谐波发生器的设计 王 瑾 许 颖 梁 锋 吴中伟 (南京电子设备研究所，南京 210007) 111wang.jin@163.com 摘 要：本文介绍了阶跃恢复二极管的非线性特性及其等效模型，谐波发生器的工作原理、电路组成、电 路基本参数的计算方法，给出了激励频率为 1GHz 谐波发生器的测试数据。 关键词：谐波发生器，阶跃恢复二极管，脉冲电路 The Design of Harmonic Generator Wang Jin, Xu Ying, Liang Feng, Wu Zhong Wei (Nanjing Electronic Equipment Institute, Nanjing 210007) Abstract: In this paper, the characteristic of step recovery diode and its equivalent model are introduced. The working principle, the circuit structure and the calculation method of parameters are discussed respectively. The measurement data of harmonic generator with 1GHz excitation signal is given. Keywords: Harmonic generator; Step recovery diode; Impulse-circuit 1 引言 谐波发生器是一种输入一个射频信号就能产生 丰富谐波的器件，是电子领域中常用的一种非线性 元件。它利用足够大的功率推动阶跃恢复二极管 （Step recovery diode，SRD，简称阶跃管）以产生各 次谐波并满足一定的输出功率要求。在实际应用中 可根据需要选择单个或多个谐波分量，或者通过电 子开关在多个谐波分量间切换输出。它在微波技术 领域有着广泛的应用，经常用于高次倍频器、频率 计数器、矢量网络分析仪、取样示波器、频率合成 器以及电子战设备中。 2 阶跃管特性及等效电路 阶跃管的电压电容特性曲线如图 1 所示，它表 示阶跃管相当于一个电容开关。二极管正向偏置时 的大电容状态及反向偏置时的小电容状态相对应的 这两个状态，使人们能把阶跃恢复二极管看作简单 的、高效的、可控制电荷的开关。 阶跃管的特性参量主要有以下几个： 1）阶跃时间 tt，是指反向电流从 80%降低到 20%所用的时间。tt 越小，电流跃变速度越大，形 成的脉冲越窄，输出的谐波分量越丰富。阶跃时间 tt 决定了输出频率的最大值，要求 tt<1/fn。 2）少子寿命 η，在阶跃管的特性参数中少子寿 命是比较重要的指标，少子寿命越长则阶跃时间越 长，产生的脉冲宽度大。如果少子寿命越短则阶跃 时间越短，导致产生的脉冲幅度越小。它决定正向 电荷存储期间出现的损失，要求 η>10/ωi。 3）动态电阻 Rs（即串联损耗电阻），是指正向 的某个稳定状态下阶跃管上的电压微小增量和电流 微小增量之比。选择 Rs 尽可能小的阶跃管，以使在 阶跃管输入电阻的损失减至最小，一般 Rs 值为 0.5～5Ω 之间。 4）反向结电容 Cj，随 PN 结上所加电压改变。 正向时电容值很大，反向时 Cj 很小。在输出频率 fn 上应有 Rs «1/2πfnCj。在手册中一般给出一定频率和 ²853² 

励时的理想化电路。 （a）实际电路 （b）理想化 图 3 阶跃管反偏等效电路 3 谐波发生器的工作原理 一个典型的由并联型阶跃管形成的谐波发生器 的原理方框、电路图以及各级时—频域波形如图 4 所示。频率为 f1 的正弦波信号源把能量送入阶跃管 脉冲发生器，阶跃管脉冲发生器将每一个输入周期 为 T1 的信号能量转变为一个狭窄的具有丰富谐波的 大幅度脉冲，其脉冲宽度为 tp，宽频谱信号的能量 是分散在各个谐波分量上的。 一定偏压时 Cj 的测量值，Cj 一般定义为-6V 偏压下 的电容值。 5）击穿电压 VB，它决定了脉冲幅度和允许的 最大输入电压。因为 Po∝VB²，可以通过提高 VB 来 达到较大的输出功率，但过大会影响截止频率，一 般 VB 在 15～30V 之间。 6）正向电流 If ，在给定的正向偏压下，正向 电流幅度越大，产生的正向储存电荷越多，反向脉 冲电流越大，输出功率也增加。 7）最大耗散功率 PDmax，它决定最大输入功 率。PDmax、VB 和 If 特性参量一起决定了阶跃管允 许的最大输入功率和输出功率。 图 1 阶跃管电压电容特性 图 2 表示阶跃管正向激励时的等效电路，其中 图 2（a）为正向激励时的实际电路。少子的寿命越 长，ir 越小，Rf 就越大。在理想的阶跃管中 η 很 大，Rf 可看作开路，Rs 很小可忽略，Cs 很大则容抗 很小，并且当信号幅度很大时，与信号幅度相比， 可认为 ф≈0。这样，理想化的等效电路可以看成短 路，如图 2（b）所示。 图 4 谐波发生器原理图、电路图及各级频谱图 （a）实际电路 （b）理想化 图 2 阶跃管正偏等效电路 当阶跃管上所加电压变成反向电压时，一旦储 存的少数载流子全部返回，扩散电容消失，只存在 很小的势垒电容 Cj0，因而呈现很大的容抗，使反向 脉冲电流很快阶跃至零，阶跃管处于截止状态。图 3 表示阶跃管反向激励时的等效电路，其中图 3 （a）为反向激励时的实际电路，图 3（b）为反向激 输入信号经过偏置电路，匹配电路和阶跃管脉 冲发生器后产生了频谱极宽的窄脉冲信号。偏置网 络给阶跃管提供一个合适的偏压值，使得阶跃管正 好在负电流最大的瞬间产生电流阶跃，从而得到尽 可能大的阶跃电流。输入匹配网络使得输入信号源 内阻和阶跃管（包括激励电感 L）阻抗实现共轭匹 配，保证输入电压有效的加到阶跃管上，这是能否 获得高的输出功率和效率的关键之一。阶跃管的作 ²854² CjCsCj0V0ф RfRsCsiridqdtRsCj0iCj0激励源fo偏置电路匹配电路阶跃管脉冲发生器T1=1/f1 时域 频域T1输出匹配典型电路图RtLSDRLmCmRbLbRbCbtpCdCt

用是把输入信号的能量转变为一个狭窄的具有丰富 谐波的大幅度脉冲。激励电感 L 的作用是在阶跃管 导通时存储能量，而在截至瞬间将能量转换为脉冲 能量。激励电感 L 和调谐电容 Ct 谐振在信号源频率 f1 上，选择适当的调谐电容 Ct 能使脉冲发生器的输 入阻抗为纯电阻性阻抗。 4 谐波发生器的仿真与优化 为 了 实 现 系 统 提 出 的 输 入 1GHz 输 出 9 ～ 18GHz 的要求，即最高倍频次数为 18，阶跃恢复 二极管应满足以下要求：输出频率 fn=18GHz，应 选 tt<55ps；输入频率为 fi=1GHz，应选 η>1.6ns； 输出频率为 18GHz 时，Cj 的取值为 0.15～0.4pF。 根据上面的计算和实际情况，可以选择 Mpulse 公 司的 MP4021 型阶跃恢复二极管。具体参数如表 1 所示。 表 1 MP4021 具体参数 击穿电 反向结电容@6V 少子寿命 阶跃时间 型号 压（V） （pF） （ns） （ps） 最小值 最小值 最大值 最小值 最大值 MP4021 20 0.2 0.5 15 50 通过 ADS 软件对电路中各元件的调试优化，得 到激励电感、谐调电容、匹配网络和偏置电阻的元件 值。最后经过多次迭代优化并将电容电感值转换为相 邻的标称值，ADS 软件仿真原理图如图 5 所示，优化 后得到谐波发生器输出频谱曲线如图 6 所示。 由图 6 可知，18GHz 输出时功率为-8.9dBm， 各次谐波间衰减不是很大。该谐波发生器频谱纯度 较高，倍频效率也较高。 图 6 谐波发生器的仿真输出功率 5 谐波发生器的实现 在实现电路时，为了使集总参数元件电容电感 实现宽频段的匹配且能工作在高频段，电感需根据 仿真数值用绕线金丝来实现，而电容应采用对应数 值的芯片电容，以金丝键合到电路中。实物如图 7 所示。 图 7 谐波发生器的实物图 为使谐波发生器有足够的功率推动阶跃管以产 生各次谐波，谐波发生器前需加一级功放。选型号 为 AH101 的功放，该功放增益为 13dB，P1dB 功率 为 27dBm。 表 2 给出了不同输入功率下测出的各次谐波的 输出功率。由表 1 可知，输入功率为 14dBm 时， 18GHz 的输出功率为-13.8dBm，与仿真结果相差 不大。 图 5 优化后的原理图 ²855² 

表 2 各次谐波的输出功率（dBm） 电流（A） 0.18 输入功率 （dBm） 1GHz 2GHz 3GHz 4GHz 5GHz 6GHz 7GHz 8GHz 9GHz 10GHz 11GHz 12GHz 13GHz 14GHz 15GHz 16GHz 17GHz 18GHz 5 11.8 4.28 2.46 1.5 -1.8 -2.45 -4.45 -7.1 -8.6 -10.5 -11.5 -14.8 -17.9 -18.1 -20.7 -23 -24.8 -25.9 0.17 8 14.1 8.9 6.43 5.4 2.85 1.46 -0.21 -2.63 -4.49 -5.9 -7.1 -10.4 -12.95 -13.3 -15.9 -17.8 -19.7 -20.4 0.16 11 16.4 12.5 10 8.35 6.37 5 2.86 0.95 -0.86 -2.7 -3.3 -6.65 -9.47 -9.1 -11.87 -14 -15.1 -16 0.15 14 17.5 14.45 11.8 9.5 7.83 6.78 4.17 2.3 1.1 -1.2 -1.9 -4.75 -7.6 -7.54 -9.85 -12.1 -13.4 -13.8 0.13 17 17.94 15.64 12.97 10.12 8.31 7.57 4.88 2.9 2 -0.3 -1.36 -3.95 -6.4 -6.7 -9.3 -11.1 -12.3 -13 6 结论 本文介绍了用 SRD 实现谐波发生器的设计方法并给出了激励频率为 1GHz 谐波发生器的测试数据。在 整个电路设计过程中，阶跃管的选取至关重要，它是设计成功的保障。 参考文献 [1] Jian Z, Rasanen A V. Computer-aided deign of step recovery diode frequency multipliers [J]. IEEE Trans on MTT, 1996, 44(12): 659-662. [2] 郑博仁. 0.2-18G 梳状谱信号发生器研究[D]: [硕士学位论文]. 成都: 电子科技大学通信与信息工程学院，2005 ²856²