一种非线性传输线梳状波发生电路的制作方法

本发明属于信号源领域，具体涉及一种非线性传输线梳状波发生电路。

背景技术：

参考信号是信号源仪器整机信号输出的基础，直接决定了整机信号的相位噪声水平。目前高性能的信号发生器都要用到几百兆赫兹等间隔的多点参考信号，其产生方式还是传统的频率合成的方式，也就是多次倍频分频和混频的方式，其电路结构繁琐，占用面积大，而且很容易引入杂散和附加噪声。为了实现电路的小型化，参考发生电路可以采用基于非线性传输线或者srd的梳状波倍频技术，其中非线性传输线比srd具有更低的相位噪声特性，因此成为研发高性能信号发生仪器的首选，然而市面上非线性传输线芯片几乎全部为进口，价格为上万元并且是很多是禁运的，因此自主研制板级的非线性传输线参考发生电路就有十分重要的意义。然而要在板级上实现100mhz-1ghz信号输入，1ghz-10ghz输出功率在-20dbm以上，频响在15db以内的非线性传输线参考发生电路往往需要几十个单元级联，难以在板级上实现。

随着现代雷达和无线电通信技术等的发展，各种电子设备对其内部应用或系统测试使用的频率合成器不断提出更高的要求,其中重要的一点就是要有较小的体积和优良的相位噪声特性。目前锁相环路中采用基波混频的方式可以有效的抑制相位噪声，要实现基波混频的核心模块就是具有低相位噪声特性的多点参考信号发生电路。传统的频率合成的方式，也就是多次倍频分频和混频的方式，其电路结构繁琐，占用面积大，利用梳状波发生器可以大大节电路面积。

目前大多数的梳状谱发生器是利用阶跃恢复二极管的非线性电抗特性或利用双极性晶体管的非线性电阻特性实现的。这两种方法很大的缺点是电路调试复杂，第一种方法中的阶跃管是一种高度非线性的元件，很容易引起电路自激和振荡，因此在实际工作中需要仔细调试。第二种方法中工作于雪崩区的晶体管，易产生雪崩振荡，并且只能工作在较低频率，应用范围受限。

非线性传输线(nltls)是一种在传输线上连续或者周期式的加载非线性元素的结构。利用非线性传输线上形成激振波，实现了梳状谱产生。其电路结构简单、设计结果同理论分析相对吻合，调试简单，其实现频谱很宽，有很强的实用价值。目前nltls芯片基本都是国外产品，价格非常昂贵。如果能在板级上模拟nltls的梳状波效果将具有巨大的市场前景，现有的技术方案是跟芯片一样采用肖特基二极管实现的，方案如图1所示，方案中的d为微带线，二极管为肖特基二极管，方案中接近二十节的级联，边沿压缩的效果并不是很好，难以满足现在的市场应用，究其原因，非线性传输线要达到一定的边沿压缩效果，实现丰富的谐波分量，往往需要比较多的级联数量，往往是五十级以上的级联，而在板级上由于空间有限是难以实现这么多级级联的，尽管真的级联这么多级，由于板级的电阻耗散比较大，谐波分量也会消耗殆尽，不会有很好的效果。

1、传统的频率合成的方式，也就是多次倍频分频和混频的方式，其电路结构繁琐，占用面积大，而且很容易引入杂散和附加噪声，由于器件使用较多，成本并不低。

2、srd梳状波发生技术最高频率只能到18ghz，而且由于其工作机理的缘故，srd的相位噪声很难抑制的很好，通常最好也会有3db左右的附加噪声，因此在高端仪器上通常不会使用srd技术。

3、非线性传输线(nltls)的芯片性能好，但是几乎全部为外国产品，售价极高而且大多禁运，考虑到仪器的性价比和自主知识产权通常也不会使用。

4、目前国内在板级上运用工程化的方法模拟nltls的效果的技术效果并不好，一方面使用二十几级肖特基二极管级联的方式根本不能跟芯片几十上百级的级联效果相比，不可能实现100mhz-1ghz信号输入，1ghz-10ghz输出功率在-20dbm以上，频响在15db以内的技术指标，另一方面二十级的级联占用的电路板空间也并不算小，无法实现我们高端仪器小型化的目的。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种非线性传输线梳状波发生电路，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种非线性传输线梳状波发生电路，包括电源、参考发生电路和电阻；电源、参考发生电路和电阻之间通过线路连接；参考发生电路包括若干电感和若干变容二极管；电感之间采用串联的形式连接；二极管设置有多组，每一组包括两个二极管，两个二极管对称分布在电感的两侧，每组二极管并联分布。

本发明所带来的有益技术效果：

1相对于传统的频率合成电路，本nltl(nonlineartransmissionline，非线性传输线)电路空间降低为12％，成本降低为10％，。

2相对于srd(steprecoverydiode，阶跃恢复二极管)技术，本nltl电路拥有更好的频响和相位噪声特性。

3相对于nltl芯片，本nltl电路最突出的优点是成本低和自主可控，nltl芯片价格为几万元而且是禁运的，而本nltl电路成本为几十元。

4相对于现在工程化的肖特基nltl电路，本nltl电路所需要的级数更少，更节省电路空间，更重要的是边沿压缩效果远远优于现有的肖特基nltl电路，由此获得的频响和输出功率就更加优异。

附图说明

图1为现有的技术方案示意图。

图2为非线性传输线微带线电路图。

图3为非线性传输线电感电容等效电路图。

图4为c-v变化曲线示意图。

图5为非线性传输线的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

非线性传输线微带线电路由图2所示，其近似等效电路模型由串联电感和并联电容组成，如图3所示，两个电路在一般情况下，二者可以近似等效。

由非线性传输线的激振线理论可知：当输入信号的电压由v1变化到v2时，其波形被压缩的时间可以表示为：

那么输入信号通过单节网络之后上升沿或者下降沿被压缩的时间可以表示为：

其中，ll和cl为微带线等效的电感和电容，c(v)为二极管反向偏置时点电容随着电压变化的值，公式中的ll和cl都为固定值，δt的大小就有c(v)的最大值和最小值决定，如果二极管的非线性越强，那么单个传输线网络的压缩效果也就越好。c-v变化曲线如图4所示，反向偏置的二极管电容随输入信号电平的增加呈下降趋势，且在某范围内基本呈线性变化，这是非线性传输线研究的一种近似方法。

其函数表达公式为：

其中，m值被称为变容因子，是区分二极管类型的重要参数，肖特基二极管的m值一般为0.5，超突变节二极管的m值一般大于0.5。

由公式可以看出二极管的m因子变大，二极管的非线性也跟着增强。由于肖特基二极管的结构适合设计芯片，同时其耗散特性比较小，因此目前大多数非线性传输线芯片都选用肖特基二极管进行研制，肖特基二极管的非线性比较弱，因此需要的级联数量也比较多。而本技术的基本思想是突破传统的肖特基二极管的设计方案，选取非常规参数的变容二极管进行设计改进性非线性传输线，以极少的级联获得几十级级联的压缩效果，实现100mhz-1ghz信号输入，1ghz-10ghz输出，功率在-20dbm以上，频响在15db以内的技术指标。二极管无论自己研制或者市场上现有的，具体参数约束为：

0.5≤cj0≤2.5

5≤φ≤15

2≤m≤20

整个非线性传输线的网络只有电感和变容二极管组成，因为电感取代微带线，会避免掉微带线造成的电容效应，进一步增强网络的非线性，网络的级数为5-9级，不仅如此，整个非线性传输线的结构可采用二极管并联的方式，上下的二极管要保持对称，整个网络可以全部采用并联，也可以一部分采用并联，由具体设计需求来定，这样进一步增强了单节传输线的边沿压缩效果，非线性传输线的网络需要有偏置电压来调整输入波形用于压缩的电压幅度，偏置电压的大小由输入功率等条件决定，只有到调试期才能决定最优值，一般为1v-3.5v，为了能够推动传输线工作而又不烧坏变容二极管，输入信号的功率必须达到19dbm-25dbm之间。以上这些方法将所需的级数降到了最低，最终非线性传输线的结构如图5所示：

给本发明带来有益效果的关键技术点：

1、输入信号为功率19dbm-25dbm之间的100-800mhz信号，产生谐波范围是1-10ghz。

2、非线性传输线中使用电感取代微带线，最好选取高q值的电感，电感值为0.8nh-5nh。

3、网络的级数为5-9级，整个非线性传输线的结构可采用二极管并联的方式，上下的二极管要保持对称，整个网络可以全部采用并联，也可以一部分采用并联，由具体设计需求来定。

4、非线性传输线的网络需要有偏置电压来调整输入波形用于压缩的电压幅度，偏置电压的大小由输入功率等条件决定，只有到调试期才能决定最优值，一般为1v-3.5v之间。

5、所选取变容二极管无论是定制还是市场上的可以买到的，参数约束为：

0.5≤cj0≤2.55≤φ≤152≤m≤20。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。