基于化合物器件的毫米波倍頻器研究與設(shè)計(jì).pdf

1、隨著毫米波技術(shù)在雷達(dá)、電子對(duì)抗等軍事領(lǐng)域以及現(xiàn)代通信、射頻天文學(xué)、醫(yī)療等民用方面的興起和應(yīng)用，對(duì)工作頻率高、穩(wěn)定性好以及相位特性好的毫米波源的需求愈加迫切。目前獲得毫米波源的方式有鎖相頻率合成、振蕩器直接合成和由倍頻電路產(chǎn)生。相比前兩種方式，由倍頻電路產(chǎn)生的毫米波源表現(xiàn)出低成本、高穩(wěn)定性和低相位噪聲的特點(diǎn)。因此，倍頻器常常作為模塊電路出現(xiàn)在毫米波收發(fā)機(jī)中。伴隨著倍頻器的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外對(duì)倍頻器的研究也越來越多。本文基于肖特基勢(shì)壘二極管和

2、70nm GaAs mHEMT工藝，研究了毫米波段倍頻器的設(shè)計(jì)技術(shù)，最終完成了一款V波段無源倍頻器和一款D波段Monolithic Microwave Integrated Circuit(MMIC)有源二倍頻器的設(shè)計(jì)。
　　本文首先對(duì)近年國內(nèi)外毫米波倍頻器的研究狀況進(jìn)行了調(diào)研，總結(jié)了毫米波倍頻器的發(fā)展和各種常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)；然后介紹了倍頻器的基礎(chǔ)理論，包括倍頻器的基本工作原理，非線性電路的分析方法——諧波平衡法，倍頻器的分類

3、方法以及各類倍頻器的特點(diǎn)；并重點(diǎn)分析了肖特基勢(shì)壘二極管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的非線性效應(yīng)。
　　在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于肖特基勢(shì)壘二極管的 V波段無源二倍頻器和基于70nm GaAs mHEMT工藝的D波段MMIC有源二倍頻器。
　　基于商用肖特基勢(shì)壘二極管芯片，本文設(shè)計(jì)了一種毫米波無源二倍頻器。通過電磁場(chǎng)仿真，對(duì)除非線性肖特基結(jié)以外的無源結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁場(chǎng)全波分析，從而對(duì)該二極管芯片建立起一個(gè)更為準(zhǔn)確的3 dimensional(3D)

4、 EM模型。基于該模型完成了一個(gè)二極管倍頻器設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明：當(dāng)輸入信號(hào)功率為15dBm時(shí)，在輸出頻率58GHz處，該二倍頻器獲得最小倍頻損耗9.2dB，輸出3dB帶寬為50-75.4GHz，覆蓋了整個(gè)V波段；在輸入頻率25-36GHz頻段范圍內(nèi)，基波抑制大于20dB；在25-37.3GHz頻段范圍內(nèi)，輸入反射系數(shù)小于-10dB。但由于芯片焊接、模型精確度、測(cè)試系統(tǒng)誤差和加工誤差等原因，相比于仿真結(jié)果，測(cè)試結(jié)果存在不同程度的性能退化。

5、
　　利用70nm GaAs mHEMT工藝，本文另外設(shè)計(jì)了一種輸出頻率為128-145GHz的毫米波二倍頻器，并對(duì)整體電路進(jìn)行了全波仿真。其設(shè)計(jì)流程包括：管芯尺寸選取、直流偏置電壓選取、直流偏置網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、電路穩(wěn)定性檢驗(yàn)、基波抑制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和二倍頻器整體設(shè)計(jì)與優(yōu)化。仿真結(jié)果表明：輸入信號(hào)功率固定為4dBm進(jìn)行頻率掃描，當(dāng)輸入頻率為68.5GHz時(shí)，該二倍頻器達(dá)到最大輸出功率-2.56dBm，輸出3dB帶寬為64~7

6、2.5GHz，且在整個(gè)V波段范圍內(nèi)基波抑制都大于20dB；輸入信號(hào)頻率固定為69GHz進(jìn)行功率掃描，當(dāng)輸入功率為4dBm時(shí)，該二倍頻器達(dá)到最大倍頻增益-6.57dB；當(dāng)輸入功率為5dBm時(shí)，二倍頻器達(dá)到最大輸出功率-2.29dBm；在輸入頻率66.5-71.5GHz頻段范圍內(nèi)，輸入反射系數(shù)小于-10dB，在輸出頻率134-142.5GHz頻段范圍內(nèi)，輸出反射系數(shù)小于-10dB。整個(gè)芯片的面積（包含pad）為0.83×0.39mm2。最后