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《微波器件原理与芯片设计方法》 ——第七章 微波倍频器 东南大学毫米波国家重点实验室 陈 墨 2010-11-29 稳频锁相技术 高Q腔稳频→Gunn振荡器 反射式 传输式 注入锁定→IMPATT振荡器 分谐波注入锁定 注锁与PLL的混合技术 频率合成技术 直接频率合成技术 锁相频率合成技术（PLL） 整数分频锁相 小数分频锁相 直接数字频率合成技术（DDS） 上述技术相结合的混合技术 （1）直接频率合成 直接频率合成器是最早出现的频率合成技术； 利用混频器、倍频器、分频器和滤波器来完成对频率的四则运算； 采用相关频率技术，采用一个晶体振荡器，通过分频和倍频后得到。 优点：频率捷变速度快，稳定度高； 缺点：相位噪声随着倍频次数增加而增大； 输出信号杂散较多； 频率分辨率不高； 电路结构复杂，体积大。 （2）锁相频率合成（PLL-Phase locked loop） 能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。现在最常用的结构是数摸混合的锁相环，即数字鉴相器、分频器、模拟环路滤波和压控振荡器的组成方式 优点：相噪低； 杂散抑制好； 输出频率较高；易于集成。 缺点：频率切换速度慢； 频率分辨率一般 （3）直接数字频率合成（DDS－Direct Digital Synthesizer） 利用数字方式累加相位，再以相位和作为地址来查询正弦函数表得到正弦波幅度的离散数字序列，最后经D/A变换得到模拟正弦波输出 几种频率合成技术的性能比较 倍频器的应用和特点 倍频器的关键指标 波形纯度： 所需频谱幅度与杂波频谱幅度之比 工作频率及倍频次数 输出功率 倍频器的变频损耗 所需谐波功率与输入基波功率之比，用百分比表示则为倍频效率 倍频器的驱动功率 使倍频器正常工作的最小基波激励功率 带宽 一般以输出功率下降3dB的频率变化范围 输入、输出驻波比 表征倍频器输入、输出端口匹配性能的技术指标 倍频器分类 电抗性倍频器 采用变容管（非线性Q-V特性，2~4次倍频）、阶跃恢复二极管（高次谐波倍频） 损耗小、频率变换效率高（理论上100%） 无倍频增益，且高电平时带宽较窄 电阻性倍频器 利用肖特基势垒二极管正偏置状态下的I-V特性 频率变换效率1/N2 ，适用于低次倍频 带宽较宽 晶体管倍频器 利用跨导传输函数的非线性 具有变频增益 倍频次数受到晶体管截至频率的限制 倍频器的设计难点 倍频器的设计难点 倍频器设计的难点 非线性分析 倍频工作点的匹配 稳定性分析 散热的考虑 本章主要研究内容： 倍频器的一般工作原理和特性 一、电抗性倍频器 一、电抗性倍频器 一、电抗性倍频器 二、电阻性倍频器 二、电阻性倍频器 未加匹配和滤波电路的输出频谱 添加匹配和滤波电路的输出频谱 ~19dB 三、晶体管倍频器 1、场效应管的非线性： 接近夹断点的跨导→放大器设计 接近夹断点的输出电导 漏极电流的整流特性→类似B类放大器 栅极和漏极之间的电容→类似变容管 2、双级型晶体管 集电极-基极结电容 3、晶体管倍频器的优点： 宽带； 频率变换效率高； 激励功率和直流功耗小 三、晶体管倍频器-漏极电流的整流特性 三、晶体管倍频器 1、 → 低次倍频 2、 → 要求脉冲宽度 比较小（一般不能实现最佳值） 三、晶体管倍频器 电抗性倍频器：倍频效率高，带宽窄； 电阻性倍频器：宽带倍频应用，效率低； 三极管被频器：存在倍频增益 GaAs Gunn谐波提取： (有源倍频) 带宽窄， 存在倍频增益 IMPATT高次倍频： (有源倍频)倍频效率高，带宽窄 倍频器 倍频器小结 发展趋势： 截止频率更高、效率更高的非线性器件（倍频或者放大），用以获得更高频率的信号源 倍频器小结 基波注锁谐波提取二次倍频实例 采用GaAs Gunn双端口谐波振荡器实现二次倍频 谐波二次倍频器 Pin=2mW Pout(mW) 四、高次倍频链路 目的：降低高次倍频器的设计难度； 保持低频信号源的性能优势。 需要采用： 倍频效率相对较高的低次倍频器； 放大器→确保各级被频器的驱动电平； 滤波器→确保各级输出信号的频谱纯度。 * * 相噪与鉴相频率、鉴相器噪声基底和输出频率或分频比的关系（前提：参考源的相噪足够低） L(1Hz)