1 导言
倍频器是无线电技能高频电路中重要的非线性电路，作为根本的电子器件，被广泛运用于发射机、频率合成器、接收机本振源等各种电子设备中。亚毫米波倍频器能够下降设备的主振频率和扩展作业频段，一起，因为其输出频率能够在输入频率的 n 次谐波上选取，因而所需的输入信号源能够挑选在技能上相对老练的毫米波频段上制造，从而为确保所需的频率稳定度和相噪特性供给了条件，一起，固态倍频器体积小、易于集成而且运用寿命较长。因而，现在小功率的亚毫米波固态源首要依托倍频办法完成。
亚毫米波在长波段与毫米波相重合，而在短波段，与红外线相重合，可见亚毫米波波在电磁波频谱中占有很特别的方位。因为起所在的特别方位，亚毫米波具有一系列特别的性质，在频域上，亚毫米波处于微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。它掩盖各种蛋白质在内的大分子的滚动和振动频率。因而，在学术上有很重要的学术价值，在科学技能上及工业上有许多很诱人的运用：如信息科学方面的超高速成像信号处理，大容量数据传输;资料处理，分层成像技能，生物成像;等离子体聚变的确诊;天文学及环境科学等。而且在国防上也有着及其重要的运用远景。
2 三倍频器的规划
2.1 总体计划
本计划选用规范波导输入，经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规范波导的过渡。计划框图如下：
图1 总体计划图
2.2 传输线和介质基片的挑选
因为本倍频器作业的频率到达220GHz,故传输线选用悬置微带线，其电磁场的大部分会集在空气中，因而其有用介电常数挨近于1,使其电参数与空气线的电参数挨近，挨近于无色散特性;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)，而且此传输线可完成很宽规模的阻抗值，这样利于阻抗匹配。[2]别的，为按捺由不接连带来的高次模，要细心挑选腔体的巨细。
一般来说对基片的要求是微波损耗小、外表润滑度高、硬度强、耐性好、价格低。可用于毫米波频段的介质基片首要有：氧化铝陶瓷、RT/duroid5880、蓝宝石、石英等，别的还有首要用于MM%&&&&&%的砷化稼和磷化锢。关于本文，归纳介质损耗，加工精度，外表光洁度和本钱等方面要素，本文选用石英作为基片，在规划过程中本文就考虑到了国内工艺水平的约束，详细参数如下：
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，结构有两种首要方式：悬置微带探针法向与波导传达方向平行;悬置微带探针法向与波导传达方向笔直。选取的准则是：加工便利，本文依据这一准则挑选悬置微带面法向与波导传达方向笔直的计划。波导终端短路长度取1/4个波导波长以确保探针在波导内处于最大电压，即电场强度最强方位，以到达尽量高的耦合功率以减小插入损耗和回波损耗。
关于本文的倍频器，需求规划两个探针过渡：73GHz输入探针和220GHz输出探针。在归纳考虑按捺高次模，减低从悬置微带到滤波器的不接连性以及加工精度才能之后，本文在输入过渡部分挑选了最为直接的探针过渡结构：没有运用按捺腔，经过减低悬置微带腔体尺度来按捺高次模，而且选用突变探针以下降不接连性。以下为73GHz输入端探针的仿真模型和成果。在70GHz~80GHz规模内插损小于0.05dB,回波损耗大于20dB。
220GHz输出探针过渡也选用了类似的结构，在210GHz~227GHz频带内到达了与以上功用适当的S参数目标。
图2 输入探针仿真模型与成果
2.4 低通滤波器的规划
微带线低通滤波器用于经过基波(71.7~75GHz)，并阻挠由并联二极管对发生的三次谐波(215~ 225GHz)信号由微带线返回到输入电路，在此使用凹凸阻抗线结构完成该低通滤波器。因为该滤波器作业频率较高，在规划时发现高阻线极细(0.02mm)，这对加工精度有较高的要求。本规划挑选的是石英基片，能够到达该精度要求。使用HFSS仿真的成果如下图，从仿真成果可看出该滤波器对基波的损耗小于0.15dB，对三次谐波的按捺度在40dB以上，对二次谐波的按捺度在25dB以上，这阐明在该低通滤波器后的二极管对发生的谐波信号根本不会走漏到输入端。
图3 LPF仿真模型与成果 2.5 输入和输出匹配
关于输出的波导匹配和输入的微带匹配的规划，先在ADS中使用谐波平衡法确认输出阻抗和输入阻抗，然后凭借HFSS的仿真功用，使波导电路和悬置微带线完成匹配。在ADS中扫描二极管对后的负载电阻巨细和微带线宽，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中树立模型，在装置平衡二极管对的方位设置集总参数端口，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杂乱结构中的嵌入阻抗。
需求留意的是，因为二极管的宽度大于之前选定的悬置微带腔体宽度，所以需求在放置二极管对出扩展腔体，该不接连性形成的功用恶化需求尽量下降到最低程度。
别的，二极管对之前的低通滤波器输出端关于三次谐波来说适当于一个段路面，三次谐波会在滤波器的输出端与平衡二极管对的输入端来回反射，这样一来，三次谐波功率会在某些频点彼此叠加和抵消，极有或许导致在最终输出频带内呈现低功率点。所以在仿真时需规划低通滤波器后到二极管对的长度以防止上述情况的呈现。
下图为从二极管放置方位处到输出部分的仿真模型和成果：
图4 输出部分仿真模型与成果
从成果能够看出220GHz信号从二级管处到输出端的回波损耗大于11dB,插损小于0.5dB。
需求阐明的是，为放置二极管而扩宽的腔体在上图只画出与输出探针相连的一半，与低通滤波器相连接的一半没有画出。放置二极管的腔体部分对基波信号的回波损耗大于15dB，插损小于0.2dB。
2.6 体系全体仿真
把之前HFSS中仿真的输入输出探针和滤波器，输出部分以S2P方式带入到ADS中进行全体仿真，选用的二极管为DBES105a。设其输入功率为15dBm，在频带215~225GHz，输出功率为0.6dBm。其仿真模型与仿真成果如下图：
图5 全体仿真结构与成果
3 定论
本文使用HFSS和ADS仿真软件进行仿真和优化，评论了220GHz三倍频器的规划。该倍频器结构比较简单，但因为频率较高，悬置微带的尺度及腔体尺度都十分小，在规划时需求考量加工精度和差错的问题，在规划过程中就需求作出一些折中的处理，我将在今后的研讨中持续剖析并尽量减小这种影响。
