CN101656344A - 左手非线性传输线倍频器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波电路技术领域，公开了一种基于肖特基二极管的左手非线性传输线的倍频器，该倍频器由单节或多节左手非线性传输线单元构成，该左手非线性传输线单元的等效电路由串联可变电容和并联电感构成。在本发明中，可变电容由一对背靠背连接的肖特基二极管构成。传统左手非线性传输线中的隔直电容由背靠背二极管替代，二极管采用自偏置结构。利用本发明可以提高倍频器工作频率，改善微波特性，简化电路结构。
Description
技术领域
本发明涉及微波电路技术领域，特别是涉及一种基于肖特基二极管左手非线性传输线倍频器。
背景技术
微波倍频器广泛应用于通信、雷达和测量仪器等系统中。其主要作用可归纳为以下几个方面：一、对频率低，但输出频率稳定的振荡器倍频，获得高稳定度的高频振荡源；二、在晶体管振荡器的最高振荡频率达不到系统要求时，通过倍频器获得超高频振荡源；三、获得多个整数倍频率。
非线性传输线是一种广泛应用的倍频器结构，它具有结构简单、无需额外的匹配电路和空闲电路等优点。典型的非线性传输线包括若干段以一定间距串联的微带传输线，每段微带线之间放置反向偏置的并联肖特基二极管。肖特基二极管作为可变电容，其容值随偏置电压改变，非线性容抗引起谐波，实现倍频功能。
上述传统非线性传输线的简化电路模型为周期负载的串联电感和并联电容，这种结构被称为右手传输线，即电场强度E、磁场强度H和波矢k满足右手螺旋法则。
请参阅图1所示给出了现有技术中右手非线性传输线单元的等效电路图。该电路中由串联的电感L31、L32和并联可变电容P3构成。
图1所示的传统右手非线性传输线存在以下固有缺陷：右手传输线等效电路为低通电路，因此输出谐波的最高频率小于传输线截止频率，在高频应用中受限；低通电路自身无法抑制输入的基波信号，而基波信号幅度往往远大于谐波信号，为获得理想的谐波，对系统中的滤波器提出很高要求；若采用肖特基二极管作为变容管，需要偏置电路。
而近年来，由周期负载串联电容和并联电感的传输线构成左手材料的方法被提出。其中该左手材料是指介电常数和磁导率同时为负值的材料。当电磁波在其传播时，波矢k、电场E和磁场H之间的关系符合左手定律的方法。因此，与右手传输线不同，具体到电路结构中，请参阅图2所示给出了现有技术中左手非线性传输线单元的等效电路图。该电路中由一个可变电容P、两个隔直电容C21、C22和两个电感L21、L22构成，其中隔直电容C21与电感L21并联，并经由可变电容P与并联连接的隔直电容C22和电感L22串联连接。与图1所示右手非线性传输线相比，等效电路中电容和电感的位置发生了互易。然而上述图2的左手非线性传输线也存在有以下几点缺陷：倍频效率较低，以单节传输线为例，三个电容中，仅中间的可变电容对谐波产生做出贡献；隔直电容占用较大面积。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种左手非线性传输线的倍频器，以提高倍频器的工作频率，改善倍频器的微波特性，简化电路结构。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的左手非线性传输线倍频器，由单节或多节左手非线性传输线单元构成，所述左手非线性传输线单元的等效电路由串联可变电容和并联电感构成。。
其中所述可变电容由一对背靠背肖特基二极管构成。
其中所述倍频器电路输入/输出端的可变电容由一对背靠背肖特基二极管构成。
其中所述背靠背肖特基二极管通过电感接地，形成自偏置结构。
其中所述倍频器通过改变所述可变电容的电容值和所述并联电感的电感值，获得与所述倍频器输入端口/输出端口匹配的传输线特征阻抗。
借由上述技术方案，本发明提出的左手非线性传输线倍频器至少具有下列优点：
1、本发明可以有效提高倍频器的工作频率。由于本发明所涉及的左手非线性传输线结构与右手非线性传输线结构有明显的区别，体现在对微波信号的传输方面就是本发明提出的倍频器为高通特性，工作频率远高于与之相应的传统电路。
2、本发明可以有效抑制输出信号中的基波频率。由于本发明提出的倍频器具有高通特性，因此通过合理选择器件参数，可以抑制频率较低的基波信号。
3、本发明可以抑制偶次谐波幅度，从而提高奇次谐波效率。由于本发明采用背靠背肖特基二极管作为可变电容，其对称结构抑制了偶次谐波产生。
4、本发明提高了倍频效率。由于传统非线性传输线中输入/输出端口的隔直电容由背靠背肖特基二极管替代，成为可产生谐波的可变电容，提高了倍频器效率。
5、本发明可以省略外加偏置电路。由于本发明中的二极管采用自偏置结构，因此无需偏置电路，简化了倍频器结构，缩小了体积。
6、通过本发明可以省略额外的匹配电路；改善倍频器微波特性。
附图说明
图1是现有技术的右手非线性传输线单元的等效电路图；
图2是现有技术的左手非线性传输线单元的等效电路图；
图3是本发明实施例左手非线性传输线单元的等效电路图；
图4是本发明实施例中采用背靠背肖特基二极管构成的左手非线性传输线单元实例等效电路；
图5是本发明实施例一对背靠背肖特基二极管的CV特性曲线示意图；
图6是本发明实施例左手非线性传输线的倍频效果仿真图；
图7是本发明实施例左手非线性传输线S21的曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
请参阅图3所示，是本发明实施例左手非线性传输线单元实例的等效电路，该电路是由两节左手非线性传输线单元构成的倍频器。这种基于左手非线性传输线的倍频器是可以由单节或多节左手非线性传输线单元构成，该左手非线性传输线单元的等效电路由串联可变电容和并联电感构成。在图3中Cj代表零偏置下可变电容值，其中Cj为0.4pF，电感L为1.8nH，输入/输出端口的可变隔直电容值为2Cj，即0.8pF。电路的输入输出端口均为50Ω标准射频端口。在该实施例中给出的上述参数值是为了更好的说明本发明但非限定本发明。
请参阅图4所示，给出了本发明另一实施例中采用背靠背肖特基二极管替代图3中的可变电容后的另一个等效电路图，其中两个相互背靠背肖特基二极管构成的是可变电容。从图4中可以看出，作为可变电容的肖特基二极管的两端通过并联电感实现直流接地，实现自偏置结构。在该实施例中输入/输出端口的可变隔直电容也是由一对背靠背肖特基二极管替代，其中Cj为0.4pF，电感L为1.8nH，输入/输出端口的可变隔直电容值为2Cj，即0.8pF。电路的输入输出端口均为50Ω标准射频端口。在该实施例中给出的上述参数值是为了更好的说明本发明但非限定本发明。
请进一步参阅图5所示，给出了一对背靠背肖特基二极管的CV(电容-电压)特性曲线示意图。对于单个肖特基二极管的CV特性为正电压下电容值基本恒定，负电压下电容单边下降。而本发明的实施例中所采用背靠背的对管形式，其所得到的CV特性为图5的左右对称形式，可以看出信号电压向正负方向变化都会引起相同幅度的电容值改变。背靠背肖特基二极管的对称CV特性，抑制了二次谐波，增强了三次谐波。有利于提高输出信号频率和效率。
如图4中所有可变电容均由对称的背靠背二极管构成，该结构可以抑制偶次谐波的产生，从而提高奇次谐波转换效率。具体参见图6，该图给出了实例中左手非线性传输线的倍频特性仿真结果，输入基波信号频率46Hz，功率22dBm。可以看到，在输出信号中，偶次谐波受到抑制，而奇次谐波有较高转换效率。
本发明提供的这种基于肖特基二极管的左手非线性传输线的倍频器，其等效电路为高通电路，与相应的右手非线性传输线相比，该基于左手非线性传输线的倍频器可以工作于更高的频率。该倍频器的等效电路为高通电路，意味着通过合理选择传输线截止频率，该电路可以有效抑制频率较低的基波信号，从而降低对滤波器的要求。
在本发明实施例中，所述左手非线性传输线的特征阻抗由电容和电感决定，通过合理选择电容值和电感值，可以获得与输入端口/输出端口匹配的传输线特征阻抗。因此本发明由左手非线性传输线单元构成的倍频器无需额外匹配电路。在所述左手非线性传输线中，采用背靠背肖特基二极管构成的可变电容作为输入/输出端口隔直电容，从而提高倍频器的谐波转换效率。
在本发明的实施例中，通过对电路小信号S(散射参量)参数的分析可知，左手传输线为高通电路，这里“高通”指对通过其中的高频信号损耗较小，而对低频信号损耗较大，具体如图7所示，该图是左手非线性传输线S21的示意图。由此可以得出两个结论：一，由于低通电路对高频信号衰减，右手非线性传输线只能用于输出低于传输线截止频率的谐波，而左手非线性传输线则可以工作于更高频率；二，高通电路对低频信号衰减，通过适当选择器件参数，左手非线性传输线可以有效抑制输出信号中基波信号的幅度。
上述实例仅由一个左手非线性传输线单元构成。在本发明实施过程中，可以将多个单元串联来调整倍频器特性，进而调整倍频器的倍频效率和基波抑制水平。节数更多的左手非线性传输线也可按此方式实现，均属于本发明范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种左手非线性传输线倍频器，其特征在于，所述倍频器由单节或多节左手非线性传输线单元构成，所述左手非线性传输线单元的等效电路由串联可变电容和并联电感构成。
2.根据权利要求1所述的左手非线性传输线倍频器，其特征在于，所述可变电容由一对背靠背肖特基二极管构成。
3.根据权利要求1所述的左手非线性传输线倍频器，其特征在于，所述倍频器电路输入/输出端的可变电容由一对背靠背肖特基二极管构成。
4.根据权利要求2或3所述的左手非线性传输线倍频器，其特征在于，所述背靠背肖特基二极管通过电感接地，形成自偏置结构。
5.根据权利要求1所述的左手非线性传输线倍频器，其特征在于，所述倍频器通过改变所述可变电容的电容值和所述并联电感的电感值，获得与所述倍频器输入端口/输出端口匹配的传输线特征阻抗。
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