谐波发生器的设计

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摘 要：本文介绍了阶跃恢复二极管的非线性特性及其等效模型，谐波发生器的工作原理、电路组成、电路基本参数的计算方法，给出了激励频率为1GHz 谐波发生器的测试数据。

1 引言


谐波发生器是一种输入一个射频信号就能产生丰富谐波的器件，是电子领域中常用的一种非线性元件。它利用足够大的功率推动阶跃恢复二极管（Step recovery diode，SRD，简称阶跃管）以产生各次谐波并满足一定的输出功率要求。在实际应用中可根据需要选择单个或多个谐波分量，或者通过电子开关在多个谐波分量间切换输出。它在微波技术领域有着广泛的应用，经常用于高次倍频器、频率计数器、矢量网络分析仪、取样示波器、频率合成器以及电子战设备中。

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2 阶跃管特性及等效电路
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3 u) c; V5 F4 X+ d, v阶跃管的电压电容特性曲线如图1 所示，它表示阶跃管相当于一个电容开关。二极管正向偏置时的大电容状态及反向偏置时的小电容状态相对应的这两个状态，使人们能把阶跃恢复二极管看作简单的、高效的、可控制电荷的开关。阶跃管的特性参量主要有以下几个：

/ \) l+ ^+ k) ]1 G1）阶跃时间tt，是指反向电流从80%降低到20%所用的时间。tt 越小，电流跃变速度越大，形成的脉冲越窄，输出的谐波分量越丰富。阶跃时间tt 决定了输出频率的最大值，要求tt10/ωi。

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3）动态电阻Rs（即串联损耗电阻），是指正向的某个稳定状态下阶跃管上的电压微小增量和电流微小增量之比。选择Rs 尽可能小的阶跃管，以使在阶跃管输入电阻的损失减至最小，一般Rs 值为0.5～5Ω 之间。
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4）反向结电容Cj，随PN 结上所加电压改变。正向时电容值很大，反向时Cj 很小。在输出频率fn上应有Rs ?1/2πfnCj。在手册中一般给出一定频率和一定偏压时Cj 的测量值，Cj 一般定义为-6V 偏压下的电容值。
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5）击穿电压VB，它决定了脉冲幅度和允许的最大输入电压。因为Po∝VB?，可以通过提高VB 来达到较大的输出功率，但过大会影响截止频率，一般VB 在15～30V 之间。


6）正向电流If ，在给定的正向偏压下，正向电流幅度越大，产生的正向储存电荷越多，反向脉冲电流越大，输出功率也增加。
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; X6 V- F. Y* `6 T7）最大耗散功率PDmax，它决定最大输入功率。PDmax、VB 和If 特性参量一起决定了阶跃管允许的最大输入功率和输出功率。


$ [) L( p5 i( q2 T) y" o$ V5 u7 d图1 阶跃管电压电容特性

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+ o9 N: N+ l! I, O6 h图2 表示阶跃管正向激励时的等效电路，其中图2（a）为正向激励时的实际电路。少子的寿命越长，ir 越小，Rf 就越大。在理想的阶跃管中η 很大，Rf 可看作开路，Rs 很小可忽略，Cs 很大则容抗很小，并且当信号幅度很大时，与信号幅度相比，可认为ф≈0。这样，理想化的等效电路可以看成短路，如图2（b）所示。

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                 （a）实际电路 （b）理想化
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5 i. R3 q" z  y: Z图2 阶跃管正偏等效电路


当阶跃管上所加电压变成反向电压时，一旦储存的少数载流子全部返回，扩散电容消失，只存在很小的势垒电容Cj0，因而呈现很大的容抗，使反向脉冲电流很快阶跃至零，阶跃管处于截止状态。图3 表示阶跃管反向激励时的等效电路，其中图3（a）为反向激励时的实际电路，图3（b）为反向激励时的理想化电路。
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图3 阶跃管反偏等效电路
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3 谐波发生器的工作原理
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一个典型的由并联型阶跃管形成的谐波发生器的原理方框、电路图以及各级时—频域波形如图4所示。频率为f1 的正弦波信号源把能量送入阶跃管脉冲发生器，阶跃管脉冲发生器将每一个输入周期为T1 的信号能量转变为一个狭窄的具有丰富谐波的大幅度脉冲，其脉冲宽度为tp，宽频谱信号的能量是分散在各个谐波分量上的。

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图4 谐波发生器原理图、电路图及各级频谱图
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输入信号经过偏置电路，匹配电路和阶跃管脉冲发生器后产生了频谱极宽的窄脉冲信号。偏置网络给阶跃管提供一个合适的偏压值，使得阶跃管正好在负电流最大的瞬间产生电流阶跃，从而得到尽可能大的阶跃电流。输入匹配网络使得输入信号源内阻和阶跃管（包括激励电感L）阻抗实现共轭匹配，保证输入电压有效的加到阶跃管上，这是能否获得高的输出功率和效率的关键之一。阶跃管的作用是把输入信号的能量转变为一个狭窄的具有丰富谐波的大幅度脉冲。激励电感L 的作用是在阶跃管导通时存储能量，而在截至瞬间将能量转换为脉冲能量。激励电感L 和调谐电容Ct 谐振在信号源频率f1 上，选择适当的调谐电容Ct 能使脉冲发生器的输入阻抗为纯电阻性阻抗。


0 d! r* i' B* H2 Y% R1 T3 b3 x6 q7 B4 谐波发生器的仿真与优化
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为了实现系统提出的输入1GHz 输出9 ～18GHz 的要求，即最高倍频次数为18，阶跃恢复二极管应满足以下要求：输出频率fn=18GHz，应选tt1.6ns；

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输出频率为18GHz 时，Cj 的取值为0.15～0.4pF。根据上面的计算和实际情况，可以选择Mpulse 公司的MP4021 型阶跃恢复二极管。具体参数如表1所示。
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  _+ A+ V; [. ]通过ADS 软件对电路中各元件的调试优化，得到激励电感、谐调电容、匹配网络和偏置电阻的元件值。最后经过多次迭代优化并将电容电感值转换为相邻的标称值，ADS 软件仿真原理图如图5 所示，优化后得到谐波发生器输出频谱曲线如图6 所示。
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由图6 可知，18GHz 输出时功率为-8.9dBm，各次谐波间衰减不是很大。该谐波发生器频谱纯度较高，倍频效率也较高。
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2 `% _! N* `: [4 s, i$ O! e) e图5 优化后的原理图
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3 q7 {% p' ~1 t1 t图6 谐波发生器的仿真输出功率
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. Q, y+ ]8 g% e+ E; y. O5 谐波发生器的实现
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0 {4 V( L) b7 l- j8 J1 V! Z在实现电路时，为了使集总参数元件电容电感实现宽频段的匹配且能工作在高频段，电感需根据仿真数值用绕线金丝来实现，而电容应采用对应数值的芯片电容，以金丝键合到电路中。实物如图7所示。
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图7 谐波发生器的实物图

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为使谐波发生器有足够的功率推动阶跃管以产生各次谐波，谐波发生器前需加一级功放。选型号为AH101 的功放，该功放增益为13dB，P1dB 功率为27dBm。

表2 给出了不同输入功率下测出的各次谐波的输出功率。由表1 可知，输入功率为14dBm 时，18GHz 的输出功率为-13.8dBm，与仿真结果相差不大。
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' A" L9 ~' X- J% C6 结论
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4 [  W- h* U4 U$ ^! s( s6 ]本文介绍了用SRD 实现谐波发生器的设计方法并给出了激励频率为1GHz 谐波发生器的测试数据。在整个电路设计过程中，阶跃管的选取至关重要，它是设计成功的保障。

- i- M9 H1 z! j: r$ H6 c$ K" D作者：王 瑾 许 颖 梁 锋 吴中伟 南京电子设备研究所
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3 Z$ P- Y9 {0 A2 V& C9 c参考文献
& O" |$ f$ O$ Q5 B8 ]0 \[1] Jian Z, Rasanen A V. Computer-aided deign of step recovery diode frequency multipliers [J]. IEEE Trans on MTT, 1996, 44(12):659-662.
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8 e( o& ^' X  T' g, a5 o4 S; J& T7 k微信万人群1.仅限射频人员，不重复加群
2.先加群主，验证后邀请加入
3.需要注明：单位+岗位/方向

# Y; U) d. s' w  o, V射频百花潭专注于射频微波/高频高速技术分享和信息传递。由资深射频专家、深圳兴森快捷射频实验室主任、《ADS2008/2011射频电路设计与仿真实例》《HFSS射频仿真设计实例大全》主编徐兴福建立，该号已经50000人关注，10000人加群，包括IEEE Fellow多名。PCB制板、射频/高速PCB设计、仿真请联系群主。