五倍频器倍频效率的影响因素分析

郭彬

（中国电子科技集团公司第十三研究所， 河北 石家庄 050051）

0 引言

近年来， 随着国内微波电路设计水平的不断提高， P 波段微波频率源在各类通信整机中经常出现， 作为频率源中的核心部件， 窄带奇次倍频器的设计得到了越来越多通信工程师的重视， 其不仅扩展了频率源的输出频率点的数量， 还简化了频率源的构成， 节约了设计成本， 降低了整机的功耗。

倍频器根据工作方式的不同， 分为奇次倍频和偶次倍频。 它们都是基于二极管或三极管的非线性特性设计的倍频方式。 此外， 依据倍频器工作时是否需要外置直流电源， 又可将其分成有源倍频器和无源倍频器两类。 相对于有源倍频， 无源非线性倍频具有电路相对简单、 无需外加偏置和低噪声等优点。

倍频效率是倍频器的主要指标， 也被称之为倍频损耗； 倍频损耗的变化直接导致整机的功耗、 可靠性等指标发生变化。 我们以输入频率为40 MHz的窄带五倍频器为例， 就影响奇次倍频器倍频效率的几种因素从仿真和实测两个方面进行分析。

1 奇次倍频器的电路原理和特性

本电路输入由一个并联电感进行匹配， 其他的无源器件添加在了倍频器的输出端， 构成谐振网络， 以滤除不需要的信号， 如图1 所示。

图1 奇次信频器电路

五倍频器由反相并联PIN 二极管对和输

入输出匹配网络组成， 比由单PIN 二极管组成的倍频器增加了一个二极管， 该二极管的增加抑制了倍频器偶次谐波分量的输出， 增加了奇次谐波分量的输出功率。

反相并联PIN 二极管对1 脚和2 脚焊接在大面积地上， 3 脚焊接在微带线上， 由于二极管对是由芯片晶圆上邻近的两个二极管管芯组成的， 微波性能非常匹配， 这使得由它组成的倍频器偶次谐波抑制得很好。

单独一个二极管上的电流为[4]：

式（1） - （2） 中： is——反向电流；

v——二极管两端外加电压。

式（3） 中： q——电子电荷；

η——理想因子（其理想值为η=1）；

k——波尔兹曼常数；

T——绝对温度。

输出端电流为：

以上3 式表明倍频器输出端的主要输出信号是奇次谐波。 倍频器实际工作时， 含直流的偶次分量在两个二极管间流动， 奇次分量在倍频器除二极管外的外围电路流动， 这样工作的结果是奇次分量和偶次分量被分开。 体现在实测结果上就是， 倍频器输出信号中五次谐波分量比基波分量的功率大5 dB， 比偶次分量大30 dB。

2 影响奇次倍频器倍频效率的几种因素的仿真及实测分析

五倍频器电路仿真原理图如图2 所示。

图2 仿真电路原理框图

温度、 输入功率、 输入匹配和输出匹配是影响倍频器倍频效率的几个主要因素， 其不止单独影响倍频器的倍频效率， 同时相互作用共同影响倍频器的倍频效率。

下面以输入频率为40 MHz 的五倍频器为例，用微波仿真软件对倍频器电路进行仿真， 相关的仿真分析如下所述。

采用谐波平衡非线性仿真方法， 计算在不同的输入信号驱动功率下， 倍频器的输入端口特性和倍频器的倍频损耗、 倍频输出频谱特性等。

2.1 二极管的端口特性随输入信号功率的变化

在输入信号频率为40 MHz 时， 倍频二极管的输入端口的驻波特性随输入信号功率的变化情况如图3-4 所示。 从图3-4 中可以看出， 在不同的输入激励信号的功率下， 二极管的特性随输入信号功率的大小发生了很大的变化。

图3 二极管的驻波特性随信号功率的变化

2.2 输入频率为40 MHz 的五倍频器的倍频特性仿真

仿真发现， 输入频率为40 MHz 的五倍频器的激励功率的大小随着输入端并联电感L1的变化而发生非常大的变化， 电感L 的大小对倍频器的激励功率的大小有着非常大的影响。 实测的五倍频器的输入端电感L1的感量为100 nH。

L1为100 nH 时， 倍频器的特性如图5-8 所示。

图5 输入端口的阻抗特性

图4 二极管的输入阻抗随信号功率的变化

图6 输入端口的驻波特性

图7 倍频损耗随输入信号功率变化的特性

图8 倍频器Pin=13 dBm 时输出频谱的特性

通过仿真发现， 在输入匹配电感L1为100 nH时， 倍频器的输入端口特性较差， 在倍频器的输入端口存在很强的不连续性， 端口反射很大， 影响了信号功率的传输， 提高了倍频器的输入激励功率， 因此需要比较大的输入功率才能激励倍频器正常工作。

2.3 输入匹配电感L1 对倍频器性能的影响

调节电感L1分别为100、 150、 200、 250 和300 nH， 相应的特性曲线如图9-12 所示。

图9 输入端口的阻抗特性

图10 输入端口的驻波特性

图11 倍频损耗随输入信号功率的特性

图12 Li=300 nH、 Pin=10 dBm 时输出频谱的特性

上述仿真曲线表明， 输入匹配电感L1对倍频器的特性有很大的影响。 当L1取值不合适， 会造成倍频器的输入端口特性较差， 端口传输特性不连续， 信号功率反射比较大， 影响倍频器的激励信号功率， 即引起倍频器的倍频损耗增大。

从上述仿真曲线中可以发现， 增大L1的感值能够改变倍频器的输入端口特性， 改善输入端口的反射特性， 提高了信号传输的连续性； 并使得倍频器的激励信号功率降低， 在比较大的输入信号动态范围内， 倍频损耗变化比较小。

2.4 输出滤波匹配电路对倍频器特性的影响

倍频器输出滤波匹配电路对倍频器的输出特性有比较大的影响， 通过调节输出匹配电路发现， 输出匹配电路对倍频器的倍频损耗有比较大的影响，而对倍频器的输入激励功率的影响比较小。

二极管输出端串联电感L2对倍频损耗的影响如图13 所示， L2分别取： 100、 150、 200 和250 nH。

图13 二极管输出端串联电压L2 对信频损耗的影响

这表明通过改变输出滤波、 匹配电路能够改善倍频器的倍频损耗， 而对倍频器的输入激励功率影响不大。

以上是五倍频器的仿真结果， 下面对产品的实测结果进行分析。

采用串联三通封装方式的二极管对相互之间有温度补偿作用， 其倍频温度稳定性大大地优于单个二极管组成的倍频器， 常温下其最小输入激励电平为9 dBm 左右， 低温（-55 ℃） 下测试最小输入激励电平为11 dBm 时， 产品倍频损耗小于18 dB。

该五倍频器标准工作方式为输入信号40 MHz，输入功率+13 dBm； 当输入信号功率从9 dBm 开始逐渐地增加时， 输出信号功率（5 次） 基本不变，而不需要的谐波输出功率有所增加； 当输入信号功率减小时， 输出信号功率（5 次） 随之减小， 开始时输出信号功率随输入信号功率基本呈线性减小，当输入信号功率小于某一临界值时， 输出信号功率（5 次） 大幅度地下降， 出现拐点， 此时倍频器的倍频损耗已大到失去实际的使用价值， 实测结果如图14 所示， 实物外形图如图15 所示。

图14 实测结果

图15 实物外形图

另外， 调整倍频器输出匹配电路和输入匹配电路， 也可以得出输出匹配电路影响整个倍频器的倍频效率， 输入匹配电路影响倍频器正常工作时激励电平的大小的结论。

3 结束语

采用硅PIN 二极管构成的五倍频器， 其特点是输入频点可选、 高效率（倍频损耗接近理论值）、偶次谐波抑制（输入、 输出谐波相互隔离， 输出回路只存在奇次谐波， 偶次谐波抑制可达30 dB）、工作温度范围宽。

该倍频器设计好后经过电路板制作、 盒体制作、 焊接、 烧结和机械装配等工艺制成成品， 成品不需要调试， 良品率高， 可重复性好， 适合批量生产。 测试结果表明： 五倍频器的技术指标已经处于国内微波设计公司同类产品领先水平。 但该五倍频器的工作频率较窄， 对于不同的频率需分别设计，今后在拓宽工作频率范围上还有一定的提升空间。