第五章微波倍频器

第五章微波倍频器主要内容引言变容二极管及阶跃恢复二极管倍频器基本理论变容二极管倍频器阶跃恢复二极管倍频器肖特基势垒二极管倍频器微波晶体管倍频器§5.1引言倍频器的工作原理

把输入频率的正弦波能量通过非线性器件（如非线性电阻、电容），使其输出波形发生畸变，产生的各次谐波，再用滤波电路把所需要的谐波能量取出送到负载。倍频器用途

多用在微波和毫米波发射机和接收机电路，以产生在基频振荡器上无法获得的高频率信号源。

1）杂散抑制（波形纯度）所需频谱幅度与杂波频谱幅度之比，单位：dB；2）工作频率及倍频次数工作频率：输入/输出频率；倍频次数：输出频率与输入频率的比值。3）输出功率倍频器在一定输入功率情况下的输出功率；4）变频损耗（效率）

输出所需谐波功率与输入基波功率之比；dB——变频损耗，百分数——效率；5）驱动功率能使倍频器正常工作的最小输入基波信号功率；6）带宽一般以输出功率下降3dB的频率变化范围表示；7）输入、输出驻波比表征倍频器输入、输出端口匹配性能的技术指标，理想值为1。倍频器主要技术指标8)倍频器的噪声

来自倍频器的外部——主振器（如有振荡、放大、功放引入的噪声）。来自倍频器的内部。理想倍频产生的噪声，即n次倍频源的相位噪声比输入基波信号增加n2倍，或倍频器的类型非线性电阻倍频；非线性电抗倍频（变容二极管非线性电量Q-V特性实现参量倍频、变容二极管非线性电容倍频、阶跃恢复二极管(SRD)倍频、雪崩二极管非线性电感倍频）；有源倍频，即同时利用有源器件获得谐波和增益，如砷化镓场效应管，异质结双极管，高电子迁移率晶体管等，其倍频机理是跨导传输函数的非线性（偏置与放大不同）；利用宽带单片放大器的非线性产生谐波，并放大谐波构成宽带倍频（饱和倍频，偏置与放大相同）；利用强迫同步现象，将振荡器注入锁定在基准频率n次的谐波上，实现倍频(注锁)；非线性传输线（NLTL）倍频。§5.2变容二极管及阶跃恢复二极管

变容二极管是一种结电容随外加偏压非线性变化的二极管。变容二极管的非线性电容可以采用PN结或肖特基结形成，如无特别说明，变容管一般指PN结型的二极管，它可用于微波压控振荡器、微波倍频器、微波移相器、微波上变频器及微波限幅器等。变容二极管PN结结电容形成的原理

PN结电荷分布图

正偏Cj

反偏Cj

变容二极管其中，A为结面积；W为空间电荷层宽度；为半导体的介电常数。PN结的结电容，也叫做势垒电容，表示为PN结的结电容为变容二极管的结构(a)平面管芯结构(b)台面管芯结构变容二极管管芯结构图变容二极管的等效电路变容二极管的等效电路

表征变容管性能的静态电参数损耗电阻：管子的损耗，一般在1Ω左右。

反向击穿电压VB：一般定义为反向电流达1µA时的反偏电压值。它限制了二极管的激励电平，一般适用范围在VB

≤v≤之内。功率容量：为了提高变容管的功率容量，应提高其击穿电压、降低热阻。结电容Cj

：对任意杂质浓度分布的PN结，其结电容是外加电压的函数，其关系如下：M是PN结中低参杂端杂质分布指数；是PN结的电容-电压斜率系数表征变容管性能的静态电参数根据

的不同，常将变容管分为以下四种不同类型：=1/15～1/30，称为阶跃恢复结；

=1/3，称为线性缓变结；

=1/2,称为突变结；

=1/2～6，称为超突变结。高次倍频用阶跃恢复结；限幅和倍频应选缓变结二极管；参量放大应选用突变结二极管；电调谐则选超突变结二极管，其中

=2的超突变结二极管用得最多。因为这时结电容与偏压的平方成反比，由它构成的电调谐振回路的谐振频率与电压成线性关系。表征变容管性能的静态电参数品质因数Q：品质因数的物理意义是变容二极管储存能量与耗散能量的比值，可由下式表示：截止频率：当Q值降为1时对应的频率，表达式如下：

自谐振频率：封装变容管的等效电路具有谐振电路形式，定义变容管的串联自谐振频率和并联自谐振频率分别为阶跃恢复二极管阶跃恢复二极管简称阶跃管（StepRecoveryDiode，缩写为SRD）是一种具有很强非线性电容特性的二极管；电容调制系数

=1/15～1/30的变容二极管；多用于高次倍频器，梳状频谱发生器、频率合成器及锁相固态源中；另外，还可用来产生极窄的脉冲（脉冲宽度可窄到几十微微秒）——在毫微秒脉冲发生器、取样示波器等脉冲技术领域的应用也很广泛。阶跃恢复二极管特性SRD的杂质分布图普通二极管和SRD电流波形比较结构特点：高掺杂的P型、N型材料之间加了一层低掺杂的N型半导体阶跃二极管的主要电参数阶跃时间tt

：阶跃管的反向电流Ir从0.8Ir降至0.2Ir所需的时间——阶跃管获得高次倍频的关键参数；tt越小，高次谐波越丰富，倍频效率越高。阶跃管能有效地产生谐波的上限频率以阶跃时间的倒数来定义，即f上=1/tt；少数载流子寿命：停止注入后，少数载流子的平均存在时间，它定义为少数载流子浓度减少到初始值的1/e所经历的时间。也可采用储存时间ts来等效。储存时间ts定义为电压开始反向到反向电流Ir降至0.8Ir的这一段时间，即反向电流阶跃开始前的一段持续时间。

阶跃管能有效地产生谐波的下限频率以少子寿命的倒数来定义，即f下=1/

；

式中，If

——正向注入电流；Ir——反向抽取电流。阶跃二极管的等效电路SRD的等效电路（C0很小——电抗性开关）大电容小电容反偏时，结电容接近为一个不变的小电容C0正偏时，形成大电容即相当于一个电抗开关§5.3倍频器基本理论非线性电阻倍频理论非线性电抗倍频理论二极管平衡倍频电路原理Taylorseries泰勒级数:非线性电阻倍频理论特点：1、器件容易获得，可采用与混频器相同的器件，混频二极管用量大，价格便宜。2、倍频损耗较大，按1/n2估计。3、用于低次倍频，n≤4。4、可用对管减小某些谐波，而使有用的谐波增强。比如用反向并联二极管对实现奇次倍频。5、噪声低，常用于低噪声倍频，或低噪声倍频链的开始几级。6、要求的输入功率较小，便于降低功耗。7、可直接用商品化的混频器经简单变换而成，实现容易，便于匹配。比如用商品化的双平衡混频器作为偶次倍频（把本振和中频端口相连接为输入，从RF端口输出）。8、带宽宽，可作宽带倍频。9、稳定，不会产生振荡。

非线性电抗倍频理论按照所使用的器件可分为二极管倍频器和晶体管倍频器非线性电抗性二极管倍频器常采用变容二极管和阶跃恢复二极管。变容管倍频器适用于低次倍频，其效率较高，理论上可达100%。阶跃管倍频器多用在高次倍频场合，由于它不需要空闲电路（变容管倍频所需），因而电路结构相对简单，其倍频次数可达100次以上。倍频器的组成二极管倍频器方框图

二极管平衡倍频电路原理两只同样的二极管相对于输入和输出信号分别以反向并联和串联形式接入。这种电路实际上是一种全波整流电路。其中在输入信号的半个周期一只二极管导通而在另半周期另一只二极管导通。二极管平衡电路原理图流经每个二极管的电流分别为式中，为反向饱和电流；；n是理想因子；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；是二极管的效率常数；是温度的等值电压。流入反向并联二极管对的总电流就可以写为取并代入上式并将其展成级数形式为

式中，是第一类（2n+1）阶Bessel函数。方程意味着流入反向二极管对的总电流不存在直流项，而且只包含基频和奇次谐频分量。二极管平衡倍频电路原理流经负载电阻RL的电流为同样将关系代入并借助Bessel函数展开上式，就可得到式中，，，1，2，，为第一类n阶修正Bessel函数。平衡倍频器特点——

适合作偶次倍频器；

呈现奇、偶次谐波相互隔离的优点，即基频和奇次谐频只在输入端口出现而输出端口只有偶次谐频；

输入与输出信号之间的隔离程度受两只二极管的平衡度的影响；变容管倍频器电路：并联电流型和串联电压型。(a)并联电流激励型(b)串联电压激励型并联型：变容管一端接地，便于散热，适用于大功率倍频器；若为突变结变容管并工作于结电压不超过VB及的范围时，只有2次谐波上有功率输出；若要实现高次倍频，必须在电路中设置空闲电路串联型：变容管不接地，适用于平面电路；损耗小，效率高；易实现高次倍频§5.4变容二极管倍频器变容管高次倍频器结论：对

=2的突变结变容管，如果没有空闲回路，则不能实现高次倍频。如对三次倍频器，由于有二次谐波的空闲回路存在，二次谐波电流通过空闲回路流回变容管，在非线性电容的变频作用下与基波电流再次混频产生所需要的三次谐波，从而完成三次倍频。空闲电路起着能量转换的作用。之所以突变结变容管在没有空闲电路时只能完成二次倍频，是因为这时变容管q-v特性是平方律关系的缘故。如果加大激励信号，变容管在信号周期的部分时间里呈现导通状态，其端电压会因为限幅而出现高次谐波，引起q-v特性高次非线性项的出现，使没有空闲电路的突变结变容管也能完成高次倍频。变容管高次倍频器对于非突变结变容管，原则上，不设置空闲电路也可以完成高次倍频。但实际上，为了充分利用中间谐波能量，提高倍频效率，往往都需加空闲电路。空闲电路的设置增加了电路的复杂性，给电路的设计、安装和调试都增加了难度，因而一般空闲电路的设置大多不超过三个。为了提高高次倍频器的效率和输出功率，还可以增加输入信号电平和选择合适的负偏压，使变容管在所谓过激励状态下工作。变容管倍频器电路设计基本原则输入电路应使源阻抗与变容管的输入阻抗共轭匹配，且只能使基波信号通过，而反射所有的谐波信号。输出电路应使变容管的接入位置与负载阻抗共轭匹配，输出电路只能通过所需谐波分量，而反射基波和其余的谐波。变容管在电路中的位置确定：根据输入、输出均达到共轭匹配的要求来确定的。变容管倍频器电路设计基本原则空闲电路一般就设在变容管的附近，为了充分利用空闲谐波频率的能量使其有效地转换成所需谐波的能量，按管子接入电路形式的不同，则管子处在空闲电路的位置也有所不同。偏置网络的接入应尽量不影响电路中射频的正常工作。变容管倍频器设计中要注意的问题最高效率是在低功率电平和高功率电平之间的过渡区内获得的。由于输入功率容易得到，低输入频率的倍频器要求最大输出功率是最佳状态。高输入频率倍频器应设计为效率最高，因为输入功率价格昂贵，这就要求器件和电路两者都最佳。倍频器设计举例例5.1设计一个从1GHz倍频到3GHz的(1-2-3)倍频器

所采用的变容管参量如下：零偏压总电容=4.91pF，击穿电压=

80V，动态截止频率=70GHz，管壳封装电容=0.11pF，引线电感=0.2nH，接触电压=0.5V，非线性系数=1/3。

解：采用激励状态系数D=1.3，则查附录VI中的表2可得其计算参量分别为：=9.0，=0.0281，=0.170，B=0.0753，Cmin/C01=0.54，Cmin/C02=0.5，Cmin/C03=0.52，=0.29于是可以算出:=

=4.91

0.11=4.8pF倍频器设计举例变容管效率最大输出功率变容管偏置电压

变容管输入电阻

=0.88pF

=0.0281×2×3.1416×1×109×0.88×10

12×(80.5)2=1.02W=0.29×（

80）=23.2V

=30.8Ω倍频器设计举例变容管输出电阻变容管基波等效电容变容管二次谐波等效电容

变容管三次谐波等效电容=13.6Ω=1.74pF=1.87pF=1.8pF

倍频器设计举例输入电抗

输出电抗空闲电抗根据以上数据，即可对倍频器的输入、输出与空闲电路进行设计。传输线方式可根据所采用管子的封装形式、设计要求选择微带线、带状线或腔体等形式来实现。

=91.5Ω

=29.5Ω

=42.6Ω

微波变容管倍频器电路(a)电路原理图(b)变频损耗微波变容管4倍频器电路微波变容管倍频器电路微带四次倍频器§5.5阶跃恢复二极管倍频器多用于高次倍频（倍频次数可高达20次），且倍频效率较高，其倍频效率约为1/n；与变容管倍频器相比：变容管倍频器的变频效率随倍频次数的增加，效率下降很快；而且变容管的高次倍频器电路，需加空闲电路，电路复杂。阶跃恢复二极管多用于需要高效率高阶倍频器的场合，是微波接收机和测量仪器中的本振源常用的倍频方式之一。§5.5阶跃恢复二极管倍频器两种电路模型；与变容二极管倍频器电路形式相同，只是不需要空闲回路。设计仍按输入、输出共轭匹配原则；并用滤波器选出所需信号频率，抑制无用的谐波。利用阶跃二极管的电抗开关特性：利用电抗开关特性阶跃管倍频器原理框图及各级波形

用一激励电感，在阶跃二极管处于正向低阻抗状态时电感储存能量；而当其处于反向高阻抗状态时电感在瞬间释放能量，形成一频谱极宽的窄电压脉冲。另用谐振电路使其能量集中于所需谐波附近，以获得高效输出。

激励电感类似整流器，而SRD类似启辉器。触片导通时，相当于SRD正向大电容，触片断开时相当于SRD反偏小电容。SRD倍频器在工作期间是连续周期性工作，而启辉器只在日光灯启动时工作若干次。阶跃管倍频器电路分析阶跃管脉冲发生器阶跃管倍频器电路分析根据SRD脉冲发生器在导通和阶跃期间的等效电路图，可列出回路方程并假定电感中的起始电流为，且当时，产生阶跃。则解电路方程后有：导通期间：阶跃期间：式中

阶跃管倍频器电路分析适当选择激励电感和，对一定的阶跃管使<1，则为衰减振荡。那么负载上的电压也是一衰减振荡，表达式为

脉冲发生器的输出平均功率为

阶跃管倍频器电路分析正弦电压激励阶跃管脉冲发生器输入电压、管子电流及端电压波形

一个正弦波信号加到SRD上时：正半周，正向导通，端压钳位于

，电流较大，N层中储存大量的容穴电荷。负半周开始时：N层空穴被拉回P+层中，形成大的反向电流，端压维持于

。负半周最后：储存的电荷耗尽，电流减小到很小的反向饱和电流，即突然截止，产生负脉冲电压。结论：SRD相当于一个脉冲电压发生器，其间隔为输入信号周期。脉冲发生器时域及频域图特点：1、2、N越大，tp愈窄，频谱宽，谱线电平差异越小。接阻性负载可实现梳状谱发生器。3、用滤波器可将所需的第N次谐波选出，但这样输出能量较小，应设法把脉冲的总能量转换成为所需的第N次谐波能量。阶跃管倍频器电路分析脉冲发生器的输入导纳式中，L为激励电感值，、分别称为电阻系数和电抗系数，它是和n的函数。通常估算输入阻抗时，可以近似认为、，即。为此可用一调谐电容将电感分量补偿，则输入阻抗为谐振电路

常用谐振电路1、SRD产生的脉冲沿线向负载传播到终端时，由于Zc<Z2，负载只吸收部分能量，另一部分能量被反射回去。2、因为传输线长度等于

N/4，脉冲回到SRD所需时间为TN/2，这时SRD已处于导通状态，等效于短路，因而再次被反射，并以相反的相位又向负载传输。3、到达负载时按前一次同相位再次交出部分能量后又反射回SRD。4、来回反射的结果，最后在负载上形成一个谐振频率为

N（对应周期TN）的阻尼振荡波形。工作过程：

§5.6肖特基势垒二极管倍频器原理：依赖于肖特基二极管的非线性特性。这种二极管同时具有电容和电阻两种非线性特性。电路：

按照阻抗匹配原则来进行设计；

滤波电路抑制不需要的杂波信号；可利用平衡倍频电路，通过两只性能相同的二极管在电路中的不同接法，消除奇次或偶次谐频，从而提高倍频效率。

毫米波肖特基二极管二倍频器MMIC

(a)MMIC照片(b)电路原理图94GHzMMIC单个二极管二倍频器

毫米波肖特基二极管二倍频器MMIC94GHzMMIC倍频器设计与测试结果比较

毫米波宽带平衡混频二极管二倍频器

Q-W频段平衡倍频器的电路布局毫米波宽带平衡混频二极管二倍频器实测倍频器输出功率与输出频率关系实测的倍频器输入端的回波损耗§5.7微波晶体管倍频器

FET倍频原理场效应晶体管中，产生谐波的非线性作用主要有：栅-源和栅-漏的非线性电容Cgs和Cgd；漏极电流Ids被限幅引起的非线性；Vds-Ids的非线性变换特性；输出电导的非线性。

双极性晶体管也可实现倍频微波晶体管倍频器以单栅场效应管利用其漏极电流的限幅作用为例分析实现其高次倍频的机理单栅FET倍频器原理电路1）

A类倍频：限幅效应得到半波，导通角平均直流分量为微波晶体管倍频器根据栅偏压的不同，可分为A类、B类和AB类三种倍频工作状态。2）

B类倍频：管子夹断效应得尖峰脉冲电流，平均直流分量为（损耗小，效率较高，不易自激，高次倍频）3）

AB类倍频：限幅+夹断效应得近似对称方波，（放大区，效率高，易自激）微波晶体管倍频器AB类倍频器的效率比A类倍频和B类倍频器高，但AB类倍频器得不到偶次谐波。另由于AB类倍频器工作于放大区，存在工作电流大、易自激的缺点。FET倍频器常采用B类工作方式。微波晶体管倍频器B类FET倍频器设计B类FET倍频器的等效电路模型微波晶体管倍频器由于B类倍频器，其导通角为π。若假定漏极电流波形是半余弦函数形式，则有式中，

是漏极电流脉冲的持续时间（脉宽），则该傅里叶级数可以表示为

其系数为

，

（5.140b）

（5.140a）

微波晶体管倍频器系数In代表谐波频率n

0的漏极电流，所以倍频器的最大效率是使In取极大值。In的最大值随着n值的增加而下降，所以这种类型的电路通常限制在二倍频器或三倍频器中。对于给定的n值，In/Idm