基于ADS仿真的X波段二倍頻器設(shè)計(jì)

摘要：利用GaAsFET的非線性特性設(shè)計(jì)了一個(gè)X波段二倍頻器，輸入頻率為6．1～6．3 GHz，輸出頻率為12．2～12．6 GHz，帶寬400 MHz。在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合微波仿真軟件ADS對(duì)輸入匹配電路、輸出匹配電路和平行耦合帶通濾波器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過S參數(shù)及諧波平衡仿真得到倍頻器的各項(xiàng)性能參數(shù)。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)完全滿足性能指標(biāo)要求。
關(guān)鍵詞：倍頻器；ADS；匹配電路；帶通濾波器

0 引言
倍頻器作為基本的電子部件，被廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、頻率合成器等各種電子設(shè)備中。倍頻的實(shí)現(xiàn)均是以器件的非線性為基礎(chǔ)的，倍頻電路有效地提取所需的諧波，而將基波和不需要的諧波加以抑制。場(chǎng)效應(yīng)管(GaAsFET)有源倍頻器具有單向性及隔離度好，變頻損耗低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以得到較高效率和較寬工作頻率，對(duì)輸入功率要求較低，噪聲小，溫度穩(wěn)定性高。
本文介紹了一種基于GaAsFET的X波段二倍頻器設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)性能指標(biāo)要求選擇合適的有源器件，確定相應(yīng)的工作狀態(tài)、偏置條件及器件的穩(wěn)定狀態(tài)，然后合理設(shè)計(jì)匹配、偏置及濾波電路，最后對(duì)整體電路進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)中采用微波仿真軟件ADS對(duì)電路進(jìn)行CAD輔助設(shè)計(jì)，并給出仿真結(jié)果。

1 GaAsFET倍頻原理
二倍頻器主要考慮的指標(biāo)為工作頻率、帶寬及變頻損耗，理論上可用各種非線性器件實(shí)現(xiàn)倍頻，實(shí)際常用二極管或三極管倍頻，因?yàn)榇藭r(shí)相對(duì)帶寬較窄，倍頻次數(shù)小。相對(duì)于二極管和雙極晶體管來講，采用場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)倍頻器的突出優(yōu)點(diǎn)是能在一個(gè)寬頻帶范圍內(nèi)獲得倍頻增益，并可在輸入和輸出端之間提供有效的隔離。在考慮成本及各項(xiàng)指標(biāo)要求后，決定采用變電阻類型的GaAsFET實(shí)現(xiàn)，它具有變頻損耗低，隔離性好，電路穩(wěn)定，溫度特性好的優(yōu)點(diǎn)。為了在所要求的頻率上實(shí)現(xiàn)最小變頻損耗，偏置電路和匹配電路的設(shè)計(jì)非常重要。偏置電路的設(shè)計(jì)決定了輸出頻率中含所需頻率的諧波成分；匹配濾波電路的設(shè)計(jì)必須保證在獲得所需諧波分量最大的同時(shí)，力求無用諧波分量及寄生參量功率達(dá)到最小，保證最大輸入／輸出功率和良好隔離。
FET實(shí)現(xiàn)倍頻的原因是由于其非線性，主要來自以下幾個(gè)方面：
(1)柵源和柵漏極非線性電容Cgs和Cgd是外加結(jié)電壓Vgs和Vgd的函數(shù)。
(2)漏極電流Id限幅引起的非線性，即柵極偏置電壓接近柵極勢(shì)壘電壓φ，或接近夾斷電壓Vt時(shí)，輸入激勵(lì)電壓Vgs瞬時(shí)低于Vt或瞬時(shí)正向電壓高于柵極二極管導(dǎo)通電壓時(shí)，因截止限幅和飽和限幅作用引起Id的非線性。
(3)Vgs-Id的非線性變換特性，如平方律特性等。
根據(jù)FET特性可知，當(dāng)漏極輸出電阻較大時(shí)，，是典型的平方律特性。
(4)輸出電導(dǎo)非線性。FET截止型倍頻器原理如圖1所示，提供合理的偏置電壓是非常重要的，它與輸出功率、效率和穩(wěn)定性都有著密不可分的關(guān)系。

理論上雖然有諸多方法實(shí)現(xiàn)倍頻，但工程實(shí)踐表明對(duì)于GaAsFET，利用漏極電流Id限幅作用產(chǎn)生的豐富諧波可以實(shí)現(xiàn)高的倍頻增益，因此主要研究這種倍頻機(jī)理。與FET放大器理論相同，根據(jù)柵極偏壓的不同，倍頻器工作狀態(tài)可以分為A類、B類、AB類三種工作狀態(tài)。其中，A類工作時(shí)諧波幅度很小，且直流分量很大，幾乎占漏極飽和電流的一半多，故倍頻效率很低，不予采用；在B類、AB類工作時(shí)漏極輸出波形均含有比A類更多的諧波頻率分量，因而可采用此類電路實(shí)現(xiàn)高效率倍頻，其中AB類效率最高，但遺憾的是不能得到偶次諧波，且工作電流大，容易自激。為獲得高倍頻效率，此處采用B類倍頻。使柵極直流偏置電壓Ugg始終偏置于夾斷電壓Vt附近，利用管子的夾斷效應(yīng)使漏極電流Id為尖峰脈沖電流且含有豐富的諧波，此時(shí)可以將漏電流波形當(dāng)作半個(gè)余弦脈沖序列處理，如式(1)所示。

式中：Imax為漏極電流峰值；Vgmax，Vgmin分別為柵極飽和電壓和反向電壓峰值。
從式(3)可知，當(dāng)n值增大時(shí)，Imax減小，所以這種倍頻器不能用于高次倍頻，但完全滿足二倍頻。
倍頻器的設(shè)計(jì)與放大器基本相同，不同的只是輸出以2ωo代替ωo實(shí)現(xiàn)。由于倍頻器輸出頻帶要求較窄，相對(duì)帶寬不到3．5％，輸入／輸出端采用短截諧振線來實(shí)現(xiàn)匹配和諧波抑制。設(shè)計(jì)的主要工作在于直流工作點(diǎn)的確定，輸入／輸出匹配電路的設(shè)計(jì)和輸入激勵(lì)電平的選擇。