一种新颖的任意次谐波倍频器的设计与实现

刘杨麟　钱敏

摘要：本文介绍了作者设计并实现一个基于非线性传输线的任意次谐波倍频器的原理和主要技术指标，描述了倍频器的设计、仿真和实现过程。基于非线性传输线技术的任意次谐波倍频器具有倍频次数高、输出频带宽、适用范围广、更高的截止频率和更小的附加相位噪声，且便于集成化，易于调试等优点。可应用于各种高速、宽带系统，如皮秒分辨率采样电路、微波以及毫米波信号源等。

关键词：非线性传输线 倍频 任意次谐波

中图分类号：TN771 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）09-0149-02

1 倍频器原理与非线性传输线理论概述

倍频器在微波射频电子设备中有着广泛的应用，它可以实现输入信号的任意次倍频，在仪器设备中常常是扩展频带的关键器件。倍频器工作原理是基于器件的非线性特性，任何非线性器件，当信号加于其上时，都会产生谐波[1]。非线性传输线是由周期加载反向偏置二极管的共面波导组成，如图1所示。非线性传输线有三个基本特性：非线性，色散性和损耗，这三个特性相互影响相互制约[2]。

实践证明，非线性传输线技术是用来扩展现有设备频率带宽的有效手段。利用非线性传输线上的孤子波分解这一特性，用足够长的传输线级数，将每一个孤子波相互完全分开，来实现脉冲压缩，产生丰富的谐波分量。

2 倍频器的设计目标与性能参数

输入信号频率：fin=100MHz；输入信号功率：Pin=21dBm；实现倍频次数：2～15次；输出谱线功率：Pn≥-15dBm；附加相位噪声：不大于2dB@15次倍频偏离载波1KHz处。

3 非线性传输线倍频器的设计

为了尽量缩小电路尺寸，用较短的级数实现高阶的脉冲压缩，我们采用一种称为逐级收敛非线性传输线的非均匀的孤子波非线性传输线。这种类型的非线性传输线的Bragg截止频率逐级提高，这样能够加强主脉冲波形，抑制级联非线性传输线末级所产生的一些次级脉冲串。它的结构如图2所示，它的Bragg截止频率是逐级收敛的几何级数，即第级的Bragg截止频率为[3]：

其中k为收敛因子，这种情况下，每一级传输线的Bragg截止频率都比前一级略大一点，每一级都实现较小比例的脉冲压缩。

4 非线性传输线倍频器的仿真与实现

本案采用Alpha公司的SMV-1139系列超突变结变容二极管和高品质因数贴片电感等分立器件来实现非线性传输线任意次倍频器。我们设定任意次谐波倍频器采用100MHz正弦信号作为信源输入，并实现输入频率的最高15次谐波倍频（0.1～1.2GHz）。由于实际设计时需要考虑到电路尺寸不能过大，因此传输线级数n确定为28级。

如图3所示为电路原理图，传输线级数n=28，图中Ld为直流偏置电路馈电电感，取值10uH；C1，C2为隔直流电容，取值C1=C2=100pF；C3，C4为去藕电容，取值C3=100pF，C4=10uF；D1～D28为变容二极管，二极管模型采用Alpha公司的SMV1139-011超突变结变容二极管（二极管参数为、、、）；L0～L28为非线性传输线电感，电感采用Q值为60的高品质因数贴片电感，每一级的电感值随收敛因子平方k2逐级收敛：

根据逐级收敛非线性传输线输入级Bragg截止频率与输入信号频率的关系得，经过计算，我们得到收敛因子k=0.91，并确定输入级电感L0取值为330nH，利用ANsoft Designer对电路进行仿真。

我们把输入信号功率设定为21dBm，电路的偏置电压为3V，仿真结果如图4所示。

从图4中可以看出，输出脉冲的幅度为4.94V，半幅脉冲宽度为530ps；从频谱图中可以看出输出频谱在1.5GHz（15次谐波）处的谐波功率为-13.19dBm。

我们对电路进行进一步的优化仿真，并结合实际分立元器件的其他参数，最终根据仿真结果，我们选用了板材厚度h=0.5mm，相对介电常数εr=3.48，tand=0.002的Rogers4350B双面附铜箔聚四氟乙烯板材，并采用表层镀金工艺，作为本案倍频器的基板板材，应用计算机辅助设计软件计算出特性阻抗为50Ω、w=1.2mm、g= 1.6mm的共面波导。制作出电路板后将元器件安装到电路板中。如图5所示为任意次谐波倍频器的局部实物图。

经测试，当输入信号功率Pin=21dBm时，输出的15次谐波的功率为-11.79dBm，产生了1dB的附加相位噪声。如图6所示倍频器输出信号测试图。

5 结语

本案所设计并实现的基于非线性传输线的任意次谐波倍频器达到了预期设计目标，并且各项性能参数优于预先设定的性能指标。采用非线性传输线实现的任意次谐波倍频器与传统倍频方法实现的梳状谱信号发生器相比，具有倍频次数高、高次谐波输出功率大、输出频带宽、适用范围广、具有超低附加相位噪声，且易于调试等优点，在电子通信领域具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]费元春.固态倍频[M].高等教育出版社，1985.9：1-13.

[2]Michael Garth Case. Nonlinear Transmission Lines for Picosecond Pulse， Impulse and Millimeter-wave Harmonic Generation.[J].University of California Santa Barbara，1993.

[3]Ehsan Afshari， Ali Hajimiri. Nonlinear Transmission Lines for Pulse Shaping in Silicon.[J].IEEE Journal of Solid-state Circuits，2005（3）：744-752.