基于ADS仿真的X波段二倍頻器設計

分析時采用傳輸線的A，B，C，D矩陣來計算，導納倒相器可視為特征阻抗為1／J的1／4波長傳輸線，故可得出每個耦合電路的等效電路A，B，C，D矩陣如下：

其奇偶模阻抗為：

上面是對于單個耦合電路而言，考慮n+1節(jié)耦合電路級聯(lián)組成的帶通濾波器，通過單個耦合電路奇偶模阻抗可推得n+1節(jié)耦合電路級聯(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的衰減極點處，稍有失諧便可能產(chǎn)生寄生通帶，因此設計時必須進行精心仿真和調(diào)試。
設計之初要考慮濾波器級數(shù)n的選擇，因為其選擇會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上對濾波器進行理論估算。對于相對帶寬較窄時可利用濾波器的近似設計方法來計算其結(jié)果，這樣處理雖然簡化了設計和計算過程，但得到的結(jié)果往往存在精度不高的問題。利用先進的ADS仿真軟件對其進行正確的建模，可以對理論計算結(jié)果反復的仿真和優(yōu)化，直到結(jié)果滿足指標為止。
2．5 倍頻電路設計與優(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，其阻抗可以人為設定，根據(jù)倍頻器的外圍環(huán)境阻抗決定此時阻抗為50 Ω。為保證仿真優(yōu)化結(jié)果接近實際值，必須考慮建模的精確性。比如器件封裝的影響，對電路中傳輸線和匹配網(wǎng)絡建模要盡量接近實際，比如重點考慮微帶突變節(jié)、十字節(jié)、開短路短截線的設計。

介質(zhì)基板材料應選用表面光滑度高、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)定性的前提下仔細設計輸入／輸出匹配及偏置電路，得到匹配網(wǎng)絡初值，再利用ADS的諧波平衡分析方法對電路進行仿真和優(yōu)化，仿真電路如圖8所示。運用軟件進行多次的仿真優(yōu)化來選擇合適的激勵功率，由于所選GaAsFET工作在1．5～26．5 GHz頻段，基波分量仍占主導地位，同時還需進一步濾除無用諧波以得到理想倍頻效果。這里主要關心二次諧波輸出，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應激勵功率為10 dBm，中心頻點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)果來看，倍頻器可獲得理想的變頻損耗，同時對于基波和無用諧波的抑制效果良好，符合設計要求。

3 結(jié)語
本文討論了一種GaAsFET倍頻器的設計，介紹了設計的具體流程和方法，并充分利用ADS仿真軟件對倍頻器進行優(yōu)化設計，省去了復雜的理論分析計算，大大簡化了設計過程，對倍頻器的CAD設計具有很大的現(xiàn)實意義。