【1.5GHz倍频器设计与仿真分析案例5600字】

1.5GHz倍频器设计与仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u127981.5GHz倍频器设计与仿真分析案例 1113841.1倍频器技术指标与设计思路 1139801.2基于阶跃恢复二极管MA144769的谐波电路的设计 2175161.2.1单只MAVR-044769正向导通仿真测试 529371.2.2两只MAVR-044769反向并联仿真测试 13177361.31.5GHz带通滤波器的设计 1724671.4加入1.5GHz微带滤波器的倍频电路性能仿真 19192411.4.1单只MAVR-044769倍频电路经过1.5GHz滤波器 19284191.4.2两只MAVR-044769反向并联倍频电路经过1.5GHz滤波器 20198791.5对两种倍频器电路Layout性能仿真 2122601.5.1单只MAVR-044769倍频电路版图仿真 21289091.5.1两只MAVR-044769反向并联倍频电路版图仿真 22本课题采用ADS对倍频器进行设计与仿真。ADS全称为AdvancedDesignSystem，即先进设计系统，它为设备之间的通讯提供路由。ADS是由美国安捷伦（Agilent）公司推出的一种基于矩量法（MoM）的电磁仿真分析设计工具，得益于各种EDA软件可以进行时域、频域仿真、模拟电路、数字电路仿真、线性和非线性电气仿真，小到单个组件模拟，大到系统模拟，数字/模拟混合仿真，高速链路仿真，其强大的仿真能力和高精度得到业界的广泛认可，成为业界最受欢迎的软件之一。1.1倍频器技术指标与设计思路本课题技术指标如下：（1）输入频率100MHz；（2）输入功率小于15dBm；（3）输出频率1.5GHz；（4）输出功率大于-5dBm。本课题采用MACOM公司型号为MA144769-287的阶跃恢复二极管（SRD）作为非线性器件，产生高次谐波。阶跃恢复二极管这样的非线性电容器件具有输入阻抗受到输入功率和输入输出匹配网络极大影响的特点。因此，要找出输入15dBm的100M信号时最大的1.5GHz输出功率，就不能简单的使用线型器件的匹配方法，而需要对不同的输入输出匹配网络进行调谐分析。输入的信号是许多谐波的混合，要得到需要的1.5GHz信号还需要对带外信号进行抑制，即使用带通滤波器对输出信号进行滤波，得到1.5GHz的纯净输出信号。在设计中发现倍频器的最终输出功率较低，于是在输出端加入低噪声放大器，提高了输出功率，成功达到设计指标。最后，对输入输出端进行最大功率匹配（即共轭匹配），便完成了电路的基本结构设计。1.2基于阶跃恢复二极管MA144769的谐波电路的设计MAVR-044769阶跃恢复二极管可用于输出频率高达5GHz的低功率倍频器。当被正向电压驱动时，该阶跃二极管可通过存储和释放电荷产生多次谐波。该二极管的电路特性如表格3-1所示：TotalCapacitance@1MHz,6VReverseVoltage@10µANominalCarrierLifetimeTransitionTimeNominalInputFrequencyNominalOutputFrequency(pF)(V)(ns)(ps)(GHz)Min.Max.Min.TypicalMax.0.81.23020~501500.1~1.01~5表3-1阶跃恢复二极管MAVR-044769电气特性该二极管的电路模型如下图3-1所示。阶跃管内部参数如下：N=1.1 ；Cjo=0.89pF ；Vj=0.4V；Fc=0.5 ；Bv=42.6V；M=0.2 ；Rs=0.8Ohms ；Ibv=10uA ；Is=2.3fA ；寄生参数如下：Cp=0.374pF；Ls=1.5nH；图3-1阶跃恢复二极管MAVR-044769的SPICE模型在ADS中对阶跃恢复二极管MAVR-044769进行原理图建模如下图3-2所示。用该阶跃二极管组成不同的电路对其进行谐波平衡仿真，以找出输入15dBm的100MHz信号时输出效率最高的二极管电路连接形式。图3-2MAVR-044769的ADS仿真模型本章将采用多种形式的电路对阶跃恢复二极管MAVR-044769进行倍频性能仿真：1）只用一根阶跃二极管进行正向导通；2）只用一根阶跃二极管进行反向导通；3）使用2根阶跃二极管进行反向并联导通；4）使用2根阶跃二极管进行反向串联导通；5）使用2根阶跃二极管进行同向并联导通；6）使用2根阶跃二极管进行同向并联导通；1.2.1单只MAVR-044769正向导通仿真测试在ADS中放置好我们已经建立好的MAVR-044769模型，添加信号源模型、50欧姆负载模型和谐波平衡HB仿真模型，将输入频率设置为100MHz，功率调整为15dBm，如图3-3所示：图3-3单只MAVR-044769正向导通仿真模型图3-4单只MAVR-044769正向导通谐波仿真结果图对100MHz基频信号进行25次谐波平衡仿真，结果如图3-4所示，输出端1.5GHz谐波信号仅有-52.172dBm，显然远远无法满足设计要求。同时可以发现输入端100MHz信号功率高达19.3dBm已经超过了信号源功率。这是由于阶跃二极管在100MHz时的输入阻抗和信号源输出阻抗（50Ohm）相差较大,输入信号进行了多次反射造成的。观察输入输出端的时域波形图可以发现二极管反向导通所需要的功率较大。这种未进行阻抗匹配的电路不仅能量浪费较大，而且容易对电路其他部分（尤其是信号源）造成损坏。然而，非线性器件的阻抗匹配不同于一般的线性器件，由于非线性器件的阻抗随输入功率、频率变化而变化，只能在特定功率下对某些频率进行调谐。由于阶跃二极管具有变容特性，考虑串联电感进行调谐（如图3-5所示）。图3-5单只MAVR-044769最大1.5GHz输出调谐电路图多次调谐仿真后，发现输入端串联7.50159nH电感，输出串联8.98167nH电感可以做到输出信号较大，为-41.525dBm（如图3-6所示）。但是依然发现100MHz信号转换率较低，考虑在输入输出端加入具有铝箔特性的电路，信号经过多次反射进入二极管能够产生更高功率的15次谐波。仅仅是匹配网络还不足以使得二极管输出1.5GHz信号达到最大，不妨考虑在前后端输入输出分别加入LC谐振网络。串联LC谐振网络具有带通特性，并联LC谐振网络具有带阻特性。利用LC谐振网络可以使得输入100MHz和输出1.5GHz通路实现分离，减少损耗和提高转换效率。图3-6单只MAVR-044769最大1.5GHz输出仿真结果图图3-7有机陶瓷基板RF-35特性参数制作基板的PCB是TACONIC公司的型号为RF-35的一种有机陶瓷层压板，介质层介电常数为1.50，介质层损耗角正切为0.0018，介质层厚度为0.508mm；导电层为铜，电导率5.8×107S/m考虑在输入端加入能够通过100MHz输入信号且能够阻止1.5GHz输出信号的低通滤波器或者带通滤波器。性能要求为100MHz时插入损耗小于1dB，1.5GHz时插入损耗大于20dB；在倍频电路发现低通滤波器比带通滤波器输出信号更大，且低通滤波器比带通滤波器结构更加简单，本课题输入端采用低通滤波器结构，具体结构如下图3-8所示。同样，在输出端采用了结构更简单的高通滤波器实现1.5GHz的输出和对100MHz及其谐波等低频信号的屏蔽，具体如下图3-9所示。图3-8100MHz低通滤波器的设计图3-91.5GHz高通滤波器的设计输入输出端分别加入滤波器后的倍频器电路经过优化设计，性能良好。负载端50Ohm匹配时输出1.5GHz信号能达到-23dBm，比加入谐振滤波网络前高了20dB，效果非常显著。设计电路原理图如图3-10所示，电路仿真性能图如图3-11所示。图3-10加入谐振网络的15次倍频电路原理图图3-11加入谐振网络的15次倍频电路性能与波形图然而，仅仅是这些远远不够。实际电路中需要考虑到微带线的连接与影响。加入微带电路进行仿真发现电路性能与波形变化较大，对微带线的线长与线宽多次优化后，得到的电路原理图如图3-12所示：图3-12加入微带结构15次倍频电路原理图对该电路进行仿真，输出15次谐波大于17dBm，可能是因为微带线结构具有谐振网络特性，电路性能得到再次提高了大约6分贝。仿真结果与时域波形图如图3-13所示。图3-13加入微带结构15次倍频电路的仿真性能与波形图可以看到的是，输出端1.4GHz和1.6GHz的谐波较大，频谱纯净度有待提高。最后，在输出端加入1.5GHz的带通滤波器即可。优化后的电路原理图如图3-14所示。对电路进行仿真，1.5GHz输出功率约为-15dBm，但是看到1.6GHz谐波较大，功率约为-31dBm。多次调整滤波器结构，发现较难在保证1.5GHz所需信号功率的情况下将其彻底滤除。仿真结果与时域波形图如图3-15所示。图3-14加入微带线滤波器的15次倍频电路原理图图3-15加入微带结构15次倍频电路的仿真性能与波形图1.2.2两只MAVR-044769反向并联仿真测试在1.2.1的仿真设计与测试中已经发现通过单支MAVR-044769正向导通，产生的高次谐波信号不仅功率较低，而且会产生难以滤除的1.4GHz和1.6GHz旁频。这对设计出频谱纯净度高，功率更大的1.5GHz倍频输出显然是不利的。通常，在电路中采用两支MAVR-044769阶跃恢复二极管反向并联的方式，可以有效抑制偶次谐波分量，增大奇次谐波分量。按照上一节的方法，在ADS中放置好我们已经建立好的MAVR-044769模型，添加信号源模型、50欧姆负载模型和谐波平衡HB仿真模型，将输入频率设置为100MHz，功率调整为15dBm，如下图3-16所示。对100MHz基频信号进行25次谐波平衡仿真（如图3-17），输出端1.5GHz谐波信号仅有-42dBm，但是已经要优于单只MAVR-044769正向导通谐波仿真结果。说明了反向并联的方式，理论上是可行的。同样的，在输入端加入图3-8的低通滤波器，输出端加入图3-9的高通滤波器，再对倍频器电路经过优化设计，性能良好。负载端50Ohm匹配时输出1.5GHz信号能达到-20dBm，比加入谐振滤波网络前高了大约22dB，效果非常显著。总体效果要好于单只MAVR-044769正向导通。设计电路原理图如图3-18所示，电路仿真性能图如图3-19所示。图3-16两只MAVR-044769反向并联仿真模型图3-17两只MAVR-044769反向并联仿真结果与波形图图3-18加入谐振网络的15次倍频电路原理图图3-19加入谐振网络的15次倍频电路仿真性能与波形图然而，仅仅是这些远远不够。实际电路中需要考虑到微带线的连接与影响。加入微带电路进行仿真发现电路性能与波形变化较大，并且由于需要两只阶跃恢复二极管完全对称分布，需要对为带线进行对称的设计布局。对微带线的线长与线宽多次优化后，得到的电路原理图如图3-20所示。图3-20加入微带结构的15次倍频电路原理图对上述电路进行谐波平衡仿真，输出15次谐波大于18dBm，可能是因为微带线结构具有谐振网络特性，电路性能得到略微提高了大约2分贝。可以看到电路对偶次谐波分量的抑制依然相当好，这对之后加入1.5GHz带通滤波器的电路性能是非常有利的。仿真结果与时域波形图如图3-21所示。可以看到的是，输出端1.3GHz和1.7GHz的谐波较大，频谱纯净度有待提高。最后，在输出端加入1.5GHz的带通滤波器即可。优化后的电路原理图如图3-22所示。对电路进行仿真，1.5GHz输出功率约为-17dBm，电路对其他谐波的抑制非常好，最大谐波功率低于-46dBm，频率纯净度非常好。仿真结果与时域波形图如图3-23所示。图3-21加入微带结构的15次倍频电路仿真结果与时域波形图图3-22加入微带线滤波器的15次倍频电路原理图图3-23加入微带滤波器15次倍频电路的仿真性能与波形图1.31.5GHz带通滤波器的设计信号经过倍频电路后还需要进行滤波以提高频率的纯净度。在上一节中我们虽然得到了1.5GHz输出信号，但依然存在许多谐波分量。经过简单的滤波后，效果依然不太理想，存在少量旁频。这一节主要是对滤波器进行专门设计，已达到输出其他谐波低于所需1.5GHz信号20dB的效果。使用单只MAVR-044769正向导通的倍频电路杂散谐波主要是1.4GHz和1.6GHz，在频域上与1.5GHz仅仅相差100MHz，对滤波器要求较高。而使用两只MAVR-044769反向并联的电路由于不产生偶次谐波，杂散谐波主要是1.3GHz和1.7GHz，在频域上与1.5GHz相差200MHz。由于1.5GHz频率已经较高，电路具有分布参数特效。而且多次测试发现采用LCπ型网络的带宽太宽，对旁频的抑制较差，不能满足1.5GHz窄带滤波器的性能要求。两种倍频电路的滤波器均采用耦合微带线结构。对于使用单只MAVR-044769正向导通的倍频电路，滤波器设计要求应该最为严苛。性能预期如下:1.5GHz插入损耗小于-1dB，0GHz到1.4GHz插入损耗大于20dB，1.6GHz到3GHz插入损耗大于20dB。在ADS中建立电路原理图如图3-24所示。滤波器采用4段对称结构的平行耦合微带线构成。这几种需要对耦合线的线长，线宽，间隙宽度进行调谐。对滤波器进行多次优化设计，才得到如上电路。第一，第四段耦合微带线尺寸如下：L1=30.2447mm，W1=1.09095mm，S1=0.200356mm。第二、第三段耦合微带线尺寸如下：L1=30.21mm，W1=1.00754mm，S1=1.40004mm。图3-241.5GHz带通滤波器的设计对滤波器进行S参数性能仿真（如图3-25所示），性能基本达到指标要求。1.5GHz插入损耗为2.536dB；1.4GHz插入损耗为31.389dB；1.6GHz插入损耗为29.742dB；1.5GHz插入损耗虽然与设计目标有一定的差距，但是可以看到1.5GHz时的回波损耗是高于20dB的，考虑是金属导体导电率不理想产生的线损；在将导体层从材料铜更改为理想导体后，1.5GHz插入损耗仅为0.687，完全符合设计要求。图3-251.5GHz带通滤波器S参数性能仿真可以看到滤波器在3GHz存在少量泄露，但由于3GHz附近的谐波分量实在太小，对电路整体性能几乎没有影响。1.4加入1.5GHz微带滤波器的倍频电路性能仿真在前面的1.2节中，我们设计了两种阶跃管连接形式的电路，这一节分别研究两种电路接入1.5GHz带通滤波器的输出性能。1.4.1单只MAVR-044769倍频电路经过1.5GHz滤波器将图3-13中加入微带结构15次倍频电路输出端接入上一节的滤波器，得到完整的单管倍频电路，如图3-26所示。图3-26经过1.5GHz滤波的单只阶跃管倍频电路对上述电路进行仿真，发现此时的频率已经非常纯净，几乎不存在其他谐波与杂散信号。1.5GHz输出功率约为-17dBm，而1.4GHz与1.6GHz旁频均低于-50dBm。倍频器的性能仿真结果与波形图如图3-27所示。图3-27经过1.5GHz滤波的单只阶跃管倍频电路性能仿真与波形图1.4.2两只MAVR-044769反向并联倍频电路经过1.5GHz滤波器将图3-21中加入微带结构15次倍频电路输出端接入设计好的1.5GHz的滤波器，得到完整的反向并联倍频电路，如图3-28所示。图3-28经过1.5GHz滤波的反向并联阶跃管倍频电路对上述电路进行仿真，发现此时的频率已经非常纯净，几乎不存在其他谐波与杂散信号。1.5GHz输出功率约为-15dBm，而1.3GHz与1.7GHz旁频均低于-60dBm，且1.4GHz和1.6GHz旁频更是低于-300dBm。倍频器的性能仿真结果与波形图如图3-29所示。图3-29经过1.5GHz滤波的反向并联阶跃管倍频电路性能仿真与波形图1.5对两种倍频器电路Layout性能仿真对于分布参数的元器件，仅仅是原理图仿真是不够的。还需要对实际电路的版图进行仿真。1.5.1单只MAVR-044769倍频电路版图仿真考虑到在实际加工电路的过程中难免会有一定的精度误差，为了确保最后制作的电路与仿真设计的性能基本一致，需要先对图3-26中的单只MAVR-044769阶跃二极管正向导通的倍频器电路中的每个变量的参数进行调谐。在确保每个元器件具有一定的允许误差之后，对倍频器生成Layout版图，如图3-30所示。图3-30单只MAVR-044769倍频电路版图再对版图生成相应的symbol后，调用该symbol，并添加电容电感进行协仿真。此设计中使用的是murata的电容电感器件，优化电容电感参数使