高效率SRD多路倍频器设计*

(华中科技大学光学与电子信息学院 武汉 430074)

高效率SRD多路倍频器设计*

钱焕裕

(华中科技大学光学与电子信息学院 武汉 430074)

论文采用多工器对SRD梳状谱发生器直接滤波的方法,实现倍频器的多路输出。通过实验测量发现,合理选择、设计多工器的带外阻抗,可以有效改善输出信号强度,提高倍频器效率;合理选择偏置电阻值和驱动电感值,可以有效改善倍频器附加相位噪声。利用该方案,已成功将10MHz的信号,倍频为80MHz、90MHz、100MHz、110MHz四路输出信号。

梳状谱;多工器;倍频器;多路输出

ClassNumberTN771

1 引言

倍频器作为一种常见的微波器件,常用于卫星通讯、雷达以及频率合成器等射频微波系统中。其主要功能是将频率相对较低的晶体振荡器信号或者VCO信号倍增到相对较高的频率信号。实现倍频的方案很多,目前主要使用的有单二极管倍频器、单平衡倍频器、双平衡倍频器、反向并联二极管倍频器、变容管倍频器以及阶跃恢复二极管(SRD)倍频器等。其中,只有SRD倍频器能够做到高次谐波倍频,并同时具有较高的转换效率和较小的附加相位噪声。[1]

2 系统设计

本文设计的倍频器,输入频率相对较低。鉴于实际应用需求,使用梳状谱发生器和多工器相结合的方法,直接对梳状谱进行滤波。原理如图1所示。通过合理设计多工器的带外阻抗特性,可以提高倍频器的转换效率,将10MHz的频率信号倍频至80MHz、90MHz、100MHz、110MHz,并且同时输出。

图1 系统框图

2.1 梳状谱发生器设计

梳状谱发生器又称为脉冲发生器。其主要功能是将输入的单一频率信号,转换为与输入信号周期相同的窄脉冲信号。由于窄脉冲通过傅里叶变换,在频域上具有丰富的频谱,并且各个频率分量分别为输入信号频率及其各次谐波,所以频域上会产生等间距分布的梳状频谱。脉冲越窄、脉冲幅度越大,频谱中高频分量越大,第一个频率零点越高。

阶跃恢复二极管(SRD)是梳状谱发生器的关键器件。其分析模型可视为一个较大的正向偏置电容和一个较小的反向偏置电容的并联,并且可以在这两个电容之间进行切换。理想情况下,切换时间为零,因此具有很强的非线性。当输入信号周期变化时,正向偏置到反向偏置瞬态的切换将导致二极管电流的阶跃,从而产生窄脉冲[2]。产生脉冲的宽度和强度与SRD的参数有关,主要影响其输出的参数有:

1)载流子寿命τ

载流子寿命直接影响二极管正向偏置时注入PN结的载流子数量,影响最小输入频率和脉冲电压的强度,载流子寿命τ应满足以下要求:

(1)

2)反向阶跃时间tt

反向阶跃时间决定了二极管电流截止的时间,影响脉冲宽度,限制了最高输出频率分量fN。反向阶跃时间tt应满足以下要求:

(2)

3)反向偏置电容CVR

SRD的反向偏置电容影响着输出的脉冲宽度以及输出功率,需要在这两者之间做取舍才能得到一个合适的值,所以一般要求CVR满足下式:

(3)

除以上三个参数以外,还有寄生电阻、寄生封装电感、反向击穿电压等。具体可参看参考文献[3]。

结合输入输出频率,我们选择了MACOM公司的MA-44767。使用的电路形式如图2所示。

图2 梳状谱发生电路

因为输入输出的频率相对较低,且SRD倍频器本身对电路参数十分敏感,所以实际的电感电容参数需要根据特定的输入输出功率容量以及输出谐波平坦度等性能指标,进行严格计算、仿真、调试。在10MHz、9dBm信号输入下,梳状谱发生电路的测试结果如图3所示。输入增加4dB,输出将增加9dB,不与输入呈线性关系。

2.2 多工器设计

多工器的作用是将系统所需要的频段相互隔离开来,互不影响。在共用一个SRD的情况下,为了得到80MHz、90MHz、100MHz、110MHz独立的频率信号,同时间隔10MHz相邻频率之间的抑制要达到30dBc以上,我们使用星点形结构来实现多工器。

为了使相邻通道之间的隔离度达到30dBc以上,我们设计带通滤波器的带宽为2MHz～3MHz。通过电路仿真发现,使用集总LC结构实现时,由于器件Q值影响,单个滤波器的带内插入损耗约为3dB,而且会随着带宽的变窄而增大。另外,因为SRD由10MHz输入信号驱动,所以在多工器设计调试时,应保证多工器公共端低频带外特性为开路,防止驱动电压电流被地平面吸收,保证SDR能够被输入信号驱动,使其正常工作。多工器的测量结果如图4所示。

合路之后的通道插损约3.5dB,主要是由2%～3%带宽下,单个滤波器的固有插入损耗造成的,与合路本身关系不大。同时,合路之后,相邻通道之间相互增加了传输零点,增加了隔离,使相邻通道之间的隔离相比单个滤波器更好。在保证带外抑制的前提下,可以适当增大带宽,改善滤波器带内插入损耗,提高倍频器的输出功率。

3 测试与分析

3.1 倍频效率

将梳状谱发生器和多工器级联得到一个完整的多输出倍频器,同时梳状谱发生电路的驱动电感电容参数还应该进行适当的调整,以得到较为合适的输出效果。在10MHz、9dBm输入时,80MHz、90MHz、100MHz、110MHz的输出功率和杂散抑制如表1所示。

从图3可以看出:梳状谱发生器在相同输入条件下,相同频率处的输出功率约为-18dBm。因此,使用低频带外阻抗为开路的窄带滤波器提高了输出倍频器功率。利用滤波器带外全反射特性,尤其是10MHz的开路特性,将基频以及各次谐波的输出功率反射回收到二极管,二极管将这些功率进一步转化为输出频率功率。这里采用的直接滤波的方式与一般单路输出倍频器不同,因为不管从输出频率还是频率间隔上来看,使用λ/4或者是集总谐振单元都无法使达到“振铃式”输出的效果。根据倍频器各个输出的输出功率,可以计算整体的转换效率约为16%。Mini-Circuits公司相同频段倍频器RMK-5-51+的插入损耗大于22dB,效率要低很多。而如果使用Q值更高,插入损耗更小的带通滤波器将使效率进一步提高。

3.2 相位噪声特性

倍频器另一个关注的指标是相位噪声。图5中相位噪声最低的是10MHz激励源的相位噪声,由Agilent-E4438C产生。四个相对较大的曲线分别为80MHz、90MHz、100MHz、110MHz的相位噪声。理论上,倍频器输出的相位噪声应该满足式(4)。PNadd和PNsource分别为倍频器附加相位噪声和输入源的相位噪声。由此可以计算得到,在100KHz以下,倍频器附加的相位噪声基本可以忽略。100KHz～1MHz之间,倍频器的相位噪声在输出相位噪声中附加了6dBc/Hz。1MHz以外出现衰减,是由窄带滤波器的插入损耗逐渐增大引起的。

PNout=PNadd+PNsource+10logN

(4)

通过测量发现,100KHz～1MHz之间的附加噪声与整体转换效率呈现正相关,可以通过减小输出功率来降低附加的相位噪声和末端上翘的程度。

图5 倍频器输出相噪

4 结语

以上就是多输出倍频器仿真和实验结果。电路完成了将10MHz的信号倍频至80MHz、90MHz、100MHz、110MHz的功能。通过实验发现,合理选择滤波器的带外阻抗特性可以提高倍频器的输出功率。使用同样的方法也可以使梳状谱发生器的效率改善。整体的转换效率约为16%。另外,100KHz以下的附加相位噪声基本可以忽略,根据实际需要,可以适当调节电路参数,在输出效率和附加噪声之间做折中考虑。

[1]Stephen. A. Maas. The RF and Microwave Circuit Design Cookbook[M]. Boston:Artech House,1998.

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HighEfficiencySRDMultiplexFrequencyMultiplierDesign

QIAN Huanyu

(Institute of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074)

In this paper, SRD comb-spectrum generator is direct filtered by the multiplexer to achieve multi-channel output Through the experimental measurement, we find that by reasonable selection and design of multiplexer out-of-band impedance, the output signal amplitude and the efficiency of frequency multiplier can be effectively improved;by reasonable selection of bias-resistance and drive inductor, the phase-noise of frequency multiplier can also be improved. Using this scheme, 10MHz signal has already been converted to 70MHz、80MHz、90MHz、100MHz four output signals successfully.

comb spectrum, multiplexer, multiplier, multiplexing output

2013年11月7日,

:2013年12月17日

钱焕裕,男,硕士,研究方向:射频与微波。

TN771DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.020