论文总字数：25708字

摘 要

毫米波的频率范围在30-300GHz，其波长介于在1-100nm。毫米波处于微波与红外波之间的频段，具有波长较短，频谱宽，波束窄等特性。近年来，频谱的日益拥挤，伴随着毫米波在通信领域的发展应用，使获取良好相噪特性和稳定性的毫米波源成为众之所求。然而，获取特性好的毫米波源比较困难，通常可以利用振荡器和倍频的方式获得。利用倍频方式可在输入频率的n次谐波上获取所需的频率，输入的信号源可在技术较为成熟的波源上提取，保证倍频信号的稳定性和相噪特性。此外倍频器体积小、稳定性高、便于在集成电路装配，可以说是获得毫米波源的主流方式。

本文简单阐述了毫米波倍频器的国内外设计实例和现状，了解经典设计结构，在此基础上制定设计的电路模型。本文以肖特基二极管对为基础，设计了基频70GHz，倍频至140GHz的二倍频器。使用Ansys公司的HFSS软件对输入、输出波导和高低阻抗低通滤波器建模，在ADS软件中进行整体电路的仿真。测试结果表明，在基波频率为68GHz、输入功率30dBm时，输出频率可达19.8mW，倍频效率约为2.0%。电路整体性能表现良好，达到目标设计要求。

关键词：毫米波，肖特基二极管，倍频器

Design of Millimeter-wave Frequency Doubler

Number：04015332 Candidate: WuzhiAng

Supervisor: Dr. Lu Tang

ABSTRACT

The frequency range of millimeter wave is 30-300GHz, and its wavelength is 1-100nm. The frequency band of millimeter wave is between microwave and infrared wave. In recent years, with the increasingly crowded spectrum and the development and application of millimeter wave in the field of communication, millimeter wave sources with good phase noise characteristics and stability have become the common requirements. However, it is difficult to obtain millimeter wave sources with good characteristics, which can usually be obtained by means of oscillator and frequency multiplication. The required frequency can be obtained on the n time harmonic of the input frequency by using the frequency multiplication method, and the input signal source can be extracted on the wave source with relatively mature technology, so as to ensure the stability and phase noise characteristics of the frequency multiplication signal. In addition, the frequency doubler is small in size, high in stability and easy to assemble in the integrated circuit. It can be said that it is the mainstream way to obtain millimeter wave source.

This paper briefly describes the domestic and foreign design examples and status quo of millimeter wave doubler. The purpose of this paper is to understand the classical design structure, and formulate the design circuit model on this basis. Based on Schottky diode pair, this paper designs a frequency doubler with a base frequency of 70GHz and a frequency doubler of 140GHz. The HFSS software of Ansys is used to model the input and output waveguide and the high-low impedance low-pass filter, and the whole circuit is simulated in ADS software. The test results show that when the fundamental frequency is 68GHz and the input power is 30dBm, the output frequency can reach 19.8mW and the frequency doubling efficiency is about 2.0%. The overall performance of the circuit is good and meets the design requirements.

KEY WORDS: millimeter wave, Schottky diode, frequency doubler

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1毫米波简介 1

1.2毫米波倍频器研究意义 2

1.3倍频器的国内外发展 2

1.3.1倍频器的国外发展状况 3

1.3.2倍频器的国内发展状况 4

1.4本文的章节安排和内容 5

第二章 倍频器的基本理论 5

2.1倍频器综述 5

2.1.1倍频器的分类 6

2.1.2倍频器性能指标 6

2.1.3倍频器的特点及应用 7

2.1.4倍频器的实现途径以及设计要点 7

2.2倍频器的分析方法 8

2.3肖特基势垒二极管基本原理 11

2.3.1肖特基势垒的形成 12

2.3.2肖特基势垒二极管的I-V特性 13

2.3.3肖特基二极管的C-V特性 14

2.3.4截止频率与反向击穿电压 15

2.3.5肖特基势垒二极管在高频特殊效应 15

2.4无源器件 16

2.5本章小结 16

第三章 140GHz二倍频器设计 17

3.1方案选取 17

3.1.1电路拓扑结构 17

3.1.2肖特基势垒二极管的SPICE模型 18

3.2设计方法 18

3.3设计流程 19

3.3.1输入波导探针设计 19

3.3.2低通滤波器设计 21

3.3.3输出波导设计 22

3.4倍频器整体电路仿真 23

3.5本章小结 25

第四章 全文总结与展望 26

4.1本文总结 26

4.2未来展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第一章 绪论

1.1毫米波简介

随着科学技术的发展，通讯等领域需要更高的频率，而且微波频段变得日益拥挤，研究人员把更多的目光转向毫米波技术的发展^[1]。毫米波频率高于微波，低于红外波，所以在一定程度上其兼有两种频段波普的特点。这个频段的电磁频谱有巨大的商业价值和科学研究用途。

相对于较低频率的微波，其特性为波长短，频谱宽，相应的信道容量比较大。在天线中的应用表现为高增益、窄波束（测距方面）、强方向性、抗干扰（电子对抗），短波长带来的另一个好处是毫米波具有更强的穿透能力，在地球的外部存在着电离子层、对流层等，这些存在会对较长的波长（低频段波长）产生吸收和折射，在需要穿透电离子层进行通信的场景，毫米波可以发挥其较好的穿透电离子层的能力，不易被电离层吸收和折射，在无线电波传播时具有较好的效率。其次，毫米波在频域分析时具有较大多普勒频移，其在测速方面表现优异。当然，毫米波也存在它的缺点，降雨天气或者大气对微波及其以下频段的影响不大，然而毫米波会由于水蒸气和氧气的存在发生局部频率吸收和散射。氧分子因为吸收毫米波而存在的谐振峰在60GHz和120GHz，水蒸气因为吸收毫米波而存在谐振峰在22GHz和183GHz，把这些频点称为“大气窗口”，大气窗口可以使卫星实现中继通信与保密通信。

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