摘 要

随着工作频段的上升，用传统的振荡电路获得高频信号面临着很多问题。作为解决这一题的关键，倍频电路受到越来越多人的关注。本文首先分析倍频电路的原理，并详细介绍了场效应管的非线性特性。通过模块化设计的方法，分别搭建了直流偏置模块、滤波模块和匹配模块，介绍了各个模块的功能，并用射频电路仿真软件ADS对各个模块进行了仿真分析。最后，通过对整体电路进行优化，获得了一个S波段宽带宽倍频电路。为掌握倍频电路的测试方法，本次选用8-21GHz倍频电路试验模块，对其倍频性能进行了测试。所设计倍频电路，不仅对宽带宽倍频器的研究具有重要指导意义，还会对宽带宽频率源的研制提供重要参考。

研究结果表明：所设计倍频器在中心频率1.2GHz，输入信号功率为12dBm时，具有最高倍频输出功率，约为22.2dBm，倍频增益约为10.2dBm，在二次谐波、三次谐波处谐波抑制度大于60dBc，充分体现了场效应管有源倍频的优势。但是，受单支节匹配固有缺点的限制，在通带1.0-1.4GHz内其余频率处，倍频增益较小，性能不如中心频率处好。

关键词：倍频器；有源；宽带宽；场效应管

Abstract

With higher frequency exploited, using traditional oscillation circuit to obtain the high frequency signal is faced with many problems. As the key to solve this problem, frequency doubling circuit attracts more and more attention. This paper first analyzes the principle of frequency doubling circuit and introduces the nonlinear characteristics of FET in detail. Through the method of modularization design, the DC bias module, filter module and matching module are built respectively, the functions of each module are introduced, and the RF circuit simulation software ADS is used for the simulation analysis of each module. Finally, an S-band wide frequency multiplier is obtained by optimizing the whole circuit. In order to master the test method of frequency multiplication circuit, the 8-21GHz frequency multiplication circuit test module is selected to test its frequency multiplication performance. The design of frequency multiplier is not only important for the research of broadband multiplier, but also provides important reference for the development of broadband frequency source.

The results show that the designed frequency multiplier has the highest output power (about 22.2dBm) and multiplication gain (10.2dBm) when the central frequency is 1.2GHz and the input signal power is 12dBm, and the harmonic suppression degree at the second and third harmonics is greater than 60dBc, which fully reflects the advantage of active frequency multiplier of FET. However, limited by the inherent disadvantages of single link matching, the multiplier gain is smaller at other frequencies within the passband of 1.0-1.4GHz, and the performance is not as good as that at the center frequency.

Key Words：frequency multiplier；active； wide broadband；FET

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究进展 1

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 论文内容及章节安排 2

第2章 倍频器基本原理 4

2.1 倍频器概述 4

2.1.1 倍频器原理及分类 4

2.1.2 倍频器参数 5

2.1.3 倍频器噪声分析 5

2.2 场效应管倍频原理 6

2.3 本章小结 10

第3章 S波段倍频器设计与仿真 11

3.1 倍频电路拓扑结构 11

3.2 非线性半导体器件选择 12

3.3 倍频器偏置电路的设计 13

3.4 匹配电路的设计 15

3.4.1 匹配电路原理及要求 15

3.4.2 匹配电路的仿真 17

3.5 滤波电路的设计 18

3.5.1 滤波器的选择与工作原理 18

3.5.2 滤波器评价指标 20

3.5.3 滤波器初始参数值的计算 21

3.5.4 滤波器的仿真结果 23

3.6 总体电路的仿真与优化 24

3.7 倍频器实物分析测试 26

3.8 本章小结 27

第4章 结论 28

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

作为电子通信系统的心脏，频率源的性能，如相位噪声、谐波抑制度、稳定度等对整个通信系统的优劣起着重要的作用^[1]。随着电子终端设备的日益增多，通信频带变得越来越拥挤，对高性能频率源的需求越来越大，这就使得高频信号源的研究变得越来越重要。但是，传统电路中通常采用振荡器来产生频率较高的信号。振荡器的最高振荡频率，在理论上受到有源器件截止频率的限制。另外，由于基板损耗、无源器件的低品质因数和满足有源器件最优负载的困难，已经实现的基本振荡频率通常远低于三极管的截断频率^[2]。同样，所实现的功率等级并不够满足如今高频应用的需求。而且，微波振荡器很难调谐，因为在高频时寄生参数成为了振荡电路电容的主要成分。鉴于此，我们通常用倍频器来实现可调谐、高频的信号产生器。

相较于振荡器，用倍频器产生的高频信号，主要有三个方面的优点^[3]。首先，通过倍频器所得的高频信号具有较高的稳定性。相较于直接通过振荡电路获得的高频信号，将振荡器获得的低频信号进行倍频，得到的高频信号相对来说比较稳定；第二，可以扩展设备的工作频段。利用倍频技术获得高频信号，可将工作频段扩展到毫米波、亚毫米波乃至太赫兹波段，从而有效地缓解当前信道拥挤的状况；第三，具有较高的可靠度。就相位噪声来说，通过倍频电路得到的高频信号，要比振荡电路得到的高频信号好很多。正因为这些优点，使得倍频器的研究越来越重要。

通过对倍频器的研究，可以获得高稳定性、高输出功率、高谐波抑制比的高频信号源，从而有效缓解当前面临的信道拥挤问题，同时解决用振荡器产生高频信号时的不稳定问题。 对于那些需要稳定高频信号源的雷达、通信、测量等领域，倍频器的研究也具有非常重要的意义。同时，本论文关注于宽带信号的倍频，相对带宽大于33%，中心频率为2.4GHz。本次所实现的宽带倍频器不仅可以在S波段宽带雷达信号源中发挥作用，也可以为后续宽带信号倍频的研究提供参考。

1.2 国内外研究进展

近几年来，国内外对于高性能倍频器的研究不断取得新的进展。从所使用的器件来说，已经不仅仅使用非线性电阻，还用阶跃二极管、雪崩二极管、肖特基二极管、单栅、双栅场效应管等；所研究的波段也不断提高，已经逐渐拓展到毫米波、亚毫米波甚至太赫兹波。目前，研制高效率、低损耗、高输出功率、高谐波抑制比、低相位噪声的毫米波、亚毫米波倍频器研究的一大热点。

1.2.1 国外研究现状

国外对高性能倍频器的研究，进展较快，部分成果罗列如下：

1993年，Yongnan Xuan等人提出了一种新型结构的二倍频器^[4]。他们使用一个电感代替传统差分放大器中的有源电流源，不仅简化了电路，而且使得该放大器可以在高频处工作。用改进后的差分放大器组成倍频器，不仅可以有效地抑制基波和奇次谐波，而且具有较低的转换损耗。

2015年，Muhammad等人用非线性传输线构造了二倍频器和三倍频器^[2]。他们提出的二倍频器最高频率为20GHz，使用65-nm CMOS工艺，转换损耗为3.5dB，相对带宽为23%；三倍频器的最高工作频率为100GHz，使用130-nm CMOS工艺，转换损耗为12.2dB，相对带宽为12.3%。

2016年，Seyeon Yoo等人提出了一种紧凑型超低功耗三倍频器^[5]。倍频器中的LC谐振选频网络，可以有效抑制非所需谐波，提取所需谐波。由于使用脉冲输入信号，该倍频器的功耗仅为950μW。

1.2.2 国内研究现状

国内对倍频器的研究，起步较晚，但也取得了一些成果，部分罗列如下：

2013年2月，赖一成等人基于倍频链，提出了一种S波段振荡器的设计方案，具有低相噪的优点^[6]。其输入频率为100MHz，输出为2GHz，倍频次数较高，数出功率大于10dBm，谐波抑制比大于20dBc。但是其为单点频输出，难以满足现在宽带倍频器的需求。

2017年，电子科技大学的闵应存教授提出了一个倍频链路，输出频率高达220GHz ^[7]。该电路由110GHz GaN三倍频器和220GHz GaAs二倍频器组成，输入为ka波段信号，倍频输出为220GHz太赫兹波。测试结果表明，当输入信号功率为30mW时，在197-230GHz内倍频效率大于10%，在218GHz处峰值效率为24%，输出功率为7.13mW。

2018年，东南大学窦江玲，徐金平等提出了一种基于Schottky管安装电路环境三维模型的W波段全波段三倍频器^[8]。实验结果表明，当输入信号功率为20dBm时，该倍频器在频段75-110GHz内，输出功率典型值为5dBm，功率波动很小，约为1.25dBm，从而达到了倍频器在W波段全波段优良的功率平坦度特性。

1.3 论文内容及章节安排

本论文首先通过阐述高频信号源的重要性，引出振荡器的概念。然后通过振荡器与倍频器的比较，讨论对于倍频器研究的必要性。为了解倍频器的具体工作机制，本论文对倍频器的原理、类别、指标进行了详细的介绍。然后根据具体的指标，设计了一个S波段二倍频器的实施方案，并通过仿真、优化验证了该方案的可行性。最后制作出实物，对其进行调试，完成了关键指标的测试与分析。

本论文各章节内容简述如下：

第一章：介绍本论文研究的背景及意义，以及当前国内外对倍频器研究的现状。

第二章：阐述倍频器的基本原理、分类方法、技术指标等，并详细叙述了本次采用的场效应管倍频的非线性原理和场效应管工作区域的设置方法及其影响。

第三章：本次设计采用模块化设计，先设计出总体的电路框图，并分析各个模块原理。然后通过ADS分别设计出偏置电路模块、输入输出匹配电路模块、滤波电路模块，并对各个模块进行了仿真优化分析。随后通过对总体电路的仿真与优化，得到最优结果。最后，为掌握倍频电路测试方法，对试验模块HMC561二倍频芯片进行了测量，并对结果进行了分析。

第四章：本章是对论文的总结以及对下一步工作的展望。

第2章 倍频器基本原理

2.1 倍频器概述

2.1.1 倍频器原理及分类

倍频器，简单来说，是利用晶体管等器件的非线性，将某一点频或某一段频率进行倍增，从而获得所需的高次谐波分量。一个理想的倍频器原理如下图2.1所示：

图2.1 理想倍频器原理简图

如上图2.1所示，将信号输入到非线性器件中，由于器件的非线性，会在非线性器件输出端产生大量的谐波分量，里面包含直流、基波、二次谐波等。为从杂波中提取出所需谐波分量，常常需要用到滤波器。当需要获得二倍频时，可将滤波器设置为带通滤波器，将中心频率设置为二次谐波的频率，从而提取处所需要的分量。可见，一个性能优异的倍频器，需要做到在有效抑制其余谐波分量的同时，获得最大的所需谐波分量。

当然，上述原理图2.1为理想倍频器原理简图，实际进行电路设计时，还需要增加额外的配套电路，如输入输出匹配电路、直流偏置电路等。没有输入输出匹配，会使得倍频效率低下，甚至无法倍频。一个合适的偏置电路，不仅能保证倍频器正常工作，还具有提高倍频效率的优点。具体原因见2.2节所述。

不同类型的倍频器，其工作原理和倍频次数都有所不同。对于倍频器的分类，通常有两种分法：按照倍频次数和工作原理进行分类。

首先，按照倍频次数的高低可将倍频器分为以下两类^[9]：

(1) 低次倍频器。低次倍频器，通常指的是单级倍频次数小于5。当采用低次倍频时，非线性器件可以采用二极管，如变容二极管。低次倍频不仅具有倍频效率比较高的优点，还可以使输出功率比较大。比如对于二极管来说，二倍频的效率高于50%，三倍频的高于30%。但是，随着倍频次数的增大，倍频效率将随之快速减小。如需高次倍频，通常可采用倍频链的结构，但这样做无疑会增加电路复杂性。

(2) 高次倍频器。高次倍频指的是单级倍频数在5以上，甚至达到10-20。此时，非线性器件通常采用阶跃恢复二极管（SRD）。倍频次数的升高，直接导致了倍频效率值的大大降低，约为1/n，n为倍频的次数。除了降低倍频效率以外，高次倍频也会出现输出功率减小和倍频带宽降低等缺点。

然后，将倍频器按照工作原理可以分为以下两类^[10]：

(1) 非线性电阻倍频。该类射频倍频电路，通常采用的非线性电阻有双极型三极管、场效应管等，这些器件的作用是把大幅度正弦波转变为尖顶余弦电流脉冲，然后再用滤波电路提取出所需的谐波分量，最终获得倍频输出。

(2) 非线性电抗倍频。该类射频倍频电路，利用的是非线性器件的电感或电容来实现倍频。例如，当使用阶跃二极管、变容二极管等时，利用的是非线性电容效应实现倍频；对于雪崩二极管等器件，利用的则是雪崩效应引起的非线性电感效应实现倍频。

2.1.2 倍频器参数

为了判断不同倍频器性能的优劣，通常从下面的参数展开比较：

(1) 倍频次数

倍频次数，简单来说就是指输出的所需谐波频率与输入信号频率之比。

(2) 工作频率

工作频率，是指在满足输出功率、转换效率等所需指标时，输入频率与输出频率的值。

(3) 带宽

带宽分为绝对带宽与相对带宽。绝对带宽，通常是指3dB带宽，即通带内输出功率下降3dB的频率范围。相对带宽，计算方法为绝对带宽与通带内中心频率的比值。

(4) 倍频效率

倍频效率指的是输出目标谐波功率与输入基波功率的比值，可用百分数或小数表示。

(5) 输出功率

输出功率，指的是输出端输出所需谐波的功率值，单位通常为dBm。

(6) 谐波抑制度

谐波抑制度是倍频器的一个很重要的参数，用来表示倍频器输出端口对无用谐波和基波的抑制度，单位为dBc。

(7) 输入输出驻波比

为比较不同倍频器输入、输出端口的匹配程度，引入驻波比的概念。当驻波比为1时，说明倍频器的输入或输出端口实现了完全匹配。其值往往不为1，越接近1越好。

(8) 相位噪声

相位噪声直接影响倍频器的性能。在倍频器中，相位噪声按20lg(n)恶化，其中n为倍频次数。

虽然倍频器的指标参数有很多，但他们之间大多是相互冲突的。在设计电路时，通常不能将指标同时达到最佳，需要根据实际情况，做好取舍，从而获得最优的结果。

2.1.3 倍频器噪声分析

倍频器在工作时，往往会产生一些不需要的噪声或者受一些噪声的影响。这些噪声，不仅会影响场效应管工作，而且还会恶化倍频电路的转换效率等特性。为改善电路的噪声特性，下面探讨下可能的噪声来源^[9]：

(1) 倍频器固有噪声。射频电路中固有噪声的存在，会恶化倍频器输出端信噪比，下降幅度与倍频次数有密切关系。通常情况下，倍频次数为n时，输出信噪比会恶化20lgn dB。因此，在设计射频电路时，单级倍频次数不要设置的太高。

(2) 电路中电阻等元件的热噪声。

(3) 由正向导电和漏电流引起的闪烁噪声，该噪声与频率大小往往成反比。

(4) 当倍频信号的功率超过倍频器件的极限功率时，可能会使得倍频管出现击穿的现象。激励信号的功率增大，这种噪声往往会随之增大，最终导致倍频器无法稳定工作。因此，在设计时，应该注意下倍频电路各个元件的极限参数，避免倍频器因输入功率太大而不稳定。

(5) 由偏置电路引入的噪声。偏置电路在给倍频管供电的同时，一方面可能会因为驰张振荡引入噪声，另一方面可能会因为电源的不稳定性引入噪声。

(6) 外界信号的干扰。如果倍频电路附近电磁场强度太大，就会干扰倍频管的工作。因此，在实际制作倍频器时，可以选择波导的形式，将倍频电路封闭起来，从而减小外界的干扰。

2.2 场效应管倍频原理

场效应管，相较于三极管，是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件。与双极型三极管相比，具有输入阻抗高、噪声小、功耗低等优点。场效应管倍频，是利用场效应管的非线性效应实现的。相较于二极管或双极型三极管来说，采用场效应管做倍频核心器件，不仅可以在很宽的频带范围内实现倍频，还可以在输入端与输出端提供良好的隔离^[11]。同时，采用场效应管做有源倍频器，跟无源倍频电路相比，可以将部分直流电源能量转变为交流能量，从而提高转换效率与输出功率。

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