220GHz无源三倍频器设计

上，亚毫米波处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，处于电子学向光子学的过渡。它的量子能量很低，信噪比很高，频率极 宽。它覆盖各种蛋白质在内的大分子的转动和振荡频率。因此，在学术上有很重要的学术价值，在科学技术上及工业上有很多很诱人的应用：如信息科学方面的超高 速成像信号处理，大容量数据传输;材料处理，分层成像技术，生物成像;等离子体聚变的诊断;天文学及环境科学等。而且在国防上也有着及其重要的应用前景。

2 三倍频器的设计

2.1 总体方案

本方案采用标准波导输入，通过悬置微带探针过渡，接低通滤波器，在低通滤波器末端接输入匹配段，后接同向并联的二极管对，之后输出结构为悬置微带到标准波导的过渡。方案框图如下：

　　图1 总体方案图

2.2 传输线和介质基片的选择

由于本倍频器工作的频率达到220GHz,故传输线采用悬置微带线，其电磁场的大部分集中在空气中，因而其有效介电常数接近于1,使其电参数与 空气线的电参数接近，接近于无色散特性;而且介质的损耗大大减小了，故具有比微带线更高的Q值(500~1500)，而且此传输线可实现很宽范围的阻抗 值，这样利于阻抗匹配。[2]另外，为抑制由不连续带来的高次模，要仔细选择腔体的大小。

一般来说对基片的要求是微波损耗小、表面光滑度高、硬度强、韧性好、价格低。可用于毫米波频段的介质基片主要有：氧化铝陶瓷、 RT/duroid5880、蓝宝石、石英等，另外还有主要用于MMIC的砷化稼和磷化锢。对于本文，综合介质损耗，加工精度，表面光洁度和成本等方面因 素，本文采用石英作为基片，在设计过程中本文就考虑到了国内工艺水平的限制，具体参数如下：

相对介电常数=3.78，基片厚度h=0.1mm，损耗角正切tan=0.0027。

2.3 悬置微带与波导的过渡结构

悬置微带线到波导的过渡，结构有两种主要形式：悬置微带探针法向与波导传播方向平行;悬置微带探针法向与波导传播方向垂直。选取的原则是：加工 方便，本文根据这一原则选择悬置微带面法向与波导传播方向垂直的方案。波导终端短路长度取1/4个波导波长以保证探针在波导内处于最大电压，即电场强度最 强位置，以达到尽量高的耦合效率以减小插入损耗和回波损耗。

对于本文的倍频器，需要设计两个探针过渡：73GHz输入探针和220GHz输出探针。在综合考虑抑制高次模，减低从悬置微带到滤波器的不连续 性以及加工精度能力之后，本文在输入过渡部分选择了最为直接的探针过渡结构：没有使用抑制腔，通过减低悬置微带腔体尺寸来抑制高次模，并且采用渐变探针以 降低不连续性。以下为73GHz输入端探针的仿真模型和结果。在70GHz~80GHz范围内插损小于0.05dB,回波损耗大于20dB。

220GHz输出探针过渡也采用了相似的结构，在210GHz~227GHz频带内达到了与以上性能相当的S参数指标。

　　图2 输入探针仿真模型与结果

2.4 低通滤波器的设计

微带线低通滤波器用于通过基波(71.7~75GHz)，并阻止由并联二极管对产生的三次谐波(215~ 225GHz)信号由微带线返回到输入电路，在此利用高低阻抗线结构实现该低通滤波器。由于该滤波器工作频率较高，在设计时发现高阻线极细 (0.02mm)，这对加工精度有较高的要求。本设计选择的是石英基片，可以达到该精度要求。利用HFSS仿真的结果如下图，从仿真结果可看出该滤波器对 基波的损耗小于0.15dB，对三次谐波的抑制度在40dB以上，对二次谐波的抑制度在25dB以上，这说明在该低通滤波器后的二极管对产生的谐波信号基 本不会泄露到输入端。

　　图3 LPF仿真模型与结果

2.5 输入和输出匹配

对于输出的波导匹配和输入的微带匹配的设计，先在ADS中利用谐波平衡法确定输出阻抗和输入阻抗，然后借助HFSS的仿真功能，使波导电路和悬 置微带线实现匹配。在ADS中扫描二极管对后的负载电阻大小和微带线宽，观测3次谐波功率，得到在悬置微带线宽为0.2mm左右时3次谐波输出最强。然后 在HFSS中建立模型，在安装平衡二极管对的位置设置集总参数端口，端口阻抗设为在ADS中算得的平衡二极管对的输出阻抗，将此作为平衡二极管对在此复杂 结构中的嵌入阻抗。

需要注意的是，由于二极管的宽度大于之前选定的悬置微带腔体宽度，所以需要在放置二极管对出扩大腔体，该不连续性造成的性能恶化需要尽量降低到最低程度。

另外，二极管对之前的低通滤波器输出端对于三次谐波来说相当于一个段路面，三次谐波会在滤波器的输出端