基于ADS仿真的X波段二倍频器设计

摘要：利用GaAsFET的非线性特性设计了一个X波段二倍频器，输入频率为6．1～6．3 GHz，输出频率为12．2～12．6 GHz，带宽400 MHz。在理论计算的基础上，结合微波仿真软件ADS对输入匹配电路、输出匹配电路和平行耦合带通滤波器进行了优化设计，最后通过S参数及谐波平衡仿真得到倍频器的各项性能参数。仿真结果表明，该设计完全满足性能指标要求。
关键词：倍频器；ADS；匹配电路；带通滤波器

0 引言
倍频器作为基本的电子部件，被广泛应用于通信、雷达、导弹制导、频率合成器等各种电子设备中。倍频的实现均是以器件的非线性为基础的，倍频电路有效地提取所需的谐波，而将基波和不需要的谐波加以抑制。场效应管(GaAsFET)有源倍频器具有单向性及隔离度好，变频损耗低的优点，同时可以得到较高效率和较宽工作频率，对输入功率要求较低，噪声小，温度稳定性高。
本文介绍了一种基于GaAsFET的X波段二倍频器设计方法。设计时首先根据性能指标要求选择合适的有源器件，确定相应的工作状态、偏置条件及器件的稳定状态，然后合理设计匹配、偏置及滤波电路，最后对整体电路进行优化。设计中采用微波仿真软件ADS对电路进行CAD辅助设计，并给出仿真结果。

1 GaAsFET倍频原理
二倍频器主要考虑的指标为工作频率、带宽及变频损耗，理论上可用各种非线性器件实现倍频，实际常用二极管或三极管倍频，因为此时相对带宽较窄，倍频次数小。相对于二极管和双极晶体管来讲，采用场效应管设计倍频器的突出优点是能在一个宽频带范围内获得倍频增益，并可在输入和输出端之间提供有效的隔离。在考虑成本及各项指标要求后，决定采用变电阻类型的GaAsFET实现，它具有变频损耗低，隔离性好，电路稳定，温度特性好的优点。为了在所要求的频率上实现最小变频损耗，偏置电路和匹配电路的设计非常重要。偏置电路的设计决定了输出频率中含所需频率的谐波成分；匹配滤波电路的设计必须保证在获得所需谐波分量最大的同时，力求无用谐波分量及寄生参量功率达到最小，保证最大输入／输出功率和良好隔离。
FET实现倍频的原因是由于其非线性，主要来自以下几个方面：
(1)栅源和栅漏极非线性电容Cgs和Cgd是外加结电压Vgs和Vgd的函数。
(2)漏极电流Id限幅引起的非线性，即栅极偏置电压接近栅极势垒电压φ，或接近夹断电压Vt时，输入激励电压Vgs瞬时低于Vt或瞬时正向电压高于栅极二极管导通电压时，因截止限幅和饱和限幅作用引起Id的非线性。
(3)Vgs-Id的非线性变换特性，如平方律特性等。
根据FET特性可知，当漏极输出电阻较大时，，是典型的平方律特性。
(4)输出电导非线性。FET截止型倍频器原理如图1所示，提供合理的偏置电压是非常重要的，它与输出功率、效率和稳定性都有着密不可分的关系。

理论上虽然有诸多方法实现倍频，但工程实践表明对于GaAsFET，利用漏极电流Id限幅作用产生的丰富谐波可以实现高的倍频增益，因此主要研究这种倍频机理。与FET放大器理论相同，根据栅极偏压的不同，倍频器工作状态可以分为A类、B类、AB类三种工作状态。其中，A类工作时谐波幅度很小，且直流分量很大，几乎占漏极饱和电流的一半多，故倍频效率很低，不予采用；在B类、AB类工作时漏极输出波形均含有比A类更多的谐波频率分量，因而可采用此类电路实现高效率倍频，其中AB类效率最高，但遗憾的是不能得到偶次谐波，且工作电流大，容易自激。为获得高倍频效率，此处采用B类倍频。使栅极直流偏置电压Ugg始终偏置于夹断电压Vt附近，利用管子的夹断效应使漏极电流Id为尖峰脉冲电流且含有丰富的谐波，此时可以将漏电流波形当作半个余弦脉冲序列处理，如式(1)所示。

式中：Imax为漏极电流峰值；Vgmax，Vgmin分别为栅极饱和电压和反向电压峰值。
从式(3)可知，当n值增大时，Imax减小，所以这种倍频器不能用于高次倍频，但完全满足二倍频。
倍频器的设计与放大器基本相同，不同的只是输出以2ωo代替ωo实现。由于倍频器输出频带要求较窄，相对带宽不到3．5％，输入／输出端采用短截谐振线来实现匹配和谐波抑制。设计的主要工作在于直流工作点的确定，输入／输出匹配电路的设计和输入激励电平的选择。