小型化十二倍频器研究

1 引言

倍频器是指能完成输入信号频率倍增功能的电子组件，在工作频率较高而对频率稳定性要求严格的电子设备中，用一般的LC振荡器很难达到要求，若采用高稳定的晶振，通过倍频放大即可很容易的实现稳频要求。

在频率合成器中，利用倍频器中所产生的各次谐波频率，通过频率合成可得到步进间隔小、点数很多的稳定频率输出，可以很方便的使用到雷达、通信、测量等领域。利用倍频器还可以制成毫米波信号源，在毫米波通信、军事侦查、制导等方面有着广泛的应用。

2 倍频器原理

从理论上讲，任何非线性原件都能够用来实现倍频，从工作原理上可分为非线性电抗（电容）型和非线性电导（电容）型。当用正弦波驱动非线性元件时，其输出端就会产生输入频率的高次谐波分量，采用适当的滤波器就能选出所需的谐波分量，即可实现输入信号的倍频。常采用的非线性倍频元件有二极管、晶体管等。

倍频器的实现方式是多种多样的，一般用以下七种方法来实现倍频：（1）用二极管的PN结的静态非线性V-I关系，即非线性电导产生谐波；（2）用双极晶体管的非线性产生谐波；（3）用GaAs FET管得到具有增益的倍频器；（4）用宽带单片放大器的非线性产生谐波，并放大谐波构成宽带倍频器；（5）振荡器被注入锁定在基频的N次谐波上实现倍频；（6）用变容二级管得非线性电抗实现参量倍频；（7）用阶跃恢复二极管产生谐波，实现倍频。

2.1 二极管微波倍频器

二极管微波倍频器常采用肖特基二极管、变容二极管和阶跃恢复二极管来实现。肖特基二极管由于具有极低的附加相位噪声本底（可达-170dBC/Hz（@1kHz）），是倍频电路的首选器件，也是极少可实现毫米波以上频段的倍频器件。

变容二极管和阶跃恢复二极管通常用来实现大功率和高次倍频。阶跃恢复二极管倍频器是利用PN结的正向电压存储和反向电压抽取特性，使之将每一输入周期的能量变换为一个狭窄的、大幅度的脉冲，其频率等于输入信号的频率，经带通滤波器滤除不需要的谐波，这样在负载上得到倍频信号。

通常认为阶跃恢复二极管适用于倍频次数较高的梳谱信号发生器中。但由于阶跃恢复二极管是一种高度的非线性元件，很容易引起电路振荡和自激，同时对输入激励电平、负载牵引较为敏感，在实际工作中需要仔细调试。

2.2 晶体管微波倍频器

晶体管微波倍频器是利用其工作于饱和区或截止区来产生谐波，如 C 类放大器输出调谐到 n 倍的输入频率上。这种微波倍频器单向性、隔离性号，并有增益的特点。三极管微波倍频器一般由双极晶体管和场效应三极管构成，倍频次数一般小于 20。用双极晶体管微波倍频器产生C波段以下的输出频率非常简单，成本也较低，是频率源中常用的电路。用场效应三极管微波倍频器可产设几十GHz输出频率，同时提供较高的倍频效率和较宽的工作频带，对输入功率要求较低。

这类倍频器的工作状态易受激励偏置、温度变化等出现剧烈变化，因此使用时一般要加入恒流、温补等措施。