Ka波段二倍频器的研究与设计

利用反向并联二极管对的二倍频原理，设计了Ka波段二倍频器。用高级设计系统ADS设计软件包的射频设计软件对二倍频器的电路进行了模型设计和仿真分析，并对设计出的二倍频器进行了整体优化，研制了Ka波段的二倍频器；在整个Ka波段内的变频损耗为11.2±1.8 dB，减少了设计的理想模型与实际参数的偏差。
关 键 词 Ka波段; 倍频器; 平衡电路; 肖特基势垒二极管; 宽带

在高精度微波信号源基础上，利用宽带倍频技术获得毫米波信号输出是一项非常有意义的工作。根据反向平衡式倍频电路的工作原理可知，二极管对混合连接可以构成全波整流电路，实现偶次倍频[1]。在整个Ka波段设计倍频器，若采用以往的手工调试、试验分析、再调试的硬件重复过程，其工作量很大。而且，由于微波电路尺寸较小，以往设计时忽略了壳体的影响，建立的模型与实际情况存在偏差，计算机辅助设计充分考虑了各种因素对微带电路的影响，建立了尽可能接近实际情况的模型，极大地减少了工作时间，提高了工作效率。
1 倍频原理
为了获得足够的输出功率和较大的动态范围，本文采用多器件反向平衡式倍频电路，其工作原理如图1所示。图中，输入信号通过低通滤波器加到反极性安装的二极管，通过平衡电路取出输出信号。输出电流是二极管i1和i2 之和的一半[ 2 ]。

2 二极管的非线性模型
肖特基势垒二极管的导电机构只有一种电子，所以反向恢复时间短、响应速度快、闪烁噪声小、制造工艺简单，能在非常高的频率下表现出良好的非线性变容或变阻特性。本文采用DMK2606GaAs肖特基势垒二极管，其主要SPICE参数有反向饱和电流、欧姆电阻、反射系数、零偏结电容、禁带宽度、结电势等。考虑了二极管的引线电感和封装电容，建立二极管反向并联对的原理图。运用谐波平衡法分析电路从13～20 GHz仿真肖特基势垒二极管并联对特性，在Smith圆图上可以看到中心频率fM1=16.5 GHz时的导纳值Ys，阻抗值Zs，如图2所示。输入和输出的匹配设计基于二极管并联对的等效电路参数。
3 倍频器的电路结构及所采用的拓扑
图3为倍频器电路图，输入信号通过悬置微带低通滤波器和悬置共面波导匹配网络耦合到两个匹配的二极管对上，二极管对使输入信号失真, 失真信号为输入信号谐波[3]，由于倍频电路采用平衡式结构，输出回路只有偶次谐波分量，由鳍线匹配网络和8 mm波导滤出所需要的2次谐波从而实现倍频。

4 倍频器的仿真和优化
利用Harmonic Blance算法对整个电路进行仿真和优化，并采用RT/duroid5880基片成功地研制了Ka波段宽带倍频器，并对其性能指标进行测试，在输入功率为13 dBm时，结果如图4所示。由图4可以看出，当输入功率为13 dBm时，输出功率大于0 dBm，变频损耗小于13 dB，具有宽频带、低损耗的特点。

5 结 束 语
由Ka波段二倍频器的设计流程可以看出，采用HP－Eesof软件并结合适当的电路模型，能够在很短的时间内设计出性能良好的倍频器，而且在仿真过程中可对电路特性作全面的了解，对电路调试也有很大的帮助。