本实用新型涉及电子设备领域，尤其是一种谐波发生器。 背景技术
卫星通信包括了空间站和地球站两部分，空间站起中继站的作用，即把地球 站发射的电磁波放大后再返送回另一地球站，地球站则是卫星系统与地面公众网 的接口，地面用户通过地球站出入卫星系统形成链路。由于三颗相距120度的卫 星就能覆盖整个赤道圆周，故卫星通信易于实现越洋和洲际通信。目前成熟的商 业卫星通信的频率主要在l-10GHz频段，随着科学技术的发展和为了满足越来越 多的通信需求（如：卫星直播电视、会议及远程教育、医疗等等的普及），卫星 通信作为未来全球信息高速公路的重要组成部分，其相关技术的发展将成为未来 科技创新的一个重要部分。目前国外最新卫星通信技术己开始研究应用新的频 段，如12GHz， 14GHz， 20GHz及30GHz，国内也应用到12GHz， 14GHz的Ku频段，
如鑫诺卫星。由于卫星通信系统需具备较强的抗干扰能力和很高的接收灵敏度， 故对频率源的稳定度和相噪都有很高的要求，通常采用高阶倍频链或高阶倍频链
与频率合成器的组合实现卫星通信的频率源子系统，而高阶倍频链的代表就是谐 波发生器（也称梳状波发生器），它是随着半导体技术水平的发展和提高而出现 的，最早开发出自国外。
通常情况下，为了实现高阶倍频，有变容管倍频器和阶跃恢复二极管倍频器 等无源倍频器以及晶体管倍频器等有源倍频器可供选择。
一般变容管倍频器只适用于低次倍频，为了得到高次倍频，必须用几级变容 管倍频器级联，组成倍频链，同时变容管在高次倍频时必须设计复杂的空闲电路， 很难适应当前卫星产品小型化的需要。级联后，空闲电路还要考虑彼此之间的影 响，大大增加了设计难度。同时，级联倍频的方式不可避免地会恶化输出信号的 相噪。
有源倍频器的特点是针对性强，通过设置适当的工作点，在某些频段上可以 产生增益，拥有比较高的倍频效率，但由于晶体管等有源器件的非线性化程度不 够，因此难以靠单级产生几十次倍频。而靠级联倍频的方式，同变容管倍频方式 一样，需要面对相噪问题。同时有源器件受电流影响比较大，温度稳定性方面要 弱于无源倍频。并且有源倍频在可靠性方面也要低于无源倍频。
作为频率源系统（特别是相参系统）中的核心部件之一，谐波发生器市场需 求必将越来越大。目前在微波频段的高阶倍频方案以变容管倍频器级联和晶体管 倍频器级联为主，这两种技术相对成熟，几乎被当前所有国内同类型产品所运用。 而以阶跃恢复二极管作为主要倍频手段的产品研究起步较晚，设计难度大，但设 计成功后倍频次数高、稳定性好，随着通信产品小型化的趋势发展，必将成为未 来主流的高阶倍频方案。
本产品主要应用于卫星通信系统的'心脏'频率源子系统中和全球卫星定位 系统和新型相参雷达的相参频率源系统中。
阶跃恢复二极管的原理如下：
阶跃恢复二极管（简称阶跃管）又称为电荷储存二极管。这是由于这种二极 管在电路中应用时，其电流或电压的阶跃变化是由于二极管内电荷储存作用所引起的。故按照其主要外部特性来看可以将它命名为阶跃管，而考虑其主要内部物 理过程时又可命名为电荷储存二极管。
当一个PN结二极管正向偏置时，阻挡层变窄，势垒降低，因而其势垒电容 增大。与此同时，少数载流子因密度超过热平衡值而在一定扩散长度内运动，形 成了扩散电容。当外加电压自负值变为正值时，其结电容将由较小的势垒电容变 为很大的扩散电容与势垒电容之和。二极管由负偏至正偏，结电容就自一个较小 的电容突变阶跃至一个很大的电容。
PN结正向导电时的少数载流子储存，在直流和低频情况下，不会造成太大 影响，但在高频情况下就完全不同了，若外加电压的周期L与少数载流子在一定 扩散长度内运动的储存时间ts (或称少数载流子寿命）相近或更短时，正半周正 向导电储存的少数载流子在电压反极性后尚不能符合完毕，就被反向电压拉回， 产生了远远大于I的反向电流。直到储存的少数载流子耗完后，才迅速恢复截止， 因而在负半周的相当一段时间内会产生导通现象。将这种现象称为高频整流失效 现象。
阶跃管是在制造时采取了一定的措施以增大其电荷储存作用的一种二极管， 设计时尽量使少数载流子的分布集中，即将少数载流子约束在PN结界面附近的 一个极窄的区域内，同时，有意增大正向偏压时PN结内少数载流子的储存量， 即让少数载流子有足够的寿命使它在正向偏压时来不及复合掉。这样一来，当偏 压由正到负时，就会有相当多的储存电荷释放出来而形成了很大的反向电流。而 当储存的电荷耗尽时，电流突然减小（反向电阻快恢复时间）。当设计了最佳杂 质分布后，可以把这个过渡时间做得很小（几ps-几百ps)
发明内容
本实用新型以阶跃恢复二极管作为主要倍频手段，解决了现有技术中存在的 问题，提供了一种谐波发生器，具体技术方案如下：
一种谐波发生器，用于微波频段。该发生器包括依次连接的选频匹配网络、
信号放大网络、级间匹配网络、脉冲产生网络和输出匹配网络；所述脉冲产生网 络采用阶跃恢复二极管作为核心部件。
所述选频匹配网络采用电容到地的电路形式，对信号放大网络的感性输入阻 抗进行容性补偿。同时，由于电容器件在不同频率下的不同阻抗值，可以实现窄 带匹配，对其他频率的输入信号有一定的抑制作用。
所述信号放大网络采用功率放大三极管做核心器件，并通过自偏置方式来提 高功率输出和稳定性。
所述级间匹配网络采用带通滤波器；该带通滤波器的输入阻抗匹配于功率放 大三极管的输出阻抗，带通滤波器的输出阻抗匹配于阶跃恢复二极管的输入阻 抗。该网络电路中的电感采用高Q值的漆包线绕制电感及高Q值电容组成的网络， 构成一个近似无耗的匹配网络。
所述输出匹配网络是通过分布参数设计的宽带匹配网络，该网络采用了50
欧姆微带进行输出分布参数匹配。由于本产品其输出端为阶跃恢复二极管，在不 同频率下有不同的输出阻抗，因此在设计时通过对分布参数电路的设计，采用了
适当宽度的微带线输出。
所述高性能阶跃恢复二极管的电参数是最大储存时间为5-50ps，最大阶跃恢 复时间为50-100ps的阶跃管芯。
组成谐波发生器的器件采用管芯通过金丝直接键合在微带电路上。阶跃管的主要电参量有：
1. 阶跃恢复时间t"阶跃恢复时间短，就意味着电流跃变的速率大。通常 定义反向电流从90%降到10%所需的时间为阶跃恢复时间tt。因为电流跃变速率 的大小是确定二极管产生窄电压脉冲的能力的，而所产生的脉冲宽度愈狭窄，则 其输出高次谐波分量就愈丰富，所以实际上也确定了其输出频率的上限。为了实 现微波波段的倍频，要求tt的数值小于lns。（阶跃恢复时间tt小于lns)
2. 少数载流子寿命t;少数载流子寿命长，就是在激励电压反向时储存电 荷的复合时间ts长，因此t值大可使二极管具有足够多的储存电荷，这样就能 产生较大反向电流的跃变。 一般要求t值应大于输入信号周期的三倍左右。但 t难以测量，故有时给出起同样作用的储存时间t,参量。
3. 动态电阻Rs (串联损耗电阻）；它代表阶跃管工作时的损耗。Rs越小， 倍频效率就越高。通常Rs值在0.5-5欧姆之间。动态电阻Rs即串联损耗电阻的 阻值在O. 5-5欧姆之间。
4. 结电容Cj;结电容小，就使得输入信号电压可以大部分加在PN结上，而不 致使Rs上的压降比例太大。因此在工作频率上，我们要求Rs值应远小于结电容的 容抗值。通常要求C,容抗值大于Rs的20倍以上，以保证倍频效率。结电容Cj的容 抗值大于Rs阻抗的20倍。
5. 击穿电压V。
6. 正向电流L
7. 最大耗散功率Pmax。
以上后三项电气参量决定了阶跃管的最大容许输入功率和输出功率。在一定 的正向偏压条件下，正向电流的幅值越大越好。因为此时正向激励储存电荷就越 多，反向脉冲电流就越大，输出功率也就越大。VB值限制了最大容许的输入电压
及产生窄脉冲幅度。P,是由热状态决定的。Vb和Pmm越大，就容许更大的输入功
率；因此在一定的转换效率情况下，能得到更大的输出功率。 本实用新型的有益效果包括：
本谐波发生器是以阶跃管作为主要倍频手段的产品。该产品在结构上采用了 单级阶跃管倍频的方式。与以上两种倍频方式(变容管倍频器级联和晶体管倍频 器级联)相比，阶跃管倍频器可以实现高阶倍频，单级阶跃管就可以倍频至十次 甚至几十次。同时，在宽带匹配的条件下，输出波形可以在高次频率上也保持比 较大的功率。这种方式相比传统的变容管倍频级联和晶体管倍频级联的方式来 说，电路结构简洁，不需要有复杂的空闲电路，有效地减小了产品的体积和重量。 并且单级倍频相比级联倍频可以得到更好的相位噪声。简洁的电路设计拥有较高 的可靠性，质量等级高，做密封后可直接应用。
适合批生产，本发生器尽管电路设计要求高、但电路实现形式简洁、可重复 性高，完善设计后调试工作量小，使用自动测试设备后，也可以大大减少测试工 作的工作量，因此使其大量生产变为可能。
用途广泛，本发生器作为一个标准件，可以适应不同场合的需要。谐波发生 器通过与不同的滤波器互联，可以提取出不同的谐波，用来满足各种需要，同时 由于其相比锁相环路良好的相位噪声以及高稳定性、可重复性，用途必将越来越
广泛。随着通讯频率的提高，高频产生技术的应用将会增多，这时，谐波发生器 这种方便的产生高频的技术型产品将得到广泛推广。用于卫星通讯频段，谐波发 生器可以方便地产生任意次的谐波。附图说明
图1谐波发生器的模型原理图
图2谐波发生器电原理图
图3谐波发生器的电路装配图
具体实现方式
下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明。 本谐波发生器的具体实现方式有很多种，以下举出一种实例加以说明。在本
例中阶跃恢复二极管的电参数是最大储存时间为25ps，最大阶跃恢复时间为70ps 的阶跃管芯。
一种谐波发生器，用于微波频段。该发生器包括依次连接的选频匹配网络、 信号放大网络、级间匹配网络、脉冲产生网络和输出匹配网络；所述脉冲产生网 络采用阶跃恢复二极管作为核心部件。
所述选频匹配网络采用电容到地的电路形式，对信号放大网络的感性输入阻 抗进行容性补偿。同时，由于电容器件在不同频率下的不同阻抗值，可以实现窄 带匹配，对其他频率的输入信号有一定的抑制作用。
所述信号放大网络采用功率放大三极管作核心器件，并通过自偏置方式来提 高功率输出和稳定性。
所述级间匹配网络采用带通滤波器；该带通滤波器的输入阻抗匹配于功率放
大三极管的输出阻抗，带通滤波器的输出阻抗匹配于阶跃恢复二极管的输入阻
抗。该网络电路中的电感釆用高Q值的漆包线绕制电感及高Q值电容组成的网络， 构成一个近似无耗的匹配网络。
所述输出匹配网络是通过分布参数设计的宽带匹配网络，该网络采用了50 欧姆微带进行输出分布参数匹配。由于本产品其输出端为阶跃恢复二极管，在不 同频率下有不同的输出阻抗，因此在设计时通过对分布参数电路的设计，采用了
适当宽度的微带线输出。
组成谐波发生器的器件采用管芯通过金丝直接键合在微带电路上。 本谐波发生器主要核心部件是脉冲产生网络。为了得到比较完整的梳状波 形，采用可以高次倍频的阶跃恢复二极管作为核心脉冲产生部件。 一般信号功率 都在mW量级，而为了使阶跃恢复二极管正常工作， 一般都需要500mW功率输入。 因此，在产品设计时集成了一个功放网络。为了使功放网络产生的功率能完全用 于激励脉冲产生网络，采用了级间匹配网络。针对不同的输入频率，必须设计不 同的选频匹配网络，减少相位误差，抑制输入杂波。为了得到比较平滑的梳状波 形，输出必须设计成一个宽带匹配网络，并且在尽可能的情况下，向高次匹配。 综上所述，谐波发生器的原理如图l所示。谐波发生器电路是由多个双端口网络 组合而成。而其中核心网络是信号放大网络和脉冲产生网络。其他网络存在的目 的是为了保证谐波发生器工作在高效率的状态。 输入频率选择性匹配，即选频匹配：
在相参频率源系统或其他系统中，参考信号与谐波发生器之间的失配可能导 致输入信号的相位变化，影响频率源系统的频谱纯度；同时参考信号的谐波分量 也有可能通过阶跃恢复二极管产生不必要的谐波分量，与本身信号的谐波分量产 生叠加，从而影响输出信号的相位噪声。针对此问题，本品舍弃了传统的阻性匹 配（宽带匹配），改为有选择性的容性匹配（窄带匹配），有效地抑制了输入信 号中的其他频率分量，从而提高了输出信号的频谱纯度。选择性输入，对指定输入频率进行窄带匹配，有效抑制了需要频率外的杂波， 同时使输入频率上的功率可以更大效率地传输给电路，并减少了相移。可以通过 选择性匹配适应特殊的频率点需要，降低了对输入频率频谱纯度的要求。
信号放大网络是为了产生足够的功率来激励阶跃管，同时在输入和输出之间 起隔离作用。在这里我们需要使用输出功率较大、功耗相对较低、散热相对较好 的放大三极管来实现，功率三极管效率高、可靠性高，在做过一些热设计后，可 以适应本产品需要。
阶跃二极管正常工作需要一定的功率输入，因此需要对输入信号进行放大并 要求滤波。放大网络需要保证对阶跃管的功率激励，同时还要兼顾功耗和散热的 要求。同时为了保证输出信号的底噪声不至于过高，还要考虑噪声系数的要求。
级间匹配网络通过谐振设计，使工作频率的功率来激励阶跃管，同时抑制其 他频率的杂波。级间匹配网络兼有匹配、滤波、电感激励等作用，在确定谐波发 生器的主要结构（包括功放和倍频的结构）以后，级间匹配网络设计将直接关系 到整体谐波发生器的性能。同时，为了保持本产品的体积小、重量轻、可靠性高 的特点，级间匹配网络的设计必须尽可能简洁，为了保证激励阶跃二极管的功率， 在这里我们采用了高Q值的漆包线电感，来构成一个近似无耗的匹配网络。这样 也同时降低了调试难度。在阶跃管输入设计一个激励电感，对阶跃管的输入容抗 进行补偿。
在相参频率源系统或其他系统中，参考信号的大小是有限的，而需要产生和 提取的谐波信号大小希望越大越好，这样整个系统易于设计，电路复杂程度下降， 设备可靠性提高。
谐波发生器所有的谐波分量都是阶跃恢复二极管产生的窄脉冲产生的，针对 此问题本产品优选高性能阶跃恢复二极管，设计输入、输出匹配网络。
因为本产品的开发意义是为了方便产生高次谐波，而阶跃管必须在进行输出 匹配后接一宽带纯阻负载的情况下，才有可能产生梳状波形。因此，必须在输出 端进行匹配设计。由于输出频率要远高于输入频率，因此在输出端口的匹配完全 按照分布参数进行匹配。用CAD的微带线模型进行计算，得到匹配效果。
本实用新型应用于微波波段，当频率达到Ku或以上频段时，阶跃管的封装参 数将给设计带来非常不利的影响。因此本产品中使用管芯通过金丝直接键合在微 带电路上，来消除封装参数。
选择适当质量等级的合格元器件并按相应标准降额使用。在谐波发生器设计 时将电路设计、结构设计、热设计、电磁兼容设计等统一考虑。
下表是当前国内有关谐波发生器产品与本谐波发生器的主要技术指标比较-
产品主要性能对比表:
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