何庆国 孙静（ 河北半导体研究所，石家庄 050051

    摘要 该组件是将输入信号（15GHz，10dBm） 倍频至30GHz，与本振信号（5GHz，10dBm） 上变频到35GHz，然后进行功率放大输出。其倍频部分采用GaAs PHEMT 有源倍频并进行放大，混频电路采用GaAs 二极管的双平衡混频，滤波放大后由8mm 波导输出。最终结果为输出频率为35GHz，输出功率为17dBm，谐波抑制度大于40dBC，偏离中心频率±200MHz 带宽内，幅度不平坦度小于1.5dB。整个组件尺寸仅为60mm×22mm×15mm。

    关键词 毫米波 倍频器 上变频器 功率 组件

                                                    Millimetr-Wave Doubler Upconverter and Power Amplifier Assembly 

    Abstract This assembly double the input signal （15GHz，10dBm） to30GHz first，then up-convert with LO signal（5GHz，10dBm） to35GHz，finally output the amplified power．Use GaAs PHEMT to perform as active doubler，GaAs diodes perform double balanced mixer．The output power is output through8mm waveguide．The final results are：output power is 17dBm at the output frequency 35GHz，harmonics suppress is higher than 40dB，the flatness of gain is less than 1.5dB between the range of f0±200MHz．The whole assembly dimension is60mm×22mm×15mm．

Keywords Millimeter-wave Doubler Up-converter Power Assembly

1 引 言

    毫米波倍频上变频功放组件的主要工作原理如下： 将一个15GHz，10dBm 的信号二倍频至30GHz 与一个5GHz，10dBm 的本振信号进行上变频至35GHz，然后进行功率放大，作为发射级的激励源。整个组件的指标为射频输入15GHz，10dBm；本振输入5GHz，10dBm；信号输出35GHz，17dBm；谐波抑制小于－40dBc。

2 开展的主要研究工作

2.1 毫米波二倍频器的研究

    为减轻上变频器的压力，需要尽量提高二倍频器的倍频效率。由于有源倍频器损耗较小，倍频效率较高，本组件采用有源倍频结构，其原理框图如下：

    图中PHEMT 作为倍频核心器件，其中它的gm 和Rds的非线性对谐波贡献较大。输入匹配网络对输入频率15GHz 进行匹配，为了提高倍频器二次谐波输出功率，在倍频器后增加了一级放大级，用以放大二次谐波信号，级间匹配网络及放大器匹配均在30GHz 下进行。

    要使二倍频器倍频效率高，首先要设计好匹配电路，此外，倍频效率还和静态工作点及输入信号功率有关。图2是PHEMT I-V 特性示意图。

    其中A 点：夹断点，此时gm 非线性起主要作用，偏置于A 点时，产生的谐波丰富，且寄生栅-源电容小，适合工作频率高；B 点： 跨导最大点，偏置于B 点时，适合于小信号放大，产生谐波分量较小；C 点： 过渡区，此时Rds非线性起主要作用，偏置于C 点时，有利于倍频工作，比较A、C 两点，C 点的倍频效率要比A 点低。图3为谐波分量与输入信号功率关系曲线。

图3 谐波分量与输入信号功率关系曲线

    由图中可知，输出谐波分量与输入信号功率有关。当输入功率较小时，不产生失真，没有谐波分量输出。随着输入功率的增大，谐波分量也随之增大，当输入功率增大到一定值时，二次谐波分量达到一饱和值，之后随输入功率增大而下降，但其他高次谐波仍随之增长。由以上分析可知，为充分提高倍频效率，偏置点与输入功率折衷调整是十分必要的。

2.2 毫米波上变频器的研究

    在毫米波段，频率变换主要由肖特基势垒二极管完成，作为上变频器尤其如此。根据整个模块的指标要求，考虑系统指标分配，要求上变频器输出功率大于0dBm，同时对于20，30和40GHz 谐波要有足够的抑制（ 抑制度＜－45dBc） 。因此，上变频器采用双平衡拓扑结构，且输出包含一带通滤波器，以抑制20，30和40GHz 谐波信号；混频二极管采用GaAs 梁式引线肖特基势垒二极管，二极管具有以下参数：零偏电容C0＝40～60FF，正向电阻Rs≈8Ω。所有电路制作于RT5880进口复合介质上。

2.3 功率放大器制作

    为适应小型化要求，功率放大采用进口功率芯片与倍频及变频-滤波电路同时装配于同一腔体内。功放芯片指标为增益18～20dB，P－118dBm，饱和输出功率22dBm，通过外加合适的偏置点使功放工作于最大增益状态。

2.4 微带-波导转换研究

    微带-波导变换采用探针直接耦合结构，通过仔细调整探针耦合深度及在波导中距波导短截面的距离，使转换损耗最小，结构图如图4所示。

3 研制结果

    通过精心设计及合理安装调配，制作出了满足用户要求的毫米波倍频上变频功放组件，该组件还包含二次稳压电源及正负电源变换，一体化设计制作，整个组件尺寸仅为60mm×22mm×15mm，组件各部分指标如下。

    ①二倍频器结果（ 输入功率10dBm） ： f in为13，14，15，16，17和18GHz；f out为26，28，30，32，34和36GHz；Pout为14.5，14.6，10.1，5.8，7.6和10.0dBm。

    ② 上变频器结果： 信号输入30GHz，10dBm；本振输入5GHz，10dBm；信号输出35GHz，2dBm 谐波抑制小于－45dBc。

    ③组件结果：    在要求输入条件下，组件在35GHz 时，输出功率为17dBm，谐波抑制小于－42dBc。

4 结束语

    该组件具有体积小重量轻，功能复杂，可靠性高等一系列优点。该组件的应用有利于武器系统的小型化，可以为更多的毫米波系统配套制作集成化、多功能组件，为提高国家毫米波器件水平作出贡献。

图4 8mm 微带-波导转换结构示意图

何庆国 男，高级工程师。1989年毕业于清华大学电子工程系半导体器件物理专业，1992年于河北半导体研究所获工学硕士学位。主要研究方向为微波、毫米波MMIC 的设计与制作，毫米波模块电路的设计与制作等。发表论文十余篇。

孙 静 女，工程师。1994年毕业于南京大学物理系。主要研究方向为微波、毫米波模块电路的设计与制作等。