W 波段宽带高效率电阻性三倍频器设计

周 明 姚常飞 罗运生 李 姣 吴 刚

(南京电子器件研究所 南京 210016)

1 引言

毫米波技术广泛应用于遥感技术、深空探测、射电天文学等领域，作为其各类应用系统的核心部件，频率源的研究至关重要。频率源的实现途径主要分三大类:第一类是采用速调管、磁控管、行波管等真空电子器件;第二类是采用二端器件(GUNN，IMPATT，PSVD、HBV 等)、三端器件(HBT、HEMT 和PHEMT 等)和量子级联激光器(QCL)来实现;第三类信号源则是通过其它方式如:自由电子激光、高能加速器等实现。目前真空电子器件输出功率虽然很大，但对实际工作条件要求苛刻，且不易于系统的集成和小型化设计，因此其应用在很多场合受到了限制。二端器件振荡器在毫米波低端能输出上百毫瓦数量级的功率，但相噪差。同样地，三端器件振荡器输出功率也很低，且远远低于目前二端器件的水平。鉴于以上情况，需要寻求一种更加可靠、稳定、高性能的毫米波源实现途径。倍频技术作为一种信号源实现途径，由于其倍频效率高、输出功率电平大，是目前实现毫米波信号源的最主要方式。目前国外在微波频段倍频器基本实现了MMIC 化;在W 波段以下，混合集成倍频技术已经很成熟，已经实现了商业化，但实现宽带、高效率的倍频源仍来是一大技术难题［1-4］。

2 二极管阻抗

2.1 寄生参数分析

GaAs 肖特基二极管分为有源部分和无源部分，有源部分即非线性部分，由二极管的肖特基金属和外延层接触面产生，通过二极管的SPICE 参数来描述其特性。无源部分为二极管的制作材料，主要由以下几部分构成:SiO2 保护层、n 外延层、n++缓冲层、GaAs 衬底层及正负极焊盘和空气桥。GaAs 肖特基二极管的非线性特性通过二极管的SPICE 参数来描述，可根据其I-V 关系来提取相应的主要SPICE 模型参数。当倍频器的工作波长与二极管的尺寸0.355 ×0.13 ×0.088 mm3(长、宽、高)可相比拟，必须考虑二极管物理结构所引起的寄生参数，通过在场仿真软件HFFS 中建立其三维电磁结构，提取S 参数来模拟寄生参数的影响，该方法比建立二极管的等效模型更加精确。

2.2 二极管嵌入阻抗

在数值仿真计算中，二极管的制作材料参数做了些仿真近似，具体参数见文献［10］。根据倍频器结构，在仿真软件中建立的二极管物理模型，基片为Duroid 5880:厚0.127mm、介电常数2.2、损耗角0.001，采用去嵌入法提取二极管的S 参数，在路仿真软件中，结合二极管SPICES 参数，采用谐波平衡分析方法，分析二极管各端口的最优阻抗，得到的基波输入和三次谐波输出最优阻抗分别为21-j75 和30-j45。

3 电路设计

本文采用了混合集成式的倍频电路结构，其基本设计流程如图1 所示，首先确定电路的实现结构，倍频器选用了平衡式的结构，平衡式电路结构不但简化了电路设计，还节省了仿真计算时间，提高了设计效率。其次根据相应的电路结构，建立二极管在电磁场仿真软件HFSS 中的物理结构模型，根据场软件提取出的S 参数文件，在电路仿真软ADS 中确定二极管的最优输入和输出阻抗，根据最优阻抗分别单独优化设计电路的各个无源部分，如输入和输出波导-微带过渡、匹配网络等无源电路。再次基于优化设计得到的无源网络结构，建立模块电路的整体场仿真模型，并提取相应的多端口S 参数文件，在路仿真软件中模拟模块电路的性能并优化偏置工作点，如果性能满足设计要求设计参数输出，不满足指标要求，则重新优化设计电路的各个无源网络。

图1 电路设计流程

3.1 三倍频方案

W 波段倍频器采用了平衡式结构，平衡式倍频可以提高电路功率容量，获得较大的输出功率，并抑制不必要的谐波分量，因此W 波段三倍频器设计采用如图2 所示的平衡式方案。二极管管对相对于输入电路为反向并联，相对于输出电路同样为反向并联，该电路适宜于奇次倍频。若三次谐波在输出波导带宽内，则为三次倍频电路。五次、七次和更高次的偶次谐波分量大大低于三次谐波分量幅度，且均不在W 频段之内，在后续电路中可以很容易得到抑制。偶次谐波的抑制取决于二极管的一致性和结构的对称性。

由于输入信号被反相地加载到两个二极管上，其电压分别为

可以得到流出二极管的总电流为

图2 三倍频器原理图

可以看出，平衡式三倍频器在输出端，由于相位抵消，输出电路中只有奇次信号，偶次谐波只存在于二极管环路内部流动，有效地降低了谐波电路设计的难度，提高了倍频效率。

3.2 电路优化设计

W 波段三倍频器电路主要由以下几部分构成，输入输出波导--鳍线-微带过渡、输入输出匹配网络及中频低通滤波器。基于上文计算得到的二极管嵌入阻抗，采用线性分析方法优化设计模块电路各部分的匹配网络，结合二极管物理结构，在场仿真软件中建立倍频电路的整体场仿真模型，提取相应的多端口S 参数文件，结合二极管SPICE 模型，在ADS 中优化偏置工作点和性能指标，性能满足要求设计输出，不满足指标要求，则重新优化设计电路的各个无源网络。倍频器电路采用厚膜工艺制作。在倍频器仿真设计好后，我们采用ANSYS 软件对整个模块电路作了力学分析，以考察倍频电路基板的可靠性，在厚度确定的情况下。当满足力学分析要求后，才实现最终设计输出。

4 试验研究

倍频电路基板采用Sn62 锡膏烧结至到壳体上，二极管则采用Epoxy 公司的H20E 导电银胶焊接到电路板相应位置处。电路壳体分上下腔加工，采用铜镀金材料。倍频器实物照片、测试性能曲线及性能比较如图3、图4 所示。驱动信号源由Agilent 8257D 提供，输出功率通过PM-4 功率计测得，研制的W 波段倍频器在100GHz 测得最高倍频效率4.2%。在75-110GHz 倍频效率典型值为3.5%，76-105GHz 以内倍频效率优于3%，倍频效率响应曲线平坦，性能优于国外同类产品水平，有效地解决了W 波段宽带信号源问题。从表2 比较看出，三倍频器技术指标优于国外如Millitech、MIWV 公司和文献［1］报道的水平，性能甚至可以与文献［2］报道的三倍频器性能相比拟。从图5 可以看出，倍频器开始出现饱和的输入功率点有差别，基本在20-40mW 之内，高于此功率时，倍频器虽然输出功率在变大，但效率在变小，基于该曲线，可以获得倍频器的最佳工作点，指导实际应用。

表2 倍频器性能比较

5 结论

基于混合集成技术，采用混频二极管TSC-AP-03020 设计了W 频带全波段三倍频器，为实现模块电路的高性能，考虑到二极管各种寄生参数的影响，结合二极管物理结构，采用电磁场仿真软件和电路仿真软件相结合的分析方法，基于一体化的设计理念，优化设计各模块电路的匹配网络，研制出了高倍频效率的倍频器。W 波段倍频器在100GHz 测得最高倍频效率4.2%。在75-110GHz 倍频效率典型值为3.5%，倍频效率响应曲线平坦，性能优于国外同类产品水平，解决了目前W 波段宽带信号源的问题。

［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］杨涛，向志军，吴伟，杨自强.W 频段宽带倍频器［J］.红外与毫米波学报，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，许正彬，钱澄，窦文斌.基于石英基片工艺的D 频段平衡式二倍频器设计［J］.Journal of Infrared and Millimeter Waves，红外与毫米波学报，2012，31(6) ：491～496.