微波、毫米波倍频器设计

一、 倍频器特点、应用、毫米波的概述。
所谓倍频器是指能完成输入信号频率倍增功能的电子设备。下图是一个理想的倍频器的方框图，输入信号VCOSωt，其输入角频率为ω，通过n次倍频器后输出信号是 V0COSnωt ，输出角频率变为 nω ，n为倍频次数。倍频电路是有效提取谐波，抑制基波和其他谐波。

倍频器的特点：
⑴能够降低电子设备的主振频率。这对于那些工作频率较高而对稳定性要求又较严格的通信机和高频设备极为重要。因为晶体频率越高，相对频率稳定度就越低。为了解决固态发射机中的高的频率稳定度和高的输出频率之间的矛盾，常在主振级和输出级间采用多次倍频的技术。
⑵扩展工作频段。在电子对抗中需要宽频带的干扰和反干扰收、发设备，若用一个振荡器难以使它覆盖一个倍频程的频段，而采用倍频方式却能做到一个或多个倍频程的工作频带。因此电子战中倍频成为一种很重要的技术手段。许多通信设备在主振级工作频段不扩展的条件下，利用倍频器亦易于扩展发射机输出级的工作频段。
⑶对于调相或调频发射机，利用倍频器可以加深调制度，以获得大的相移或频移。
⑷由于倍频器容易产生激励信号的各次谐波频率，所以倍频器成为频率合成器中的重要组成部分。
⑸利用倍频，可以制成毫米波、亚毫米波固态源，它们在射电天文学、等离子体诊断学、光谱学，毫米波通信、雷达、军事侦察、监视、制导等方面得到广泛的应用。
毫米波频谱通常是只波长介于1mm至10mm的电磁波，它所对应的频率范围为30-300GHz。由于介于微波与光波之间，它具有两者优点，如分辨率高、体积小、频带宽、抗干扰能力强、可以全天候工作。民用方面，毫米波也有广阔的前景，如在移动电话，汽车防撞，医疗等方面都有很大的应用空间。
目前获得毫米波信号源的方式大致可分为两类：一是利用耿氏管、IMPATT器件、速调管、回旋管等器件直接产生；二是利用微波源经倍频后获得。但是简单的固态源输出的毫米波振荡频率稳定性差，难以用于通信和雷达系统。要采取各种稳频措施（如外腔稳频、注入锁相）。毫米波倍频器把微波设备所具有的优点，如和、高频率稳定度及微波调制器的调制特性等扩展到毫米波频段。
一、倍频器的分类、主要性能指标、各类倍频器的综合比较。
㈠ 固态倍频器分类：
⑴按其倍频次数的高低可分为两类：
①低次倍频器。单级倍频次数通常不超过5。这类倍频器是通过电容呈非线性变化的变容管的作用或晶体三极管C类放大的非线性阻抗实现的。它的倍频效率较高，输出功率较大。但随着倍频次数增加，倍频效率和输出功率将迅速降低。如需高次倍频，必须做成多级倍频链，使其中每一单级仍为低次 倍频器。
②高次倍频器。单级倍频次数可达10～20以上，倍频器件采用阶跃管。在高次倍频时，其倍频效率约为1/n，n为倍频次数。因为倍频次数高，故可以由几十兆赫的石英晶体振荡器一级倍频至微波，得到很稳定的频率输出。这种倍频器输出功率较小，通常在几瓦以下，在L波段输出功率可达15W以上。在微波频段电路结构形式一般采用分布参数电路。
⑵按工作原理，倍频器可分为两大类：
①非线性电阻倍频。这类倍频器是利用双结型晶体管（BJT）、场效应管（FET）或二极管的非线性电阻效应把大幅度正弦波变成电流脉冲，再用选频回路将它的某次谐波选出，以完成倍频作用。
②非线性电抗倍频。亦称为“参量倍频”。其一是利用PN结（或金属—半导体结）电容的非线性变化得到输入信号的谐波，经滤波器选出需要的频率。变容二极管倍频器、阶跃二极管倍频器以及利用集电结非线性效应做成的三极管倍频器都是利用非线性电容构成的倍频器；其二是利用非线性电感构成的倍频器。例如利用雪崩二极管渡越效应引起的非线性电感实现的倍频。
㈡性能指标 ：
①倍频次数。
②输出频率与带宽。
③输出功率。
④倍频效率。
⑤频谱纯度。
㈢综合比较：
①非线性电阻元件倍频器会带来能量损耗，所以倍频效率较抵，尤其进行高次时，转换效率会明显下降。对于二极管阻性倍频器来说，它的倍频效率将与n2成反比。但非线性电阻元件倍频输出频率带宽较宽，有梁式引线结构，便于集成。这是目前还在应用的原因之一。
②非线线性电抗元件倍频，能使倍频效率提高，特别有利于高次倍频。如果忽略变容管的损耗电阻RS，理论上倍频效率可达100%，很适合用作高次倍频器。实际上，变容管总是存在损耗电阻的 ，倍频效率不可能达到100%，但由于它的损耗电阻很小，倍频效率仍然可以作的较高。有可能接近70-80%，非线性电抗元件倍频效率最大为为1/n。
③三端器件的转移电导和输出电导的非线性也可以实现倍频，其突出优点是能在一定的宽频带范围内实现倍频增益，并可以在输入、输出之间提供有效的隔离。
④另外其他新型器件倍频器，如二极管高功率倍频器、共振隧道效应二极管倍频器、准光倍频器，但应用不多
二、毫米波倍频器的分析方法：
在理想情况下，由门雷——罗威关系式，输入的正弦波可全部转换为成任意次谐波，非这是分析非线性电抗倍频器的基础。
阶跃管倍频器的分析方法有两种：一是频域分析法，这种方法是根据电荷、电流、倒电容的解析式进行傅里叶分析的方法，可得到偶次倍频的公式和表格。另一种方法是时域分析 法。这种方法是将阶跃管等效成一个电抗开关，只分析其导通与截止两种状态的电路特性。在作一些近似处理后，可以得到任意阶跃管的设计公式与数据。这两种方法各有其优缺点，频域法比较严格准确，但有局限性，对D≠2和奇次倍频情况不使用；时域法物理概念清楚，但设计误差比较大，工程应用时要通过实验验证。
分析倍频器非线性电路最完善的方法是利用谐波平衡法。这种方法把输入、输出的稳态解以调和函数关系联系在一起，其基本思想是：找一组端口电压波形（或者谐波电压分量），它能使线形子网络方程和非线性子网络方程给出相同的电流，实质上就是建立谐波平衡方程，然后采用恰当的方法求解。
分析倍频器非线性电路也可采用状态变量法等数值计算法。当谐波分量较多时，用谐波平衡法不易收敛求解，为此，用时域法替代，直接列出微波系统的非线性时域微分方程组，并以各种数值方法（如后向欧拉法、梯形法、Gear法等）求解，一般均可达到收敛。其中，梯形法是目前时域分析中较好的数值积分算法。
四、倍频器的发展和趋势。
固态倍频源发展十分迅速，从器件看，由早期的非线性电阻二极管发展到变容管、阶跃管、隧道二极管、雪崩二极管等，由双极三极管发展到利用单栅、双栅场效应晶体管倍频;从波段看，由短波、超短波到厘米波乃至毫米波、亚毫米波倍频都取得惊人的进展；从功率看，采用放大倍频技术，在L波段，倍频输出功率可达几十瓦以上。
现在国内外对倍频器的研究主要集中在毫米波高端、亚毫米波。电路结构大多采用平面的MIC形式。
目前，国内一些从事毫米波电路与系统的高校与研究所都在致力于利用倍频器来实现高稳定度的毫米波源。南京电子器件研究所已于1990年研制出8mm二倍频器产品，其主要指标：输入功率100mw，倍频效率大于10%。1994年研制了一种大功率容量、高效率的8mm四倍频器，输入功率容量为500mw，最大效率为15%。输出频率34.4-35.2GHz。所用的管子为GaAs变容管。
由于变容管自身所具有的优点，因此国内外有许多报道关于变容管倍频器。
由Airborne instruments laboratory研制的宽带变容管二倍频器，输出频率为16.08-18.08GHz，输入功率为80mw，输出功率为10mw，倍频效率为12.5%[2]。
Faber等研制的高效变容管100GHz二倍频器，在92-102GHz，输入功率5mw，倍频效率为32%；在98 GHz，输入功率为5mw，倍频效率可达35%[11]。
现在利用变容管提高倍频效率仍是MMW固态振荡器的一个感兴趣的课题，芬兰赫尔辛基大学的实验报告，所用的变容管的参数为C。=10PF，Rs=14Ω，η=1.5，γ=0.45，实验结果与理论值为115-230 GHz二倍频器，理论值效率为50%，实测20%。115-345 GHz三倍频器，理论值效率为30%[16]。
在自动雷达和毫米波通信系统中发射天线的功率通常需要10-100mw的射频能量，因而提高射频能量非常重要。由Guan-leng tan等研制的毫米波共面二倍频器，利用肖特基变容管，输入功率为490mw，在Q=6时的倍频损耗为6.4dB，输出频率为72-73GHz。在Q=1.6时。输出频率为64-78GHz，倍频损耗为9.6 0.7dB。在输出功率为74GHz时，功率为71mw。但是输出功率并没有饱和，而是因为输入功率的原因。由B.J.Rizzi利用4个变容管做成集成共面的平衡二倍频器。最大的输出能量为55mw（174GHz）。是以前同类倍频器的输出能量的2倍。但并没有饱和（因为输入能量的限制），最大的转换效率在150mw输入时，最大转换效率为25%[7]。
随着射电天文技术的发展，倍频器在毫米波、亚毫米波研究工作较多，理论上和实际应用都取得很大的进展。
由Tohrn Takada利用混合集成电路制成的300GHz GaAs肖特基变容管二倍频器，输出功率为5mw，3dB带宽大于10GHz。450GHz的二倍频器输出功率为0.5mw。
由T.Newman等利用共面变容管研制的300GHz四倍频器，输出功率为6.1mw，转换效率为7.2%[17]。
由Neal Erickson研制的高效率亚毫米波倍频器，在输出功率330GHz输出功率为4mw。在500GHz输出频率利用一个平衡二倍频器和一个二极管3倍频器的串接。输出功率为0.7mw。由Maiwald等采用平面肖特基变容管，用两个BWO（backwar wave oscillator）倍频器基频源，可以从170GHz倍频至1.38THz。这种倍频器结构特殊，可实现连续宽带可调，输出高的谐波功率[10]。
Archer采用肖特基势垒二极管研制的100-260GHz频率二倍频器和210-240GHz频率三倍频器。机械调谐毫米波二倍频器在100-260GHz，变频效率一般为10%，在100GHz，输出功率为10 mw；在260GHz，输出功率为6 mw，调谐时，带宽为中心频率5%的1dB带宽。机械调谐毫米波三倍频器，在215 GHz，调谐时带宽为210-240 GHz带宽，最大变频效率为6%，输出功率为4.8 mw。他研制的200-290 mw可调宽带频率三倍频器，在200-290 mw，输入功率80 mw时，输出功率为2 mw。在225 mw附近，最大输出功率为4.6 mw。此种可调宽带频率三倍频器已应用做射电天文超外差接收机混频器的本振源，性能良好[14]。
由于场效应管作倍频应用时的突出优点是能在一定宽频带内获得倍频增益，并可在输入、输出之间提供有效的隔离。因此取得了广泛的应用。
由Yoshitada Iyama 利用在输入端加2次谐波反射器的方法制成的高增益FET K波段二倍频器，输出有6dB增益[9]。
由C.GUO等发表的论文提及一种方法，关于如何设计偏置电压、负载阻抗等使MESFET倍频器达到最大的转换效率，在设计10-20GHz FET二倍频器中取得了良好的效果[8]。
现在倍频器中已应用了单片集成技术，使倍频器的发展又向前迈了一大步。
利用非线形电阻效应作成的宽带、平面、单片肖特基二极管倍频器。输出频率为16-40 GHz，转换损耗为12dB，输出能量为2dBm[3]。
Eric carman等利用孤立子在GaAs单片非线形理论研制的2倍频器在24dBm输入时，输出功率为17.4dBm，3db带宽为52-63GHz。3倍频器在24dBm输入时，输出功率为12.8dBm，3dB带宽为81-108.8 GHz[5]。
由于倍频效率、其他谐波抑制、尺寸大小限制了集成的水平和造价。毫米波信号通常是由倍频产生的。Pekka利用单片集成技术制造的40 GHz二倍频器，大小只有0.6mm2，倍频损耗只有1dB，而且在25%带宽内对杂波抑制大于20dB。
美国COMSAT实验室制成W波段变容管单片倍频器，在93GHz的输出功率为30mw，变换效率为12%，它由工作在45.5—46.5GHz，增益为13dB，输出功率为0.23W的MMIC MESFET功放激励，倍频/放大链在93GHz的整个增益为7dB[15]。
目前，半导体器件的发展制约着倍频器的发展。因此也有不少关于新型用作倍频的管子报道。如E.Kolber 介绍了QW（quantum well）二极管、bbBNN（back to back Barrier n-n）变容二极管和SBV（single barrier varactor）变容管，同时给出了肖特基二极管设计和制造的新进展[14]。
综合起来，倍频器在毫米波高端、亚毫米波波段应用的较广泛。研究主要是如何提高输出频率、输出功率，简化电路，如何集成以及各种分析及优化方法。

很有用 但是有过程就更好了

可以当作论文的国内外动态了，呵呵