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(guò)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(lái)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(wú)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(lái)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(lái)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。
    輸入匹配電路的設(shè)計(jì)主要是使激勵(lì)源與FET輸入阻抗實(shí)現(xiàn)共軛匹配，保證激勵(lì)功率中的基波有效的加到FET輸入端，同時(shí)抑制其他諧波輸入和返回激勵(lì)源，這也是高功率和高效率輸出的基礎(chǔ)。在距離FET輸入端的輸入微帶線上并聯(lián)一條對(duì)應(yīng)2ωo的λ／4開路短截線，用來(lái)反射二次諧波信號(hào)，使輸入電路在二次諧波頻率上等效阻抗為0，防止二次諧波泄漏至激勵(lì)源。輸入微帶線的長(zhǎng)度取為2ωo的λ／2，使對(duì)于二次諧波頻率而言，輸入端始終為短路點(diǎn)，可以減小輸入電路變化對(duì)輸出電路的影響。
    輸出匹配電路是使輸出FET阻抗與諧振回路匹配，以獲得最大的倍頻功率和轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于FET，基波輸出功率與需要的諧波輸出功率相差不大，故二倍頻設(shè)計(jì)對(duì)基波功率的抑制尤為重要。在距離FET輸出端的輸出微帶線上并聯(lián)一條對(duì)應(yīng)ωo的λ／4開路短截線用來(lái)反射基波信號(hào)，即使輸出電路在基波頻率上等效阻抗為0，輸出微帶線的長(zhǎng)度取為ωo的λ／2，使對(duì)于基波頻率而言，輸出端始終為短路點(diǎn)，可以減小輸出電路變化對(duì)輸入電路的影響。
    偏置電路和隔直電容的設(shè)計(jì)。偏置電路用以提供倍頻器合適的偏置電壓，直流工作點(diǎn)不僅直接影響輸出功率和效率的高低，而且還密切地關(guān)系到倍頻電路的穩(wěn)定性，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，甚至可能使倍頻器完全不能工作。另外，為防止輸入／輸出偏置電路形成低頻空閑回路，在
輸入／輸出阻抗部分分別加ωo，2ωo的λ／4高阻抗線，以減小偏置電路引起射頻信號(hào)的泄漏。設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮避免直流偏置電路的電源噪聲及電阻噪聲混入射頻通道影響倍頻噪聲性能，而且電源紋波及噪聲可能惡化相位噪聲和雜波抑制指標(biāo)，電源過(guò)沖可能損壞內(nèi)部電路，應(yīng)使用低紋波的無(wú)過(guò)沖電源，且直流供電必須足夠大且去耦。同時(shí)考慮柵極和漏極偏置電壓加電時(shí)序，以防器件損壞，此外，還要考慮小的附加損耗、寄生振蕩的抑制、獨(dú)立電源供電、反射等，所有這些都應(yīng)該在實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中得到充分的考慮。

2 二倍頻器設(shè)計(jì)與仿真
2．1 晶體管選擇
    在倍頻器設(shè)計(jì)過(guò)程中首先要選擇合適的非線性器件作為倍頻器件，器件選擇主要考慮以下三點(diǎn)：
    (1)要充分利用晶體管工作頻率的上限，有利于保持電路穩(wěn)定性，預(yù)防自激。
    (2)選擇非線性強(qiáng)的管子，根據(jù)工作狀態(tài)和激勵(lì)功率、輸出功率的要求挑選直流參數(shù)和極限參數(shù)符合要求器件。
    (3)對(duì)于頻率很高時(shí)，還需晶體管具有較大的Rds和較小的Cgs。
    在電路設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)指標(biāo)是ADS優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，即輸出功率、效率、倍頻增益、帶寬等。在Ku頻段倍頻增益中，考慮的主要技術(shù)指標(biāo)是穩(wěn)定性、倍頻增益和輸出功率，從理論上講，可以選擇雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管，但場(chǎng)效應(yīng)管相對(duì)于雙極型晶體管有更高的截止頻率，工作狀態(tài)的穩(wěn)定性也比雙極型晶體管好。綜合考慮系統(tǒng)指標(biāo)要求，此次設(shè)計(jì)采用NEC公司的GaAs MESFET NE900100實(shí)現(xiàn)倍頻。
    由ADS軟件中，由NE900100的等效模型容易得到其I-V特性，如圖2所示。從圖中可以看出，其固有性能參數(shù)如下：夾斷電壓Vt=-4 V，漏極電流峰值Imax=227 mA，DATASHEET還提供了管子的典型應(yīng)用狀態(tài)，Vds=8 V，Idds=90 mA及其小信號(hào)S參數(shù)。

    由式(3)可知，對(duì)于二次諧波，電流脈沖持續(xù)時(shí)間的最大值通常選在τ／T=0．35處。由于電流脈沖持續(xù)時(shí)間與導(dǎo)通角存在如下關(guān)系：
   
    調(diào)節(jié)漏極電流脈沖持續(xù)時(shí)間主要反映為柵極偏壓的選取，也反映為導(dǎo)通角的選取，即?。?br />    
    為獲得二倍頻最大輸出功率，選擇導(dǎo)通角為126°，對(duì)應(yīng)得到最大二次諧波分量，但同時(shí)要注意對(duì)基波和三次諧波的抑制。此時(shí)主要通過(guò)調(diào)節(jié)柵極偏置來(lái)實(shí)現(xiàn)短的導(dǎo)通間隔，選擇Vgg<Vt，使得τ／T=0．35，同時(shí)Vgg的選取還必須考慮柵極偏壓對(duì)峰值反向電壓的影響，避免超過(guò)擊穿電壓而損壞管子。
   由式(3)得：
  
    計(jì)算得漏極電流(單位：mA)輸出二次諧波分量的最佳極值為：
   
    結(jié)合式(9)及FET特性、約束條件來(lái)選擇合適的柵極和漏極偏置電壓，使得電路能夠達(dá)到較好的變頻性能。
2．2 輸入匹配電路設(shè)計(jì)與優(yōu)化
    通過(guò)ADS對(duì)輸入匹配電路進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示。將匹配輸入端與輸出端阻抗分別設(shè)為50 Ω及FET輸入阻抗的共軛值，通過(guò)優(yōu)化各微帶線的長(zhǎng)度使匹配電路反射二次諧波信號(hào)，而對(duì)輸入基波信號(hào)沒有影響，如圖4所示，優(yōu)化后的匹配電路對(duì)二次諧波有良好的抑制作用，對(duì)于二次諧波S21<-27 dB，而在基波處S21<-0．1 dB，S11<-33 dB，對(duì)基波影響很小。

2．3 輸出匹配電路設(shè)計(jì)與優(yōu)化
    輸出匹配仿真原理圖如圖5，將輸入阻抗值設(shè)置為NE900100的輸出阻抗共軛，而終端阻抗值設(shè)置為50 Ω，通過(guò)優(yōu)化使匹配電路反射基波信號(hào)，而對(duì)需要輸出的二次諧波信號(hào)基本沒有影響，優(yōu)化后的輸出匹配電路仿真結(jié)果如圖6所示，對(duì)于基波S21<-20 dB，而在二次諧波處S21 <-0．01 dB，S11<-33 dB，對(duì)二次諧波影響很小。

2．4 半波長(zhǎng)平行耦合濾波器設(shè)計(jì)
    由于二倍頻器輸出包含有較豐富的頻率分量，為了改善頻譜質(zhì)量，在倍頻后須加帶通濾波器使輸出信號(hào)有較好的功率起伏和諧波抑制能力，良好的濾波器是倍頻的關(guān)鍵。
    根據(jù)方案需要，給定二倍頻器輸出濾波指標(biāo)如下：中心頻率為12．4 GHz；帶寬為300 MHz；帶內(nèi)紋波小于0．1 dB；帶外衰減大于20 dB(f>12．7 GHz或f<12．1 GHz)；端接條件是兩端均為50 Ω帶線。
    這里選用半波長(zhǎng)平行耦合帶通濾波器，它具有半波長(zhǎng)開路諧振器平行耦合濾波器和半波長(zhǎng)短路諧振器平行耦合濾波器兩種對(duì)偶形式，其寄生通帶中心頻率是主通帶頻率的3倍，不存在表面波，不需要對(duì)地連接，在Ku頻段具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。它既適用于窄帶設(shè)計(jì)也適用于寬帶設(shè)計(jì)，但用于寬帶時(shí)其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且需要支撐，對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的窄帶濾波器，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且可采用近似設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算。
    平行耦合濾波器的每一節(jié)耦合線電路均可等效為一個(gè)導(dǎo)納倒相器和在兩端連接有電長(zhǎng)度特性導(dǎo)納為Yo的傳輸線組合，這里采用第一種形式耦合電路，其等效電路如圖7所示。

    分析時(shí)采用傳輸線的A，B，C，D矩陣來(lái)計(jì)算，導(dǎo)納倒相器可視為特征阻抗為1／J的1／4波長(zhǎng)傳輸線，故可得出每個(gè)耦合電路的等效電路A，B，C，D矩陣如下：
   
    其奇偶模阻抗為：
   
    上面是對(duì)于單個(gè)耦合電路而言，考慮n+1節(jié)耦合電路級(jí)聯(lián)組成的帶通濾波器，通過(guò)單個(gè)耦合電路奇偶模阻抗可推得n+1節(jié)耦合電路級(jí)聯(lián)帶通濾波器的奇偶模特征阻抗如式(12)，式(13)，式(14)所示。
   
    根據(jù)上述公式即可求出n+1節(jié)耦合線級(jí)聯(lián)帶通濾波器奇偶模特征阻抗，要注意的是其阻帶特性不是十分理想，特別是在2ωo的衰減極點(diǎn)處，稍有失諧便可能產(chǎn)生寄生通帶，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行精心仿真和調(diào)試。
    設(shè)計(jì)之初要考慮濾波器級(jí)數(shù)n的選擇，因?yàn)槠溥x擇會(huì)直接影響濾波器插損和帶外特性，此外還要在分析濾波器通帶及帶外特性的基礎(chǔ)上對(duì)濾波器進(jìn)行理論估算。對(duì)于相對(duì)帶寬較窄時(shí)可利用濾波器的近似設(shè)計(jì)方法來(lái)計(jì)算其結(jié)果，這樣處理雖然簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和計(jì)算過(guò)程，但得到的結(jié)果往往存在精度不高的問(wèn)題。利用先進(jìn)的ADS仿真軟件對(duì)其進(jìn)行正確的建模，可以對(duì)理論計(jì)算結(jié)果反復(fù)的仿真和優(yōu)化，直到結(jié)果滿足指標(biāo)為止。
2．5 倍頻電路設(shè)計(jì)與優(yōu)化
    將優(yōu)化后的參數(shù)代入如圖8所示的倍頻仿真電路，為了便于觀察激勵(lì)電平影響，選用ADS中的單音頻率源作為輸入端，其阻抗可以人為設(shè)定，根據(jù)倍頻器的外圍環(huán)境阻抗決定此時(shí)阻抗為50 Ω。為保證仿真優(yōu)化結(jié)果接近實(shí)際值，必須考慮建模的精確性。比如器件封裝的影響，對(duì)電路中傳輸線和匹配網(wǎng)絡(luò)建模要盡量接近實(shí)際，比如重點(diǎn)考慮微帶突變節(jié)、十字節(jié)、開短路短截線的設(shè)計(jì)。

    介質(zhì)基板材料應(yīng)選用表面光滑度高、韌性好、硬度高的低損耗微波介質(zhì)材料，盡量選用小尺寸電路以減小傳輸線損耗，另外還要考慮所選基板介電常數(shù)隨環(huán)境溫度及濕度變化要小，除了考慮基板厚度、相對(duì)介電常數(shù)以外，還包括介質(zhì)損耗角正切等參數(shù)。綜合考慮成本及上述因素后，整個(gè)電路制作在介電常數(shù)εr=2．22，厚度H=0．127 mm的Rogers RT／duroid 5880基板上。
    在保證穩(wěn)定性的前提下仔細(xì)設(shè)計(jì)輸入／輸出匹配及偏置電路，得到匹配網(wǎng)絡(luò)初值，再利用ADS的諧波平衡分析方法對(duì)電路進(jìn)行仿真和優(yōu)化，仿真電路如圖8所示。運(yùn)用軟件進(jìn)行多次的仿真優(yōu)化來(lái)選擇合適的激勵(lì)功率，由于所選GaAsFET工作在1．5～26．5 GHz頻段，基波分量仍占主導(dǎo)地位，同時(shí)還需進(jìn)一步濾除無(wú)用諧波以得到理想倍頻效果。這里主要關(guān)心二次諧波輸出，由于倍頻器產(chǎn)生的諧波幅度并不完全與激勵(lì)功率成正比，綜合考慮倍頻損耗及基波、三次諧波的影響，選擇最佳變頻損耗對(duì)應(yīng)激勵(lì)功率為10 dBm，中心頻點(diǎn)12．4 GHz的仿真優(yōu)化輸出頻譜特性如圖9所示。從總體仿真結(jié)果來(lái)看，倍頻器可獲得理想的變頻損耗，同時(shí)對(duì)于基波和無(wú)用諧波的抑制效果良好，符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)
    本文討論了一種GaAsFET倍頻器的設(shè)計(jì)，介紹了設(shè)計(jì)的具體流程和方法，并充分利用ADS仿真軟件對(duì)倍頻器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，省去了復(fù)雜的理論分析計(jì)算，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)倍頻器的CAD設(shè)計(jì)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。