周 明 姚常飛 羅運(yùn)生 李 姣 吳 剛

(南京電子器件研究所 南京 210016)

1 引言

毫米波技術(shù)廣泛應(yīng)用于遙感技術(shù)、深空探測(cè)、射電天文學(xué)等領(lǐng)域，作為其各類應(yīng)用系統(tǒng)的核心部件，頻率源的研究至關(guān)重要。頻率源的實(shí)現(xiàn)途徑主要分三大類:第一類是采用速調(diào)管、磁控管、行波管等真空電子器件;第二類是采用二端器件(GUNN，IMPATT，PSVD、HBV 等)、三端器件(HBT、HEMT 和PHEMT 等)和量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)來(lái)實(shí)現(xiàn);第三類信號(hào)源則是通過(guò)其它方式如:自由電子激光、高能加速器等實(shí)現(xiàn)。目前真空電子器件輸出功率雖然很大，但對(duì)實(shí)際工作條件要求苛刻，且不易于系統(tǒng)的集成和小型化設(shè)計(jì)，因此其應(yīng)用在很多場(chǎng)合受到了限制。二端器件振蕩器在毫米波低端能輸出上百毫瓦數(shù)量級(jí)的功率，但相噪差。同樣地，三端器件振蕩器輸出功率也很低，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前二端器件的水平。鑒于以上情況，需要尋求一種更加可靠、穩(wěn)定、高性能的毫米波源實(shí)現(xiàn)途徑。倍頻技術(shù)作為一種信號(hào)源實(shí)現(xiàn)途徑，由于其倍頻效率高、輸出功率電平大，是目前實(shí)現(xiàn)毫米波信號(hào)源的最主要方式。目前國(guó)外在微波頻段倍頻器基本實(shí)現(xiàn)了MMIC 化;在W 波段以下，混合集成倍頻技術(shù)已經(jīng)很成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，但實(shí)現(xiàn)寬帶、高效率的倍頻源仍來(lái)是一大技術(shù)難題［1-4］。

2 二極管阻抗

2.1 寄生參數(shù)分析

GaAs 肖特基二極管分為有源部分和無(wú)源部分，有源部分即非線性部分，由二極管的肖特基金屬和外延層接觸面產(chǎn)生，通過(guò)二極管的SPICE 參數(shù)來(lái)描述其特性。無(wú)源部分為二極管的制作材料，主要由以下幾部分構(gòu)成:SiO2 保護(hù)層、n 外延層、n++緩沖層、GaAs 襯底層及正負(fù)極焊盤(pán)和空氣橋。GaAs 肖特基二極管的非線性特性通過(guò)二極管的SPICE 參數(shù)來(lái)描述，可根據(jù)其I-V 關(guān)系來(lái)提取相應(yīng)的主要SPICE 模型參數(shù)。當(dāng)倍頻器的工作波長(zhǎng)與二極管的尺寸0.355 ×0.13 ×0.088 mm3(長(zhǎng)、寬、高)可相比擬，必須考慮二極管物理結(jié)構(gòu)所引起的寄生參數(shù)，通過(guò)在場(chǎng)仿真軟件HFFS 中建立其三維電磁結(jié)構(gòu)，提取S 參數(shù)來(lái)模擬寄生參數(shù)的影響，該方法比建立二極管的等效模型更加精確。

2.2 二極管嵌入阻抗

在數(shù)值仿真計(jì)算中，二極管的制作材料參數(shù)做了些仿真近似，具體參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)［10］。根據(jù)倍頻器結(jié)構(gòu)，在仿真軟件中建立的二極管物理模型，基片為Duroid 5880:厚0.127mm、介電常數(shù)2.2、損耗角0.001，采用去嵌入法提取二極管的S 參數(shù)，在路仿真軟件中，結(jié)合二極管SPICES 參數(shù)，采用諧波平衡分析方法，分析二極管各端口的最優(yōu)阻抗，得到的基波輸入和三次諧波輸出最優(yōu)阻抗分別為21-j75 和30-j45。

3 電路設(shè)計(jì)

本文采用了混合集成式的倍頻電路結(jié)構(gòu)，其基本設(shè)計(jì)流程如圖1 所示，首先確定電路的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，倍頻器選用了平衡式的結(jié)構(gòu)，平衡式電路結(jié)構(gòu)不但簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，還節(jié)省了仿真計(jì)算時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率。其次根據(jù)相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)，建立二極管在電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS 中的物理結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)場(chǎng)軟件提取出的S 參數(shù)文件，在電路仿真軟ADS 中確定二極管的最優(yōu)輸入和輸出阻抗，根據(jù)最優(yōu)阻抗分別單獨(dú)優(yōu)化設(shè)計(jì)電路的各個(gè)無(wú)源部分，如輸入和輸出波導(dǎo)-微帶過(guò)渡、匹配網(wǎng)絡(luò)等無(wú)源電路。再次基于優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立模塊電路的整體場(chǎng)仿真模型，并提取相應(yīng)的多端口S 參數(shù)文件，在路仿真軟件中模擬模塊電路的性能并優(yōu)化偏置工作點(diǎn)，如果性能滿足設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)參數(shù)輸出，不滿足指標(biāo)要求，則重新優(yōu)化設(shè)計(jì)電路的各個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。

圖1 電路設(shè)計(jì)流程

3.1 三倍頻方案

W 波段倍頻器采用了平衡式結(jié)構(gòu)，平衡式倍頻可以提高電路功率容量，獲得較大的輸出功率，并抑制不必要的諧波分量，因此W 波段三倍頻器設(shè)計(jì)采用如圖2 所示的平衡式方案。二極管管對(duì)相對(duì)于輸入電路為反向并聯(lián)，相對(duì)于輸出電路同樣為反向并聯(lián)，該電路適宜于奇次倍頻。若三次諧波在輸出波導(dǎo)帶寬內(nèi)，則為三次倍頻電路。五次、七次和更高次的偶次諧波分量大大低于三次諧波分量幅度，且均不在W 頻段之內(nèi)，在后續(xù)電路中可以很容易得到抑制。偶次諧波的抑制取決于二極管的一致性和結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。

由于輸入信號(hào)被反相地加載到兩個(gè)二極管上，其電壓分別為

可以得到流出二極管的總電流為

圖2 三倍頻器原理圖

可以看出，平衡式三倍頻器在輸出端，由于相位抵消，輸出電路中只有奇次信號(hào)，偶次諧波只存在于二極管環(huán)路內(nèi)部流動(dòng)，有效地降低了諧波電路設(shè)計(jì)的難度，提高了倍頻效率。

3.2 電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

W 波段三倍頻器電路主要由以下幾部分構(gòu)成，輸入輸出波導(dǎo)--鰭線-微帶過(guò)渡、輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)及中頻低通濾波器?；谏衔挠?jì)算得到的二極管嵌入阻抗，采用線性分析方法優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊電路各部分的匹配網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合二極管物理結(jié)構(gòu)，在場(chǎng)仿真軟件中建立倍頻電路的整體場(chǎng)仿真模型，提取相應(yīng)的多端口S 參數(shù)文件，結(jié)合二極管SPICE 模型，在ADS 中優(yōu)化偏置工作點(diǎn)和性能指標(biāo)，性能滿足要求設(shè)計(jì)輸出，不滿足指標(biāo)要求，則重新優(yōu)化設(shè)計(jì)電路的各個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。倍頻器電路采用厚膜工藝制作。在倍頻器仿真設(shè)計(jì)好后，我們采用ANSYS 軟件對(duì)整個(gè)模塊電路作了力學(xué)分析，以考察倍頻電路基板的可靠性，在厚度確定的情況下。當(dāng)滿足力學(xué)分析要求后，才實(shí)現(xiàn)最終設(shè)計(jì)輸出。

4 試驗(yàn)研究

倍頻電路基板采用Sn62 錫膏燒結(jié)至到殼體上，二極管則采用Epoxy 公司的H20E 導(dǎo)電銀膠焊接到電路板相應(yīng)位置處。電路殼體分上下腔加工，采用銅鍍金材料。倍頻器實(shí)物照片、測(cè)試性能曲線及性能比較如圖3、圖4 所示。驅(qū)動(dòng)信號(hào)源由Agilent 8257D 提供，輸出功率通過(guò)PM-4 功率計(jì)測(cè)得，研制的W 波段倍頻器在100GHz 測(cè)得最高倍頻效率4.2%。在75-110GHz 倍頻效率典型值為3.5%，76-105GHz 以內(nèi)倍頻效率優(yōu)于3%，倍頻效率響應(yīng)曲線平坦，性能優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品水平，有效地解決了W 波段寬帶信號(hào)源問(wèn)題。從表2 比較看出，三倍頻器技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國(guó)外如Millitech、MIWV 公司和文獻(xiàn)［1］報(bào)道的水平，性能甚至可以與文獻(xiàn)［2］報(bào)道的三倍頻器性能相比擬。從圖5 可以看出，倍頻器開(kāi)始出現(xiàn)飽和的輸入功率點(diǎn)有差別，基本在20-40mW 之內(nèi)，高于此功率時(shí)，倍頻器雖然輸出功率在變大，但效率在變小，基于該曲線，可以獲得倍頻器的最佳工作點(diǎn)，指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。

表2 倍頻器性能比較

5 結(jié)論

基于混合集成技術(shù)，采用混頻二極管TSC-AP-03020 設(shè)計(jì)了W 頻帶全波段三倍頻器，為實(shí)現(xiàn)模塊電路的高性能，考慮到二極管各種寄生參數(shù)的影響，結(jié)合二極管物理結(jié)構(gòu)，采用電磁場(chǎng)仿真軟件和電路仿真軟件相結(jié)合的分析方法，基于一體化的設(shè)計(jì)理念，優(yōu)化設(shè)計(jì)各模塊電路的匹配網(wǎng)絡(luò)，研制出了高倍頻效率的倍頻器。W 波段倍頻器在100GHz 測(cè)得最高倍頻效率4.2%。在75-110GHz 倍頻效率典型值為3.5%，倍頻效率響應(yīng)曲線平坦，性能優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品水平，解決了目前W 波段寬帶信號(hào)源的問(wèn)題。

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