ADS軟件對(duì)倍頻器的嵌入式電特性仿真

關(guān)鍵詞：ADS；環(huán)境阻抗；激勵(lì)電平；倍頻器；倍頻效率

１　引言

眾所周知，在用倍頻鏈實(shí)現(xiàn)高頻、高穩(wěn)微波振蕩源的過(guò)程中，倍頻器倍頻效率的高低不僅對(duì)簡(jiǎn)化電路和保持電路穩(wěn)定性影響較大，而且對(duì)整個(gè)電路雜散、諧波的抑制都起著重要作用。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程需要復(fù)雜的理論推導(dǎo)、大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，或者依賴于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)?而在現(xiàn)實(shí)工程應(yīng)用中，有時(shí)卻需要一些特殊的倍頻器，如頻率不是很常用，倍頻次數(shù)又較高，采用外協(xié)加工，成本和時(shí)間都不劃算等。對(duì)于這些既沒有相關(guān)的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，又無(wú)法獲得倍頻三極管器件完整的物理參數(shù)的情況，探索一個(gè)能快速有效設(shè)計(jì)出高性能倍頻產(chǎn)品的方法就顯得十分有必要了。在ＡＤＳ射頻仿真軟件的幫助下，以ＡＴ４２０８６（三極管）５倍頻器（將１１４．８ＭＨｚ倍到５７４ＭＨｚ）為例，可以較完整地研究各種外圍條件對(duì)倍頻效率的影響。

２　仿真方法

當(dāng)把倍頻器單獨(dú)看成為嵌入式器件時(shí)，在某個(gè)三極管的特定靜態(tài)工作點(diǎn)下，倍頻器兩端的輸入阻抗特性、輸入端的激勵(lì)電平對(duì)倍頻效率都呈現(xiàn)出一種特殊的規(guī)律（比如說(shuō)倍頻器的激勵(lì)電平并不是越高越好，有時(shí)高的激勵(lì)電平反倒比低電平激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的諧波幅度低）。因此，如何確定正確的直流工作點(diǎn)、輸出端ＬＣ諧振回路和有效的激勵(lì)電平是設(shè)計(jì)中面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。鑒于這種情況，設(shè)計(jì)時(shí)可以充分利用現(xiàn)代射頻設(shè)計(jì)工具來(lái)進(jìn)行仿真以加快研發(fā)過(guò)程并設(shè)計(jì)出性能較好的倍頻產(chǎn)品。

利用ＡＤＳ仿真軟件中相應(yīng)的功能模塊ＳｍＺ１、ＳｍＺ２（注意：ＳｍＺ１、ＳｍＺ２模塊輸出的是共軛值，由于設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該賦給倍頻電路真值以模擬真實(shí)環(huán)境，所以要將結(jié)果取共軛），可以比較容易地處理仿真時(shí)電路外圍環(huán)境阻抗問(wèn)題，對(duì)于倍頻的前級(jí)（比如放大電路），可以在軟件中先建立放大電路原理圖，然后設(shè)置ＳｍＺ１模塊（測(cè)得輸出阻抗，也就是倍頻器輸入的環(huán)境阻抗）并運(yùn)行仿真以得到結(jié)果。同理，還應(yīng)對(duì)倍頻的后級(jí)電路做類似處理以得到倍頻輸出端的環(huán)境阻抗。這里所講的后級(jí)電路一般是指帶通濾波電路，對(duì)于大部分外購(gòu)的濾波器，其輸入、輸出端口都要求在５０Ω匹配條件下，因此，可以把５０Ω假設(shè)成倍頻器的輸出環(huán)境阻抗直接帶入倍頻電路進(jìn)行仿真。但這樣的問(wèn)題是：實(shí)際濾波器的濾波特性是在５０Ω匹配的環(huán)境下測(cè)得的，而并不一定是它的輸入輸出端口就正好是５０Ω，特別是對(duì)帶通濾波器，其端口一般呈容性，而在調(diào)試修正電路里還應(yīng)考慮如何在保證仿真有效性的前提下，對(duì)其進(jìn)行端口的失配現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)償。

利用嵌入法的設(shè)計(jì)思路是：把倍頻電路本身看成一功能單元，其工作時(shí)的外圍環(huán)境阻抗可以由輸入輸出兩端的負(fù)載來(lái)指定。另外，為了便于觀察激勵(lì)電平的影響，可選用ＡＤＳ中單音頻率源作為輸入端（該源也可人為指定環(huán)境阻抗）。倍頻電路可按照三極管倍頻經(jīng)典電路搭建。圖１所示是其倍頻仿真電路原理圖。在圖１中，對(duì)于ＬＣ回路，由于倍頻電路中ＬＣ回路器件可以有很多不同的組合，因此，它的選擇也頗有講究，具體的做法除可以參考相關(guān)文獻(xiàn)外，也可以用ＡＤＳ上的電路優(yōu)化功能，來(lái)讓軟件來(lái)選擇一組較為合適的取值。

本設(shè)計(jì)是以兩端５０Ω環(huán)境阻抗為例進(jìn)行的，若具體情況不是５０Ω或含有虛部，可以雙擊終端模塊直接修改輸出阻抗值的大小。格式為：（５０＋ｊ＊２４）Ω。

在此雖然用的是很簡(jiǎn)單的電路模型，但是，這并不影響利用ＡＤＳ對(duì)倍頻特性進(jìn)行仿真。

３　仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果驗(yàn)證

讓軟件進(jìn)行多次的仿真實(shí)驗(yàn)，可以使設(shè)計(jì)人員通過(guò)生成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在很短時(shí)間內(nèi)找到合適的輸入激勵(lì)電平。表１是筆者截取的一段數(shù)據(jù)。由于主要關(guān)心五次諧波，所以，為了便于觀察，將其制成表格，并將其鄰近的四、六次諧波也列了出來(lái)。

表1 不同激勵(lì)電平時(shí)的諧波功率值

從諧波分析結(jié)果圖表上可清楚的看到：當(dāng)激勵(lì)電平為１７ｄＢｍ的時(shí)，三極管ＡＴ４２０８６的倍頻效率是最高的（見圖２），為５．７２７ｄＢｍ。而在其鄰近的其它電平激勵(lì)下，倍頻后的５次諧波輸出都相對(duì)低一些。

通過(guò)研究倍頻器的倍頻效率對(duì)激勵(lì)電平的變化規(guī)律，可為確定輸入激勵(lì)電平的大小提供依據(jù)。不僅如此，在計(jì)算整個(gè)電路系統(tǒng)電平分配時(shí)，也可以把倍頻器件的有效激勵(lì)電平作為基點(diǎn)來(lái)折算出其它器件的工作電平值。

實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，作為射頻電路，即便原理上已經(jīng)設(shè)計(jì)的很好了，但由于電路工作頻率很高，實(shí)際電路板如果設(shè)計(jì)不好，就有可能導(dǎo)致信號(hào)波長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)發(fā)生變化，從而使電路出現(xiàn)自激、諧波抑制不好，波形失真、信號(hào)功率下降等現(xiàn)象。這里設(shè)計(jì)的倍頻器是一種對(duì)環(huán)境阻抗很敏感的器件。由于一般從電路設(shè)計(jì)上，都希望用盡量少的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。本電路輸出級(jí)元件少到只有ＬＣ諧振回路，因此一方面符合最小化設(shè)計(jì)要求，另一方面，輸出級(jí)又很容易受到負(fù)載的牽引而使倍頻效率降低。對(duì)此，可以通過(guò)ＡＤＳ軟件實(shí)驗(yàn)來(lái)分析這個(gè)現(xiàn)象。表２給出了兩例５次諧波的功率值。實(shí)際上，針對(duì)倍頻器的特點(diǎn)可以對(duì)這些“失配”提出一套切實(shí)可行的“修正”辦法。當(dāng)然，合理正確的仿真是能夠快速有效實(shí)現(xiàn)修正的先決條件。

倍頻器的輸入級(jí)一般是放大器或者放大器加衰減網(wǎng)絡(luò)，故前級(jí)的輸出阻抗是不好確定的，可能是容性，也可能是感性。也就是說(shuō)，修正倍頻器輸入端的環(huán)境阻抗比較困難，對(duì)此，可以把主要矛盾放到輸出級(jí)去。因?yàn)閮啥丝谄骷模訁?shù)不僅和本級(jí)有關(guān)，還和輸出級(jí)的匹配情況有關(guān)，在失配不是很嚴(yán)重的情況下，可以通過(guò)改善輸出級(jí)的匹配來(lái)同時(shí)修正兩個(gè)端口的匹配。為了實(shí)現(xiàn)倍頻器的倍頻功能，可以在輸出端加帶通濾波器以選出所需要的諧波信號(hào)。而設(shè)計(jì)良好的帶通濾波器的輸入端的端口一般都呈容性（如果不是，就意味著在ＤＣ附近還有一個(gè)通帶，這種情況很少見），因此可以在實(shí)際電路調(diào)試中把倍頻器輸出級(jí)與下面帶通濾波器連接的隔直電容（也就是圖１中的Ｃ４）取下來(lái)，而換用電感來(lái)抵償濾波器端口的容性效應(yīng)。筆者在實(shí)際調(diào)試中嘗試過(guò)兩種替代方法，而且都取得了很好的效果：一種是用貼片電感，其優(yōu)點(diǎn)是一致性好，適合批量加工。缺點(diǎn)是由于器件取值的離散性，因此在首次調(diào)試時(shí)需要拿很多不同值的電感焊到板子上試，而且也不容易取到最優(yōu)值；另一種是用漆包線的線繞線圈，特點(diǎn)是可以用鑷子進(jìn)行連續(xù)的電感值調(diào)試，容易取到最優(yōu)值，但這種方法的缺點(diǎn)是每件都需要手調(diào)，難于用在大規(guī)模的生產(chǎn)上。

表2 不同負(fù)載下5次諧波的功率值

筆者將Ｃ４換成線繞電感線圈后，實(shí)際調(diào)出的倍頻結(jié)果是５次諧波輸出功率大于軟件仿真得出的數(shù)值，即用線圈進(jìn)行無(wú)間斷的電感值調(diào)協(xié)可以彌補(bǔ)倍頻電路中器件取值離散而難以得到最優(yōu)倍頻結(jié)果的缺點(diǎn)，從而得到比軟件仿真還要好的諧波輸出功率。筆者的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果是：四次諧波：５．９５５ｄＢｍ，五次諧波：６．５５９ｄＢｍ，六次諧波：－１．２２６ｄＢｍ。

４　小結(jié)

本文以一個(gè)具體的例子著重講述了如何利用現(xiàn)代射頻仿真工具ＡＤＳ來(lái)優(yōu)化倍頻器的設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)針對(duì)軟件仿真與實(shí)際電路的客觀差距提出了一套行之有效的解決方案，并通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證使理論仿真和實(shí)際實(shí)現(xiàn)得到了良好的吻合。實(shí)踐證明：通過(guò)對(duì)ＡＤＳ軟件設(shè)計(jì)過(guò)程的優(yōu)化，可以提高工程開發(fā)效率，因而在人力、時(shí)間的投入上有著明顯的優(yōu)勢(shì)。