【正文】 電阻的，倍頻效率不可能達(dá)到100%，但由于它的倍頻電阻很小，仍然可以獲得較高的倍頻效率。電阻非線性則電阻可變，即直流電流與電壓之間具有非線性靜態(tài)關(guān)系，例如PN結(jié)就呈現(xiàn)這種特性，雙極晶體管和砷化嫁場(chǎng)效應(yīng)晶體管 GaAsFET也均可用作非線性電阻微波倍頻器件。一般其倍頻實(shí)現(xiàn)途徑有以下7種方法:用二極管PN結(jié)的靜態(tài)非線性V一I關(guān)系，即非線性電阻產(chǎn)生諧波。用 GaAsFET管得到具有增益的倍頻器。在三端非線性電阻倍頻器中，把輸出電路調(diào)諧在輸入頻率的N 次諧波時(shí)，可實(shí)現(xiàn)有增益的倍頻。利用二極管實(shí)現(xiàn)的倍頻器件本身不產(chǎn)生額外能量(無(wú)源的)，僅僅是把輸入信號(hào)能量的一部分轉(zhuǎn)化成所需頻率的信號(hào)能量輸出，因此其倍頻效率是極低的，存在著較大的倍頻損耗，并且需要較高的輸入功率電平。與無(wú)源倍頻電路相比，有源倍頻電路具有很大的優(yōu)勢(shì)，這也就使得其更加適合于現(xiàn)代小型的超高速集成電路和微波毫米波集成電路的發(fā)展趨勢(shì)。該倍頻器由GaAs 管，基波匹配電路，輸出匹配電路，以及一個(gè)帶通濾波器組成。如圖2示出了FET倍頻器電路，其中的FET是理想的。為了獲得高效率和大輸出功率，漏電壓必須在Vmax和Vmin之間變化，Vmin是柵極電壓為最大值Vgmax時(shí)的漏極I/V曲線膝點(diǎn)處的漏極電壓值。=0的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流為大，則電流的傅氏級(jí)數(shù)表達(dá)式中僅含余弦項(xiàng): （21）當(dāng)N1時(shí)，系數(shù)為: （22）當(dāng)N=O時(shí): （23）如果，則式與n無(wú)關(guān)，因此： （24）用于產(chǎn)生諧波頻率的FET器件存在幾種非線性：接近夾斷點(diǎn)的跨導(dǎo)，接近夾斷點(diǎn)的輸出電導(dǎo)，肖特基柵極的整流特性和再柵極以及漏極之間的類變?nèi)莨?。根?jù)常用表格得到導(dǎo)通角即可確定 。在純電阻電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí)，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。 負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗的共軛值，即它們的模相等而輻角之和為零。當(dāng)激勵(lì)源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時(shí)，為使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份絕對(duì)值相等而符號(hào)相反。由于高頻功率放大器工作于非線性狀態(tài)，所以線性電路和阻抗匹配（即：負(fù)載阻抗與電源內(nèi)阻相等）這一概念不能適用于它。因此，高頻功率放大的阻抗匹配概念是：在給定的電路條件下，改變負(fù)載回路的可調(diào)元件，使電子器件送出額定的輸出功率至負(fù)載。只要負(fù)載阻抗的大小不等于特征阻抗的大小，就會(huì)發(fā)射信號(hào)反射，稱之為阻抗控制失配現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)，傳輸線的阻抗是連續(xù)的，不會(huì)發(fā)生任何反射。帶狀線阻抗近似計(jì)算公式：（27）其中：z為帶狀線的阻抗，為電介質(zhì)的介電常數(shù)；t為傳輸線的厚度(1 OZ= 1．5 mil)；為傳輸線的寬度(mil)；h為電介質(zhì)絕緣層的厚度(mil)；b為兩地層(GND)間的距離(mil)。輸出匹配設(shè)計(jì)：使輸出阻抗與負(fù)載阻抗在需要的諧波頻率處共軛匹配。 濾波器微波濾波器的結(jié)構(gòu)類型繁多，設(shè)計(jì)方法各異，但適合微帶結(jié)構(gòu)的微波濾波器并不太多，這是因?yàn)椋ЫY(jié)構(gòu)是個(gè)平面電路，中心導(dǎo)帶必須制作在一個(gè)平面基片上，這樣所有的具有串聯(lián)短截線的濾波器都不能用微帶結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但其在微波低端，顯得過(guò)長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，在頻段較寬時(shí)，耦合間隙較小，實(shí)現(xiàn)比較困難。上圖(d)所示的1/4波長(zhǎng)短路短截線濾波器和上圖(e)所示的半波長(zhǎng)開(kāi)路短截線濾波器，兩者通帶特性相差不多，但阻帶特性卻大不一樣。濾波器的技術(shù)指標(biāo)通常有以下幾項(xiàng)：1)截止頻率：對(duì)于低通和高通濾波器而言，一般指衰減增加到某一確定的值時(shí)的頻率，如增加3dB時(shí)的角頻率，也就是通過(guò)濾波器的能量衰減50％時(shí)對(duì)應(yīng)的角頻率，它處于通帶和阻帶過(guò)渡的區(qū)域，稱為3dB截止頻率；2)頻率范圍和帶寬BW：對(duì)于帶通和帶阻濾波器而言，也指衰減加大到某一確定值時(shí)的頻率范圍，如稱為3dB通帶帶寬或3dB阻帶帶寬；3)通帶內(nèi)最大衰減：由于理想濾波器帶內(nèi)衰減為零不可能實(shí)現(xiàn)，一般可規(guī)定通帶內(nèi)最大衰減不能超過(guò)，它包括濾波器的吸收衰減和反射衰減，其數(shù)值越小性能越好。微帶濾波器的設(shè)計(jì)方法一般是采用原型電路綜合設(shè)計(jì)法，其主要有如下幾個(gè)設(shè)計(jì)步驟:使用綜合設(shè)計(jì)技術(shù)，按所希望的通帶特性來(lái)設(shè)計(jì)原型低通濾波器。通過(guò)原型網(wǎng)絡(luò)頻率變換，將低通原型濾波器變換為高通、帶通和帶阻濾波器形式。對(duì)于帶通濾波器，其濾波元件已經(jīng)不是L或C，而是諧振元件(相應(yīng)于集中參數(shù)的L、C并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路)。平行耦合線濾波器可實(shí)現(xiàn)的相對(duì)帶寬，若采用窄帶近似設(shè)計(jì)方法最窄可到23%，最寬可到20~25%。本文濾波器的設(shè)計(jì)要濾掉除4 次諧波以外的基波和其他各次諧波。這種濾波器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，制造容易，阻帶特性較好。因?yàn)橐咕w管處于放大狀態(tài)，其基極射極之間的PN結(jié)應(yīng)該正偏，集電極基極之間的PN結(jié)應(yīng)該反偏。同時(shí)，使輸出的直流偏置對(duì)輸出諧波頻率呈開(kāi)路狀態(tài)。圖7 元器件庫(kù)圖8 直流偏置電路及其特性從圖7中可以得到Imax約等于230 mA，選取?3 V左右，為5 V，導(dǎo)通角θ 取63176。倍頻器的附加相噪并不大。倍頻器輸入電路應(yīng)在基頻上與器件匹配，以保證輸入信號(hào)源向器件提供最大輸入功率。圖10 MSub的參數(shù)設(shè)置圖11 輸入匹配電路原理圖圖12 輸入匹配電路和結(jié)果 輸出匹配電路的設(shè)計(jì)如2調(diào)用“SParams”模塊，設(shè)置MSub參數(shù)，如圖13所示圖13 輸出匹配電路MSub參數(shù)設(shè)置圖14 輸出匹配電路原理圖圖15 輸出匹配電路和結(jié)果 濾波器設(shè)計(jì)微波帶通濾波器是一種被廣泛研究的微波濾波器類型，它的品種繁多，性能各異，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一。這樣反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期，同時(shí)也增加了成本。低通原型濾波器梯形電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖16 （b）圖16 低通原型濾波器電路結(jié)構(gòu)上圖兩者都可以用作低通原型濾波器，其響應(yīng)相同。即波紋大小與陡峭是沖突的，應(yīng)當(dāng)在滿足帶外衰減的基礎(chǔ)上合理的選擇a 的值，使波紋盡可能的小。其關(guān)系是當(dāng)在一定的階數(shù)即 N 不變時(shí)，通帶內(nèi)的波紋越大，其截止頻率處的衰減度就越大；反之衰減度就越小。我們利用平行耦合線構(gòu)成的倒置轉(zhuǎn)換器電路J 來(lái)實(shí)現(xiàn)電路中諧振電路的并聯(lián)耦合，圖16a 經(jīng)變換后的電路如圖17 為只含并聯(lián)電感的低通原型，反之對(duì)圖16b 可變換成只有串聯(lián)電感的低通原型。 。 （39a） （39b）表2 奇偶模特性阻抗值這樣，可以利用ADS軟件Linecalc如圖19來(lái)計(jì)算微帶尺寸。圖20 傳輸、反射系數(shù)曲線圖19所示分別為傳輸系數(shù)—中心頻率曲線和反射系數(shù)—中心頻率曲線，曲線的峰值和谷值處所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)橫軸均為通帶中心頻率，與設(shè)計(jì)頻率有很大差別。圖22 S 參數(shù)及群延時(shí)如圖22可以看出進(jìn)過(guò)多次優(yōu)化仿真，與設(shè)計(jì)頻率相符，達(dá)到了優(yōu)化效果。但有時(shí)版圖仿真結(jié)果與原理圖仿真結(jié)果還是存在差異,那就得回到上一步對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)再次進(jìn)行優(yōu)化, 直到版圖仿真結(jié)果滿意如圖24所示。采用的仿真器為諧波平衡仿真器。第4章 電路制作及其測(cè)試由于條件限制，實(shí)驗(yàn)室缺少相應(yīng)的微波器材，故無(wú)法做出倍頻器實(shí)物，但了解到其制作過(guò)程及相關(guān)調(diào)試步驟。導(dǎo)電膠的固化溫度、固化時(shí)間也影響其粘接強(qiáng)度。但是溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)反而會(huì)使膠層變脆，粘接強(qiáng)度下降。焊接時(shí)，金屬受壓產(chǎn)生一定的塑性變形，使兩個(gè)金屬面緊密接觸，其分子相互擴(kuò)散牢固結(jié)合。此外還有共晶焊技術(shù)、平行微隙焊等，這里就不詳細(xì)介紹了。引入直流偏置電壓時(shí)，通過(guò)直徑為25um的金絲焊線將各級(jí)的直流偏置點(diǎn)分別連接到芯片電容上，然后再連接到各個(gè)直流偏置電壓上，在靠近芯片的地方采用100pF的芯片電容是為了濾除通帶內(nèi)的射頻信號(hào)，防止其進(jìn)入直流偏置電路。電源QF1722頻譜儀E4470B諧波混頻器FET四倍頻器信號(hào)源E8257D功率計(jì)DMP2功率頭圖28 FET四倍頻器測(cè)試框圖按照?qǐng)D28所示對(duì)倍頻器測(cè)試的具體步驟如下:a).對(duì)儀器、儀表進(jìn)行嚴(yán)格校準(zhǔn)。用同軸電纜連接信號(hào)源的射頻輸出端口和倍頻器輸入端口，倍頻器輸出端口用波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換接頭跟頻譜儀或功率計(jì)相連。f).通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以得到四倍頻器的輸出信號(hào)功率和諧波抑制，計(jì)算方法為:四次諧波信號(hào)功率=功率計(jì)測(cè)試功率諧波信號(hào)功率。本課題的完成，對(duì)以后的學(xué)習(xí)和工作是非常有幫助的，尤其是在微波理論分析階段和ADS軟件仿真過(guò)程中所積累的經(jīng)驗(yàn)，為以后的微波仿真設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文的工作從方案論證到軟件仿真設(shè)計(jì)，都是在周老師的指導(dǎo)下完成的，她豐富的工程經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)我的精心指導(dǎo)是本文能夠順利完成的關(guān)