利用E波段倍频器中的谐波相位状态提升频谱纯度新技术

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：Leveraging Harmonic Phase States in E-Band Multipliers to Improve Spectral Purity

本文针对高频系统中频谱纯度不足的问题，提出了一种基于谐波相位状态控制的新型倍频器设计方法。研究人员通过引入45°等相位差信号生成与合成技术，在SiGe工艺上实现了E波段四倍频器及D波段八倍频器。实测结果表明，该设计在60-90GHz频段实现最高35.5dBc谐波抑制，在110-170GHz频段达到38.3dBc谐波抑制，为高精度测量设备提供了创新解决方案。

　　

随着汽车雷达、移动通信和卫星通信技术的飞速发展，对高频信号质量的要求日益严苛。现代测量设备如矢量网络分析仪(VNA)和频谱分析仪(SA)通常工作在25GHz以下频段，需要扩展模块才能覆盖更高频段。虽然这些模块大多采用经过验证的分立元件技术，但近年来出现的片上系统(SoC)解决方案在实现高倍频链时面临频谱纯度下降的挑战。

传统倍频技术主要关注频率转换过程，而忽视了输入信号相位信息的重要价值。正如差分电路的共模抑制比(CMRR)原理所示，特定相位关系可以产生相长或相消干涉，从而有效抑制不需要的谐波成分。这种思路类似于 Weaver 和 Hartley 架构中的镜像抑制混频器，但将Δφ=90°的相位差进一步缩小，结合多次倍频操作，有望抑制更高阶次的谐波。

研究团队创新性地提出了两种基于谐波相位状态控制的新型倍频器设计方案。第一种采用延迟线结构，通过精确控制传输线长度产生所需的相位关系；第二种使用三路变压器设计，改善了前一种方案的带宽和输出功率限制。两种电路均采用英飞凌90nm B12HFC SiGe工艺实现，该工艺具有f_T/f_max=300/530GHz的HBT晶体管。

关键技术方法包括：采用多相滤波器(PPF)生成八路45°等相位差信号，通过相位校正缓冲器消除非理想性；使用级联放大器结构提升信号功率；针对E波段输出设计有源滤波器和变压器功率合成网络；D波段扩展部分采用吉尔伯特单元(Gilbert-cell)倍频器结构，结合λ/4延迟线实现二次倍频。

研究结果方面，延迟线四倍频器在58-90GHz频段实现32GHz带宽，最高谐波抑制达33.9dBc；变压器基四倍频器在69-81GHz频段实现12GHz带宽，谐波抑制提升至35.5dBc。D波段八倍频器将输出频率扩展至131-170GHz，带宽达39GHz，谐波抑制最高为38.3dBc。

理论分析部分通过数学推导和矢量图分析揭示了谐波相位状态的传播规律。研究表明，当输入信号具有特定相位关系时，各次谐波在经过倍频操作后会产生特定的相位分布。通过合理设计信号合成网络，可以使目标谐波产生相长干涉，而非目标谐波产生相消干涉。例如，四倍频操作后，4+8N次谐波会呈现同相特性，而其他次谐波则相互抵消。

多相滤波器的设计采用四级结构，通过正交生成、八相生成和相位增强三个核心阶段，逐步减小相位误差。理论计算表明，随着级数增加，相位误差呈现递减趋势，但边际改善效果逐渐减弱。实际设计中在损耗、频谱纯度和面积消耗之间取得平衡，最终采用同心圆布局的四级PPF结构。

辅助电路设计方面，研究团队开发了多种缓冲器结构以满足不同需求。前置放大器采用电感负载的功率放大器(PA)设计，通过饱和工作状态提供足够的驱动功率。相位校正缓冲器作为有源滤波器，确保输入信号的差分特性，同时提供0-3dB的增益。主动式巴伦(active balun)将单端输入转换为差分信号，最大不平衡度控制在0.3-0.5dBm/1.4°-2°范围内。

测量结果显示，延迟线四倍频器存在温度敏感性，在高温环境下性能发生变化。通过调整偏置电流解决了这一问题，最终在3.3V电源下消耗90.4mA电流。变压器基四倍频器由于滤波器的角频率偏移，带宽从设计的20GHz缩小至11.2GHz，但温度稳定性显著改善，在-18dBm输入功率下对环境温度变化不敏感。

性能对比表明，本研究提出的倍频器在谐波抑制性能上达到或超越了当前最新水平。E波段四倍频器的带宽和谐波抑制指标在同类设计中具有竞争力，D波段八倍频器在输出功率和带宽方面表现优异，仅在功率效率方面存在改进空间。这主要是由于提供精确相位关系所需的辅助电路增加了功耗。

本研究的重要意义在于首次将亚正交(<90°)相位控制技术应用于E波段及以上频段的倍频器设计，为高频系统提供了一种有效的频谱纯度提升方案。通过理论分析、电路设计和实验验证的完整研究流程，证明了谐波相位状态控制概念的可行性。尽管在功率效率和温度稳定性方面仍需优化，但该研究为未来高倍频数、高频谱纯度倍频器的发展指明了方向，对毫米波通信、雷达传感等高精度应用领域具有重要价值。