220GHz無(wú)源三倍頻器設(shè)計(jì)

1 引言
　　倍頻器是無(wú)線電技術(shù)高頻電路中重要的非線性電路，作為基本的電子器件，被廣泛應(yīng)用于發(fā)射機(jī)、頻率合成器、接收機(jī)本振源等各種電子設(shè)備中。亞毫米波倍頻器可以降低設(shè)備的主振頻率和擴(kuò)展工作頻段，同時(shí)，由于其輸出頻率可以在輸入頻率的 n 次諧波上選取，因而所需的輸入信號(hào)源可以選擇在技術(shù)上相對(duì)成熟的毫米波頻段上制作，從而為保證所需的頻率穩(wěn)定度和相噪特性提供了條件，同時(shí)，固態(tài)倍頻器體積小、易于集成而且使用壽命較長(zhǎng)。因此，目前小功率的亞毫米波固態(tài)源主要依靠倍頻方法實(shí)現(xiàn)。
　　亞毫米波在長(zhǎng)波段與毫米波相重合，而在短波段，與紅外線相重合，可見亞毫米波波在電磁波頻譜中占有很特殊的位置。由于起所處的特殊位置，亞毫米波具有一系列特殊的性質(zhì)，在頻域上，亞毫米波處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過(guò)渡區(qū)，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過(guò)渡。它的量子能量很低，信噪比很高，頻率極寬。它覆蓋各種蛋白質(zhì)在內(nèi)的大分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振蕩頻率。因此，在學(xué)術(shù)上有很重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，在科學(xué)技術(shù)上及工業(yè)上有很多很誘人的應(yīng)用：如信息科學(xué)方面的超高速成像信號(hào)處理，大容量數(shù)據(jù)傳輸;材料處理，分層成像技術(shù)，生物成像;等離子體聚變的診斷;天文學(xué)及環(huán)境科學(xué)等。而且在國(guó)防上也有著及其重要的應(yīng)用前景。
　　2 三倍頻器的設(shè)計(jì)
　　2.1 總體方案
　　本方案采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸入，通過(guò)懸置微帶探針過(guò)渡，接低通濾波器，在低通濾波器末端接輸入匹配段，后接同向并聯(lián)的二極管對(duì)，之后輸出結(jié)構(gòu)為懸置微帶到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的過(guò)渡。方案框圖如下：
　　2.2 傳輸線和介質(zhì)基片的選擇
　　由于本倍頻器工作的頻率達(dá)到220GHz，故傳輸線采用懸置微帶線，其電磁場(chǎng)的大部分集中在空氣中，因而其有效介電常數(shù)接近于1，使其電參數(shù)與空氣線的電參數(shù)接近，接近于無(wú)色散特性；而且介質(zhì)的損耗大大減小了，故具有比微帶線更高的Q值（500～1500），而且此傳輸線可實(shí)現(xiàn)很寬范圍的阻抗值，這樣利于阻抗匹配。［2］另外，為抑制由不連續(xù)帶來(lái)的高次模，要仔細(xì)選擇腔體的大小。
2.3 懸置微帶與波導(dǎo)的過(guò)渡結(jié)構(gòu)
　　懸置微帶線到波導(dǎo)的過(guò)渡，結(jié)構(gòu)有兩種主要形式：懸置微帶探針法向與波導(dǎo)傳播方向平行；懸置微帶探針法向與波導(dǎo)傳播方向垂直。選取的原則是：加工方便，本文根據(jù)這一原則選擇懸置微帶面法向與波導(dǎo)傳播方向垂直的方案。波導(dǎo)終端短路長(zhǎng)度取1/4個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)以保證探針在波導(dǎo)內(nèi)處于最大電壓，即電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)位置，以達(dá)到盡量高的耦合效率以減小插入損耗和回波損耗。
　　對(duì)于本文的倍頻器，需要設(shè)計(jì)兩個(gè)探針過(guò)渡：73GHz輸入探針和220GHz輸出探針。在綜合考慮抑制高次模，減低從懸置微帶到濾波器的不連續(xù)性以及加工精度能力之后，本文在輸入過(guò)渡部分選擇了最為直接的探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)：沒有使用抑制腔，通過(guò)減低懸置微帶腔體尺寸來(lái)抑制高次模，并且采用漸變探針以降低不連續(xù)性。以下為73GHz輸入端探針的仿真模型和結(jié)果。在70GHz~80GHz范圍內(nèi)插損小于0.05dB，回波損耗大于20dB。
　　220GHz輸出探針過(guò)渡也采用了相似的結(jié)構(gòu)，在210GHz~227GHz頻帶內(nèi)達(dá)到了與以上性能相當(dāng)?shù)腟參數(shù)指標(biāo)。
　　
　　
　　圖2 輸入探針仿真模型與結(jié)果
　　2.4 低通濾波器的設(shè)計(jì)
　　微帶線低通濾波器用于通過(guò)基波（71.7~75GHz），并阻止由并聯(lián)二極管對(duì)產(chǎn)生的三次諧波（215~ 225GHz）信號(hào)由微帶線返回到輸入電路，在此利用高低阻抗線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)該低通濾波器。由于該濾波器工作頻率較高，在設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)高阻線極細(xì)（0.02mm），這對(duì)加工精度有較高的要求。本設(shè)計(jì)選擇的是石英基片，可以達(dá)到該精度要求。利用HFSS仿真的結(jié)果如下圖，從仿真結(jié)果可看出該濾波器對(duì)基波的損耗小于0.15dB，對(duì)三次諧波的抑制度在40dB以上，對(duì)二次諧波的抑制度在25dB以上，這說(shuō)明在該低通濾波器后的二極管對(duì)產(chǎn)生的諧波信號(hào)基本不會(huì)泄露到輸入端。