【文章內(nèi)容簡介】 配。倍頻器輸入電路應(yīng)在基頻上與器件匹配，以保證輸入信號源向器件提供最大輸入功率。輸入匹配電路的作用就是對基波的匹配和對二次諧波的反射。輸出匹配設(shè)計：使輸出阻抗與負(fù)載阻抗在需要的諧波頻率處共軛匹配。輸出電路則應(yīng)在上與器件匹配并對四次諧波以外的所有頻率予以抑制，以便獲得最大的四次諧波輸出功率。即通過對輸入輸出的共軛匹配，來獲得最大的倍頻增益和對無用諧波分量的最大抑制度。理想情況下，在所有不希望的諧波上呈現(xiàn)到器件端的輸入和輸出阻抗都應(yīng)保持電抗特性，以避免其內(nèi)部出現(xiàn)功率耗散。 濾波器微波濾波器的結(jié)構(gòu)類型繁多，設(shè)計方法各異，但適合微帶結(jié)構(gòu)的微波濾波器并不太多，這是因為，微帶結(jié)構(gòu)是個平面電路，中心導(dǎo)帶必須制作在一個平面基片上，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)來實現(xiàn)。其次，在微帶結(jié)構(gòu)中短路端不易實現(xiàn)和精確控制，因而所有具有短路短截線和諧振器的濾波器也不太適宜于微帶結(jié)構(gòu)。所以由于微帶線本身的局限性，適合微帶結(jié)構(gòu)的帶通濾波器結(jié)構(gòu)不是太多，可用作微帶線帶通濾波器的主要電路結(jié)構(gòu)如圖4所示：圖5 幾種常見的微帶帶通濾波電路結(jié)構(gòu)形式圖5中(a)所示的電容間隙耦合濾波器，它的帶寬較窄，在微波低端顯得太長，不夠緊湊，在 2GHz以上有輻射損耗，一般很少采用這種結(jié)構(gòu)。上圖(b)所示的耦合微帶線帶通濾波器，它也是個窄帶濾波器，有5%到25%的相對帶寬，能夠精確設(shè)計，是目前工程上經(jīng)常采用的一種帶通濾波器。但其在微波低端，顯得過長，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，在頻段較寬時，耦合間隙較小，實現(xiàn)比較困難。上圖(c)所示的發(fā)夾線帶通濾波器，它是把耦合微帶線折疊成發(fā)夾形式而成。這種濾波器由于容易激起表面波，性能不夠理想，故常把它與耦合線振蕩器混合來用，以防止表面波的直接禍合。這種濾波器的精確設(shè)計比較困難。上圖(d)所示的1/4波長短路短截線濾波器和上圖(e)所示的半波長開路短截線濾波器，兩者通帶特性相差不多，但阻帶特性卻大不一樣。上圖(d)在w=0和2w等處是個極點，而上圖(e)在在w=0和2w等處是個零點。這種濾波器是個寬帶濾波器，帶寬約為一個倍頻程。用這種濾波器結(jié)構(gòu)作為窄帶濾波器，則各短截線的特性阻抗相差不大，不易實現(xiàn)。濾波器的技術(shù)指標(biāo)通常有以下幾項：1)截止頻率：對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的頻率，如增加3dB時的角頻率，也就是通過濾波器的能量衰減50％時對應(yīng)的角頻率，它處于通帶和阻帶過渡的區(qū)域，稱為3dB截止頻率；2)頻率范圍和帶寬BW：對于帶通和帶阻濾波器而言，也指衰減加大到某一確定值時的頻率范圍，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)衰減為零不可能實現(xiàn)，一般可規(guī)定通帶內(nèi)最大衰減不能超過，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。對于無耗濾波器，也常用通帶內(nèi)最大駐波比（VSWR）表示；4)帶外衰減：由于理想濾波器帶外衰減無窮大不可能實現(xiàn)，一般可以規(guī)定在某一帶外頻率下，最小衰減不能小于要求值；5)波紋：指通帶內(nèi)信號的平坦程度，即通帶內(nèi)最大衰減與最小衰減之間的差別，一般用dB表示；6)形狀系數(shù)：是描述濾波器頻率響應(yīng)曲線形狀的一個參量，一般定義為： （28）7)寄生通帶：在微波濾波器中，由于元件分布參數(shù)的影響，其頻響可能是周期的，因而可能在設(shè)計好的通帶之外又產(chǎn)生了額外通帶，稱為寄生通帶，設(shè)計中應(yīng)盡量避免其落入意圖截止頻率范圍；8)插入相移和時延頻率特性：濾波器插入相移隨頻率的變化特征稱為相移的頻率特性，而插入相移與頻率的比，稱為濾波器網(wǎng)絡(luò)的時延： （29）本身也是頻率的函數(shù)，其隨頻率變化特性稱為時延的頻率特性，而稱為群時延： （210） 濾波器設(shè)計：對于一個性能良好的微波濾波器，一方面要求通帶衰減盡可能小，阻帶衰減盡可能大，亦即通帶和阻帶的衰減差值要盡量大。另一方面要求通帶和阻帶之間的衰減的變化盡可能快，最好是陡峭的跳變，使阻帶和通帶的分隔十分明顯。但是這兩方面的要求往往是相互沖突、相互矛盾的。微帶濾波器的設(shè)計方法一般是采用原型電路綜合設(shè)計法，其主要有如下幾個設(shè)計步驟:使用綜合設(shè)計技術(shù)，按所希望的通帶特性來設(shè)計原型低通濾波器。所謂綜合設(shè)計方法，就是全面綜合上述的矛盾，將指標(biāo)予以合理分配，從而以最合理的方法解決濾波器設(shè)計的這對矛盾。目前最常用的綜合設(shè)計法為最大平坦度設(shè)計法和契比雪夫設(shè)計法。所謂的原型電路就是以L、C作為元件的集中參數(shù)低頻電路，其中L、C的數(shù)值都根據(jù)對濾波器一定的指標(biāo)要求，以不同的綜合設(shè)計方法求得，由此得出一系列規(guī)格化的元件數(shù)值并列成表格，即原型電路元件參數(shù)。通過原型網(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。用微帶分布參數(shù)電路實現(xiàn)響應(yīng)的微波網(wǎng)絡(luò)。在進(jìn)行具體濾波器設(shè)計時，不必每次進(jìn)行計算，而只需要根據(jù)一定的變換關(guān)系把原型電路參數(shù)轉(zhuǎn)化為實際濾波器的元件值，即具體實現(xiàn)了微波濾波器。應(yīng)用這樣的方法，原型電路的元件參數(shù)已經(jīng)通過綜合設(shè)計而達(dá)到了“最佳化”，而且設(shè)計參數(shù)均己“規(guī)格化”，只需要得出原型濾波器和實際濾波器之間的變換關(guān)系，就可以設(shè)計各種所需的濾波器。對于帶通濾波器，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)。這樣就會給帶通濾波器在微波傳輸線結(jié)構(gòu)上的具體實現(xiàn)帶來了困難。應(yīng)用倒置轉(zhuǎn)換器可以將串并聯(lián)混合電路轉(zhuǎn)化成諧振元件全部串聯(lián)或全部并聯(lián)，并且它們之間彼此隔開的等效電路。一個全部由串聯(lián)元件或由并聯(lián)元件組成但中間隔開/4傳輸線的濾波器，可完全等效成標(biāo)準(zhǔn)形式的串并聯(lián)濾波電路。平行耦合線濾波器可實現(xiàn)的相對帶寬，若采用窄帶近似設(shè)計方法最窄可到23%，最寬可到20~25%。~25GHz帶寬為40%左右，所以要采用寬帶近似設(shè)計方法，這些設(shè)計方法相對帶寬可達(dá)60%，只是設(shè)計過程很復(fù)雜，有二種寬帶平行耦合線帶通濾波器的設(shè)計方法:耦合線節(jié)級聯(lián)直接設(shè)計方法。這種設(shè)計方法不必應(yīng)用低通原型濾波器元件值，可以采用各諧振器尺寸均勻并且等寬的結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)設(shè)計方法簡便，適用于相對帶寬范圍較寬(30~80%)，而且可以采用全等寬耦合線，濾波器結(jié)構(gòu)簡單。我們按照這種思想設(shè)計了寬帶全等寬平行耦合線帶通濾波器。本文濾波器的設(shè)計要濾掉除4 次諧波以外的基波和其他各次諧波。濾波器采用微帶電路來實現(xiàn)，通過ADS仿真軟件設(shè)計微帶帶通濾波器是一種適宜的選擇。在濾波器的選擇過程中，由于交指濾波器的寄生通帶特性較佳，其寄生通帶出現(xiàn)在主通帶中心頻率的3倍附近，離主通帶較遠(yuǎn)，考慮到對諧波的抑制，寄生通帶離主通帶越遠(yuǎn)越好，故采用交指濾波器。交指型帶通濾波器是由兩組平行耦合線諧振器相互交叉組成，每個指長度約/4。這種濾波器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，制造容易，阻帶特性較好。第3章 仿真設(shè)計實例本文設(shè)計了一個基于GaAs 管的四倍頻有源倍頻器，輸入信號為4GHz，輸出為16GHz。選用的GaAs 管為NEC 公司的中功率放大管NE900175，根據(jù)倍頻器非線性的需要選定工作點為Vd= V，Vg= V。 直流偏置電路設(shè)計偏置電路是保證三極管正常工作而為基極提供適當(dāng)?shù)碾娏鞯碾娐?。因為要使晶體管處于放大狀態(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。因此，設(shè)置晶體管基射結(jié)正偏、集基結(jié)反偏，使晶體管工作在放大狀態(tài)的電路，簡稱為偏置電路（可以理解為設(shè)置正反偏的電路）。直流偏置電路設(shè)計：對此部分單獨進(jìn)行優(yōu)化再加入整個電流中，優(yōu)化的目的是使直流偏置電路對信號的影響較小。優(yōu)化時，保持高低阻抗線的特性阻抗不變，即高低阻抗線寬度不變，而是通過優(yōu)化其阻抗線的長度使直流偏置電路對輸入基波頻率f0 呈開路狀態(tài)。同時，使輸出的直流偏置對輸出諧波頻率呈開路狀態(tài)。利用ADS軟件對直流偏置電路進(jìn)行仿真設(shè)計，這里用到FETcyrvetracer原理圖模板：在原理圖編輯器窗口中，執(zhí)行菜單命令【Insert】【Template】選擇“FETcurvetracer”模板，如圖6所示。圖6 FETcurvetracer原理圖模板在模板中添加FET器件，搭建偏執(zhí)電路圖。并仿真得到VI曲線圖。圖7 元器件庫圖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。(由/T=θ / π得到)，取這個角度的原因是此時二次諧波輸出最大。在實際工程應(yīng)用中可以通過試驗進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到最佳的倍頻效果。有關(guān)資料已證明倍頻器中的雜散和相噪均按變壞，在工程實踐中也完全證明了這一點。倍頻器的附加相噪并不大。當(dāng)輸入相噪很低，即輸入信噪比很高時，對輸入信號處理不當(dāng)會使相噪變壞。由于輸出信號的最大功率對應(yīng)一個最佳輸入信號功率，所以在實際的調(diào)試工作中，通過對輸入信號功率的反復(fù)測定可以得到這個最佳的輸入信號功率。 輸入匹配電路的設(shè)計使源阻抗在