高效倍頻器的研究

發(fā)布時(shí)間：2020-10-15 23:46

　　作為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵器件，無(wú)論是在射頻、微波系統(tǒng)還是在毫米波、亞毫米波系統(tǒng)中，高效倍頻器都對(duì)電子系統(tǒng)的整體性能具有較大的影響。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，高效倍頻器的發(fā)展也十分迅速，特別是隨著空間探測(cè)技術(shù)在毫米波頻段的不斷探索和開(kāi)發(fā)，對(duì)毫米波頻段高效、穩(wěn)定、大功率信號(hào)源的需求也越來(lái)越迫切。相比于直接振蕩頻率源，利用倍頻技術(shù)不僅可以提高頻率源的穩(wěn)定性和可靠性，也使得其具有頻率可擴(kuò)展性，將可用頻段擴(kuò)展至毫米波、亞毫米波甚至太赫茲頻段。由于收發(fā)系統(tǒng)大多需要高功率輸出的頻率源，其性能的優(yōu)劣一定程度上決定了收發(fā)系統(tǒng)的整體性能，因此開(kāi)展高效倍頻器的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文首先介紹了毫米波倍頻器的發(fā)展與應(yīng)用，特別是近年來(lái)其在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況；對(duì)微帶傳輸線的傳輸特性與損耗進(jìn)行了介紹，并重點(diǎn)分析了波導(dǎo)-微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)。同時(shí)，介紹了實(shí)現(xiàn)倍頻的基本原理與典型的倍頻結(jié)構(gòu)。本研究基于肖特基二極管DBES105a分別研制了F波段無(wú)偏置三倍頻器和F波段加偏置三倍頻器，設(shè)計(jì)了兩種F波段二倍頻器；基于變?nèi)荻䴓O管5VA40-10設(shè)計(jì)了170GHz三倍頻器和220GHz三倍頻器。其中，倍頻器的輸入端口與輸出端口均為標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，基于石英介質(zhì)基片實(shí)現(xiàn)倍頻電路。本文首先采用電磁仿真軟件HFSS完成各無(wú)源子模塊的設(shè)計(jì)，再根據(jù)二極管的參數(shù)在ADS中建立其等效電路模型，最后將HFSS中的仿真結(jié)果導(dǎo)入ADS進(jìn)行電路的整體仿真與優(yōu)化，得到輸出功率最優(yōu)值。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)輸入功率為17dBm時(shí)，對(duì)于F波段無(wú)偏置三倍頻器方案1，在85~115GHz的頻帶范圍內(nèi)，輸出功率在97GHz處達(dá)到最大值-1.1dBm；對(duì)于F波段無(wú)偏置三倍頻器方案2，在85~115GHz的頻率范圍內(nèi)，輸出功率在88GHz處達(dá)到最大值0.86dBm。對(duì)于上述無(wú)偏置三倍頻器，其主要特點(diǎn)是帶寬較寬，可達(dá)到20GHz以上。對(duì)于F波段加偏置三倍頻器，輸入功率為15dBm時(shí)，在115GHz處倍頻器的輸出功率最高，可達(dá)到6.58dBm，倍頻效率約為13%，在頻帶114.5~117GHz內(nèi)，倍頻器的輸出功率高于5dBm，倍頻效率高于10%。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可看出，相比于無(wú)偏置的三倍頻器，加直流偏置電壓可顯著提高倍頻器的輸出功率與倍頻效率。測(cè)試結(jié)果在一定程度上證實(shí)了設(shè)計(jì)方法的可行性。本文對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析并提出了改進(jìn)意見(jiàn)，為進(jìn)一步對(duì)毫米波倍頻電路的設(shè)計(jì)與研究積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)毫米波倍頻器的發(fā)展具有一定的積極意義與促進(jìn)作用。
【學(xué)位單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TN771
【部分圖文】：

外形圖,外形圖,三倍頻器

置三倍頻器的核心器件，二極管的性能優(yōu)劣寬等技術(shù)參數(shù)。根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求生產(chǎn)的 GaAs 基肖特基二極管 DBES105a 作BES105a 的數(shù)據(jù)資料，其具有截止頻率高、為 2.4THz，因此工作頻率適合于本文設(shè)計(jì)的外形尺寸為 230μm×530 ×100 ，實(shí)物.4THz ：5V2.4 ：9.5 fF5.8

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圖 4.3 肖特基二極管 DBES105a 等效電路模型對(duì)于上圖所示的二極管等效電路模型，其 S 參數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果如圖示。圖 4.4 二極管等效電路模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比由于二極管的參數(shù)手冊(cè)中只提供了低于 80GHz 的測(cè)試數(shù)據(jù)，因此本文僅在此對(duì)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較。從圖 4.4 可看出，二極管等效模型仿真結(jié)果

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