220GHz无源三倍频器设计详细讲解

1 引言

倍频器是无线电技术高频电路中重要的非线性电路，作为基本的电子器件，被广泛应用于发射机、频率合成器、接收机本振源等各种电子设备中。亚毫米波倍频器可以降低设备的主振频率和扩展工作频段，同时，由于其输出频率可以在输入频率的 n 次谐波上选取，因而所需的输入信号源可以选择在技术上相对成熟的毫米波频段上制作，从而为保证所需的频率稳定度和相噪特性提供了条件，同时，固态倍频器体积小、易于集成而且使用寿命较长。因此，目前小功率的亚毫米波固态源主要依靠倍频方法实现。

亚毫米波在长波段与毫米波相重合，而在短波段，与红外线相重合，可见亚毫米波波在电磁波频谱中占有很特殊的位置。由于起所处的特殊位置，亚毫米波具有一系列特殊的性质，在频域上，亚毫米波处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，处于电子学向光子学的过渡。它的量子能量很低，信噪比很高，频率极宽。它覆盖各种蛋白质在内的大分子的转动和振荡频率。因此，在学术上有很重要的学术价值，在科学技术上及工业上有很多很诱人的应用：如信息科学方面的超高速成像信号处理，大容量数据传输;材料处理，分层成像技术，生物成像;等离子体聚变的诊断;天文学及环境科学等。而且在国防上也有着及其重要的应用前景。

2 三倍频器的设计

2.1 总体方案

本方案采用标准波导输入，通过悬置微带探针过渡，接低通滤波器，在低通滤波器末端接输入匹配段，后接同向并联的二极管对，之后输出结构为悬置微带到标准波导的过渡。方案框图如下：

图1 总体方案图

2.2 传输线和介质基片的选择

由于本倍频器工作的频率达到220GHz，故传输线采用悬置微带线，其电磁场的大部分集中在空气中，因而其有效介电常数接近于1，使其电参数与空气线的电参数接近，接近于无色散特性;而且介质的损耗大大减小了，故具有比微带线更高的Q值(500～1500)，而且此传输线可实现很宽范围的阻抗值，这样利于阻抗匹配。[2]另外，为抑制由不连续带来的高次模，要仔细选择腔体的大小。

一般来说对基片的要求是微波损耗小、表面光滑度高、硬度强、韧性好、价格低。可用于毫米波频段的介质基片主要有：氧化铝陶瓷、RT/duroid5880、蓝宝石、石英等，另外还有主要用于MMIC的砷化稼和磷化锢。对于本文，综合介质损耗，加工精度，表面光洁度和成本等方面因素，本文采用石英作为基片，在设计过程中本文就考虑到了国内工艺水平的限制，具体参数如下：

相对介电常数 =3.78，基片厚度h=0.1mm，损耗角正切tan =0.0027。

2.3 悬置微带与波导的过渡结构

悬置微带线到波导的过渡，结构有两种主要形式：悬置微带探针法向与波导传播方向平行;悬置微带探针法向与波导传播方向垂直。选取的原则是：加工方便，本文根据这一原则选择悬置微带面法向与波导传播方向垂直的方案。波导终端短路长度取1/4个波导波长以保证探针在波导内处于最大电压，即电场强度最强位置，以达到尽量高的耦合效率以减小插入损耗和回波损耗。

对于本文的倍频器，需要设计两个探针过渡：73GHz输入探针和220GHz输出探针。在综合考虑抑制高次模，减低从悬置微带到滤波器的不连续性以及加工精度能力之后，本文在输入过渡部分选择了最为直接的探针过渡结构：没有使用抑制腔，通过减低悬置微带腔体尺寸来抑制高次模，并且采用渐变探针以降低不连续性。以下为73GHz输入端探针的仿真模型和结果。在70GHz~80GHz范围内插损小于0.05dB，回波损耗大于20dB。

220GHz输出探针过渡也采用了相似的结构，在210GHz~227GHz频带内达到了与以上性能相当的S参数指标。

图2 输入探针仿真模型与结果

2.4 低通滤波器的设计

微带线低通滤波器用于通过基波(71.7~75GHz)，并阻止由并联二极管对产生的三次谐波(215~ 225GHz)信号由微带线返回到输入电路，在此利用高低阻抗线结构实现该低通滤波器。由于该滤波器工作频率较高，在设计时发现高阻线极细(0.02mm)，这对加工精度有较高的要求。本设计选择的是石英基片，可以达到该精度要求。利用HFSS仿真的结果如下图，从仿真结果可看出该滤波器对基波的损耗小于0.15dB，对三次谐波的抑制度在40dB以上，对二次谐波的抑制度在25dB以上，这说明在该低通滤波器后的二极管对产生的谐波信号基本不会泄露到输入端。

图3 LPF仿真模型与结果

2.5 输入和输出匹配

对于输出的波导匹配和输入的微带匹配的设计，先在ADS中利用谐波平衡法确定输出阻抗和输入阻抗，然后借助HFSS的仿真功能，使波导电路和悬置微带线实现匹配。在ADS中扫描二极管对后的负载电阻大小和微带线宽，观测3次谐波功率，得到在悬置微带线宽为0.2mm左右时3次谐波输出最强。然后在HFSS中建立模型，在安装平衡二极管对的位置设置集总参数端口，端口阻抗设为在ADS中算得的平衡二极管对的输出阻抗，将此作为平衡二极管对在此复杂结构中的嵌入阻抗。

需要注意的是，由于二极管的宽度大于之前选定的悬置微带腔体宽度，所以需要在放置二极管对出扩大腔体，该不连续性造成的性能恶化需要尽量降低到最低程度。

另外，二极管对之前的低通滤波器输出端对于三次谐波来说相当于一个段路面，三次谐波会在滤波器的输出端与平衡二极管对的输入端来回反射，这样一来，三次谐波功率会在某些频点相互叠加和抵消，极有可能导致在最后输出频带内出现低功率点。所以在仿真时需设计低通滤波器后到二极管对的长度以避免上述情况的出现。

下图为从二极管放置位置处到输出部分的仿真模型和结果：

图4 输出部分仿真模型与结果

从结果可以看出220GHz信号从二级管处到输出端的回波损耗大于11dB，插损小于0.5dB。

需要说明的是，为放置二极管而扩宽的腔体在上图只画出与输出探针相连的一半，与低通滤波器相连接的一半没有画出。放置二极管的腔体部分对基波信号的回波损耗大于15dB，插损小于0.2dB。

2.6 系统整体仿真

把之前HFSS中仿真的输入输出探针和滤波器，输出部分以S2P形式带入到ADS中进行整体仿真，采用的二极管为DBES105a。设其输入功率为15dBm，在频带215~225GHz，输出功率为0.6dBm。其仿真模型与仿真结果如下图：

图5 整体仿真结构与结果

3 结论

本文利用HFSS和ADS仿真软件进行仿真和优化，讨论了220GHz三倍频器的设计。该倍频器结构比较简单，但由于频率较高，悬置微带的尺寸及腔体尺寸都非常小，在设计时需要考量加工精度和误差的问题，在设计过程中就需要作出一些折中的处理，我将在以后的研究中继续分析并尽量减小这种影响。