毫米波固态倍频源可将低频信号倍频至高频段以实现信号的稳定输出,是获得毫米波信号源的主要途径,具有带宽宽、功耗低、可靠性高等众多优点。本文对实现毫米波固态频率源的核心部件—倍频器的理论基础与实现方法进行了研究,以研制出低成本、符合项目应用要求的K波段和W波段相应频带的固态倍频器为研究目标,通过建立肖特基二极管精确的三维等效模型,采取合适的电路设计方案以提高设计可靠性,获得尽可能满足指标要求的倍频器,并结合功率放大器、滤波器等模块构成倍频链路,成功实现其在毫米波倍频源中的应用。本文的主要研究内容包括:1.基于肖特基反向并联二极管对(APDP)DMK2308,采用装配简单可靠的串联平衡式倍频结构,研制出具有良好输出功率平坦度的K波段三倍频器。输出端集成指定频段的带通滤波器,并进行一体化仿真优化,实现良好的频选特性,有效滤除系统带外杂波。基于二极管对的全尺寸三维等效电路模型,利用HFSS和ADS相结合的场路联合仿真方法,优化设计了倍频器的输入输出匹配和滤波器电路并进行了实物的加工与实验研究。测试结果表明,在输出21.6-24.9GHz频带范围内,输入12dBm驱动功率时,倍频损耗典型值为16dB,输出功率平坦度±0.9dB,测试结果与仿真结果具有较好的一致性,带外抑制特性明显。为协调前后级联模块的功率配比,在输入端和输出端分别添加两级和一级放大,实现倍频放大模块,提供-12dBm输入功率时,输出功率典型值为18dBm,变频增益达到30dB,通带内输出功率波动值仅2dB。2.采用平衡式的Erickson倍频结构和混合集成工艺,基于Macom公司的MA4E1310二极管,研制了 K波段14-23.2GHz频段的平衡式二倍频器。通过设计良好的微带波导过渡结构使基波信号由WR90波导馈入,选取合适的输入输出匹配结构,采用场路结合的方法仿真优化得到具有最大输出功率的二次谐波信号。对于加工和安装精度有较高要求的重要参量进行了敏感性分析,并研究了有效提高功率容量的方法。经过实验研究,在14-23.2GHz频段范围内,输入18dBm信号时,倍频器输出功率典型值4.5dBm,倍频损耗典型值为13dB,通带内平坦度特性较好。类似K波段三倍频器,为便于实际应用,在微带波导过渡结构前添加两级放大器构成有源二倍频模块,实验结果表明当输入-3dBm信号时,输出功率典型值为3dBm,变频增益为6dB,满足系统应用要求。3.坚持经济可靠的原则,基于K波段二倍频器有关MA4E1310二极管的成功经验,同样采用反向并联结构,针对第四章分析的敏感性参量,专门研究二极管安装区域的阻抗特性,优化倍频器的输入输出匹配和滤波电路,重点设计鳍线和探针两种过渡结构,保证工艺可实现的情况下完成微带波导的良好过渡,优化设计W波段78-105GHz频段满足系统应用要求的三倍频器并进行了实物加工与实验研究。测试结果显示,输出78-105GHz频率范围内,当输入20dBm左右驱动功率时,鳍线和探针结构倍频器的倍频损耗典型值分别为17.5dB和19dB,输出功率平坦度均为±1.5dB,测试结果与仿真结果较为吻合,设计可靠性高。4.基于K波段和W波段倍频器的成功研制,将其与实验室现有的功率放大器、滤波器等模块级联构成毫米波倍频源系统中的倍频链路。通过统筹协调各子模块间的输入输出功率和频谱特性,按照指标要求分模块调试后系统集成,实现W波段信号的稳定输出。实验结果表明,输出90-102GHz频段内,当信号源提供-3dBm驱动功率时,W波段三倍频器的输出功率典型值为1dBm,波动范围在±1dB之内,平坦度特性良好。