍頻器采用了平衡式結(jié)構(gòu)，平衡式倍頻可以提高電路功率容量，獲得較大的輸出功率，并抑制不必要的諧波分量，因此W 波段三倍頻器設計采用如圖2 所示的平衡式方案。二極管管對相對于輸入電路為反向并聯(lián)，相對于輸出電路同樣為反向并聯(lián)，該電路適宜于奇次倍頻。若三次諧波在輸出波導帶寬內(nèi)，則為三次倍頻電路。五次、七次和更高次的偶次諧波分量大大低于三次諧波分量幅度，且均不在W 頻段之內(nèi)，在后續(xù)電路中可以很容易得到抑制。偶次諧波的抑制取決于二極管的一致性和結(jié)構(gòu)的對稱性。

由于輸入信號被反相地加載到兩個二極管上，其電壓分別為

可以得到流出二極管的總電流為

圖2 三倍頻器原理圖

可以看出，平衡式三倍頻器在輸出端，由于相位抵消，輸出電路中只有奇次信號，偶次諧波只存在于二極管環(huán)路內(nèi)部流動，有效地降低了諧波電路設計的難度，提高了倍頻效率。

3.2 電路優(yōu)化設計

W 波段三倍頻器電路主要由以下幾部分構(gòu)成，輸入輸出波導--鰭線-微帶過渡、輸入輸出匹配網(wǎng)絡及中頻低通濾波器?；谏衔挠嬎愕玫降亩O管嵌入阻抗，采用線性分析方法優(yōu)化設計模塊電路各部分的匹配網(wǎng)絡，結(jié)合二極管物理結(jié)構(gòu)，在場仿真軟件中建立倍頻電路的整體場仿真模型，提取相應的多端口S 參數(shù)文件，結(jié)合二極管SPICE 模型，在ADS 中優(yōu)化偏置工作點和性能指標，性能滿足要求設計輸出，不滿足指標要求，則重新優(yōu)化設計電路的各個無源網(wǎng)絡。倍頻器電路采用厚膜工藝制作。在倍頻器仿真設計好后，我們采用ANSYS 軟件對整個模塊電路作了力學分析，以考察倍頻電路基板的可靠性，在厚度確定的情況下。當滿足力學分析要求后，才實現(xiàn)最終設計輸出。

4 試驗研究

倍頻電路基板采用Sn62 錫膏燒結(jié)至到殼體上，二極管則采用Epoxy 公司的H20E 導電銀膠焊接到電路板相應位置處。電路殼體分上下腔加工，采用銅鍍金材料。倍頻器實物照片、測試性能曲線及性能比較如圖3、圖4 所示。驅(qū)動信號源由Agilent 8257D 提供，輸出功率通過PM-4 功率計測得，研制的W 波段倍頻器在100GHz 測得最高倍頻效率4.2%。在75-110GHz 倍頻效率典型值為3.5%，76-105GHz 以內(nèi)倍頻效率優(yōu)于3%，倍頻效率響應曲線平坦，性能優(yōu)于國外同類產(chǎn)品水平，有效地解決了W 波段寬帶信號源問題。從表2 比較看出，三倍頻器技術(shù)指標優(yōu)于國外如Millitech、MIWV 公司和文獻［1］報道的水平，性能甚至可以與文獻［2］報道的三倍頻器性能相比擬。從圖5 可以看出，倍頻器開始出現(xiàn)飽和的輸入功率點有差別，基本在20-40mW 之內(nèi)，高于此功率時，倍頻器雖然輸出功率在變大，但效率在變小，基于該曲線，可以獲得倍頻器的最佳工作點，指導實際應用。

表2 倍頻器性能比較

5 結(jié)論

基于混合集成技術(shù)，采用混頻二極管TSC-AP-03020 設計了W 頻帶全波段三倍頻器，為實現(xiàn)模塊電路的高性能，考慮到二極管各種寄生參數(shù)的影響，結(jié)合二極管物理結(jié)構(gòu)，采用電磁場仿真軟件和電路仿真軟件相結(jié)合的分析方法，基于一體化的設計理念，優(yōu)化設計各模塊電路的匹配網(wǎng)絡，研制出了高倍頻效率的倍頻器。W 波段倍頻器在100GHz 測得最高倍頻效率4.2%。在75-110GHz 倍頻效率典型值為3.5%，倍頻效率響應曲線平坦，性能優(yōu)于國外同類產(chǎn)品水平，解決了目前W 波段寬帶信號源的問題。

［1］Nguyen C.Development of an extremely wideband planar frequency doubler from Q-band to W-band［J］.International Journal of Infrared and Millimeter Waves，1987，8(3) ：99-105.

［2］楊濤，向志軍，吳偉，楊自強.W 頻段寬帶倍頻器［J］.紅外與毫米波學報，2007，26(3) ：161-168.

［3］Yao Changfei，Xu Jinping.A D-band frequency doubler with GaAs Schottky varistor diodes［J］.International Journal of Electronics，2010，97(12) ：1449-1457.

［4］郭健，許正彬，錢澄，竇文斌.基于石英基片工藝的D 頻段平衡式二倍頻器設計［J］.Journal of Infrared and Millimeter Waves，紅外與毫米波學報，2012，31(6) ：491～496.