倍频器设计.doc

1、 本科生毕业论文(设计)倍频器设计院系名称姓名学号专业指导教师 年4月25日13摘要文章主要论述一种基于GaAs FET 有源倍频器的设计。首先概述了FET倍频器原理及各部分作用意义，接着介绍了设计方法。该设计方法先推导了直流偏置电流公式，证明电流脉冲时间与导通角关系，确定适合的直流偏置，再着手匹配理论研究并结合实例对电路进行输入输出的匹配，然后根据滤波器理论及实际应用设计加入一个平行耦合滤波器进行滤波。文章给出了一个有源倍频器设计实例。关键词：有源倍频器 FET GaAsAbstractThe article mainly elaborated the design which has us

2、ed the ADS software to make one kind of the active frequency multiplier based on GaAs FET. First has outlined the FET frequency multiplier principle and various part of function significance, then introduced the design method. This design method has inferred the direct-current bias electric current

3、formula first，and prove the relation of current pulse time and the breakover angle，then determination suitable cocurrent bias，begins to match the fundamental research and to unify the example again to carry on the input output to the electric circuit the match，then add parallel coupling filter accor

4、ding to the filter theory and the practical application design to carry on the filter. The article has given an example of active frequency multiplier design，And make simulation and optimization software with the Agilent ADS，Through the comparative analysissimulation of optimizes curve and parameter

5、，obtain the most appropriate result to complete the simulation test finally.Key Words: Active frequency multiplier FET GaAs目录摘要I1 引言11.1倍频器概述11.2倍频器分类比较11.3倍频器实现途径22 设计原理42.1确定适合的静态工作点43具体电路的设计：63.1阻抗匹配63.2滤波器83.3滤波器设计：94.结论11参考文献：121 引言1.1倍频器概述微波倍频器是一种最基本的微波电路。所谓倍频器是指能完成输入信号频率曾倍功能的电子设备。原则上，非线性器件都能实

6、现倍频，而利用半导体器件的非线性实现的倍频，这样为固态倍频器。当用一个正弦信号激励非线性器件时，便会在基频的谐波频率上产生功率。倍频电路的功能就是有效提取其中所需要的谐波信号，而将其基频和不需的谐波加以抑制。倍频器具有以下特点和应用:a)降低电子设备的主振频率。这对于那些工作频率较高而对稳定性要求又较严格的通信机和高频设备极为重要，因为晶振的频率越高，相对频率稳定度就越低。为了解决固态发信机中高的稳定度和高的输出频率之间的矛盾，常在主振级和输出级间采用多次倍频的技术。b)扩展工作频段。在电子对抗中需要宽频带的干扰和反干扰收、发设备，若用一个振荡器难以使它覆盖一个倍频程的频段，而采用倍频方式却能

7、做到一个或多个倍频程的工作带宽。因此在电子设备中倍频成为很重要的一种技术手段。c)对于调相或调频发射机，利用倍频器可以加深调机制，以获得大的相移或频移。d)由于倍频器容易产生激励信号的各次谐波频率，所以倍频器成为频率合成器中不可或缺的一部分。e)利用倍频，可以制成毫米波、亚毫米波固态源，它们在射电天文、毫米波通信、雷达、军事侦察、监视、制导等方面得到非常广泛的应用。1.2倍频器分类比较固态倍频器按其倍频次数的高低可基本分为两类: 一类是低次倍频器。单级倍频次数通常不会超过5。这类倍频器是通过电容呈非线性变化的功率变容管作用或晶体三极管C类放大的非线性阻抗来实现的。它的倍频效率较高(二极管二倍频

8、效率在50%以上，三倍频可达40%)，输出功率比较大。但是随着倍频次数增加，倍频效率和输出功率将迅速降低。如需高次倍频，必须做成多级倍频链，使其中每一级仍为低次倍频。另一类是高次倍频器。单级倍频次数可达1020以上，倍频器件使用阶跃管，在高次倍频时，其倍频效率约为1/n，n为倍频次数。因为倍频次数高，因此可由几十兆赫兹的石英晶体振荡器一级倍频至微波，得到很稳定的频率输出，但这种倍频器输出功率较小。倍频器按其工作原理又可分为两大类：一种是非线性电阻倍频。这类倍频器是利用双结型晶体管、场效应晶体管或二极管的非线性电阻效应把大幅度正弦波变成电流脉冲，再用选频回路将所需要的谐波选出，以便完成倍频作用。

9、另一种非线性电抗倍频，亦称为“参量倍频”。其一是利用PN 结(或金属一半导体结)电容的非线性变化得到输入信号的谐波，经滤波器选出需要的频率.变容二极管倍频器、阶跃二极管倍频器以及利用集电极非线性效应做成的三极管倍频器都是非线性电容构成的倍频器;其二是利用非线性电感构成的倍频器。如利用雪崩二极管雪崩渡越效应引起的非线性电感实现的倍频。对各种倍频类型的倍频器进行综合比较如下:1)、非线性电阻元件倍频器会带来能量损耗，所以倍频效率较低，尤其进行高次倍频时，转换效率会非常显著下降。对于二极管阻性倍频器来说，它的倍频效率将与 nZ成反比，但非线性电阻元件倍频输出频率带宽比较宽，有梁式引线结构，便于集成，

10、这是现在还在应用的原因之一。2)、非线性电抗元件倍频，能使倍频效率提高，特别是对于高次倍频有利。如果可以忽略变容管的损耗电阻R，理论上倍频效率可达100%，很适合用作高次倍频器。实际上，变容管总是存在损耗电阻的，所以倍频效率不可能达到100%，但由于它的倍频电阻很小，仍然可以获得比较高的倍频效率。3)、三端器件的转移电导和输出电导的非线性也可以很好的实现倍频，其突出优点是能在一定的宽频带范围内实现倍频增益，单向性能好，可以在输入、输出之间提供有效的隔离，并且电路比较稳定。4)、其他新型器件的倍频器，如二极管高功率倍频器、共振隧道效应二极管倍频器、准光倍频器，但这些倍频器的应用并不是很多。1.3

11、倍频器实现途径实现倍频是以电路的非线性现象为基础，电路的非线性现象可以分为电阻非线性和电抗非线性。电阻非线性则电阻可变，即直流电流与电压之间具有非线性静态关系，例如PN结就呈现这种特性，双极晶体管和砷化嫁场效应晶体管 GaAsFET也均可用作非线性电阻微波倍频器件。经典的非线性电抗微波器件是变容二极管和阶跃恢复二极管，前者的耗尽层电容与外加电压大小有关，在负偏压作用下呈现高Q非线性电抗，后者的非线性来自扩散电容。二者的根本机理都是电荷与电压的非线性关系。原则上，各种非线性器件如非线性电阻、电感或电容等，都可以实现微波倍频器倍频。一般其倍频实现途径有以下7种方法:1、用二极管PN结的静态非线性V

12、一I关系，即非线性电阻产生谐波;2、用变容二极管的非线性电抗实现参量倍频;3、用阶跃恢复二极管产生谐波，做高次倍频;4、用宽带单片放大器的非线性产生谐波，并放大谐波构成宽带倍频器;5、用 GaAsFET管得到具有增益的倍频器;6、用双极晶体管的非线性，即C类放大器产生谐波，同时还有增益;7、振荡器被注入锁定在基准频率的N次谐波上，实现倍频。目前, 在频率较低一般在波段以下、倍频次数不是很高的场合, 人们常采用晶体管有源倍频来实现, 而在频率较高时往往采用变容二极管或是阶跃恢复二极管等无源电路随着截止频率很高的各种场效应管的出现, 人们对利用场效应管的非线性来实现次数较低的倍频电路表现出极大的兴

13、趣。在三端非线性电阻倍频器中，把输出电路调谐在输入频率的N 次谐波时，可实现有增益的倍频。场效应管(FET)宽带有源倍频器的实现不仅降低了产生信号的技术难度，噪声小，温度稳定性高。并且由于采用FET器件倍频，利用非线性电阻产生谐波，单向性及隔离度好，放大级数少，且有增益，同时提供较高的效率和较宽的工作频率，对输入功率要求较低，减小了设备体积。但目前倍频器较流行的应用是单频或窄带信号的上变频，而宽带信号的应用较少。利用二极管实现的倍频器件本身不产生额外能量(无源的)，仅仅是把输入信号能量的一部分转化成所需频率的信号能量输出，因此其倍频效率是极低的，存在着较大的倍频损耗，并且需要较高的输入功率电平

14、。而采用有源微波晶体场效应管的非线性跨导来实现倍频，由于场效应晶体管在利用非线性跨导的同时，把一部分直流能量转化成信号能量输出，从而可以提高倍频效率。与无源倍频器相比，有源倍频器的优点是不需要空闲电路，输入功率要求低，倍频损耗比较小，倍频效率高，工作频段较宽，温度稳定性好，可以产生倍频增益。随着固态器件与电路的发展，出现了截止频率很高(几十到几百个GHZ)的微波晶体场效应管、高电子迁移率晶体管(HEMT)以及异质结双极晶体管(HBT)等的新型器件，使得其应用范围也从微波向毫米波、亚毫米波等方面扩展。与无源倍频电路相比，有源倍频电路具有很大的优势，这也就使得其更加适合于现代小型的超高速集成电路和

15、微波毫米波集成电路的发展趋势。本文介绍了一种倍频器设计方法。本设计方法基于容易获得的场效应管S 参数和FET大信号模型, 在一定的约束条件下采用单向化设计, 实现输入输出的共扼匹配, 从而获得最大的倍频增益和对无用谐波分量的最大抑制度2 设计原理如下图1 所示为有源倍频匹配的原理框图。该倍频器由GaAs 管，基波匹配电路，输出匹配电路，以及一个带通滤波器组成 图1 有源倍频器原理图2.1确定适合的静态工作点所谓静态工作点就是输入信号为零时，电路处于直流工作状态，这些直流电流、电压的数值在三极管特性曲线上表示为一个确定的点，设置静态工作点的目的就是要保证在被放大的交流信号加入电路时，不论是正半周还是负半周都能满足发射结正向偏置，集电结反向偏置的三极管放大状态。可以通过改变电路参数来改变静态工作点，这就可以设置静态工作点。若静态工作点设置的不合适，在对交流信号放大时就可能会出现饱和失真（静态工作点偏高）或截止失真（静态工作点偏低）。如图2示出了FET倍频器电路，其中的FET是理想的。图中在该电路的输入端，除谐振电路的激励频率外，其它频率上FET的栅极是 呈短路的;该电路输出