Ka波段宽带大动态平方律检波器的研制

Ka波段宽带、大动态平方律检波器的研制1Ka波段宽带、大动态平方律检波器的研制方勇1，黄建2，甘体国21.电子科技大学电子科学技术研究院，成都610054；2.电子科技集团公司第十研究所，成都610036摘要：本文介绍了一种宽带、大动态平方律检波器的电路设计，分析了宽带、大动态检波电路的工作原理，通过理论计算和模拟仿真得出，当射频输入源阻抗约是检波电路二极管动态电阻的14%时，检波器的平方律动态范围最大；文中还介绍了检波电路射频回路、视频回路及宽带阻抗变换电路的设计。此检波器在26.5GHz～40GHz范围内实测得到，检波器平方律动态范围(Dr)29dB。关键字：毫米波检波器，宽带，大动态，动态电阻，正切灵敏度(TSS)，P-1dB压缩点，平方律动态范围(Dr)DevelopmentofAWide-Band、Wide-Dynamic-RangeSquare-LawDiodeDetectorofKaBandFangYong1,HuangJian2,GanTiguo21.ResearchInstituteofElectronicScienceandTechnologyofUESTC,Chengdu610054;2.The10thInstituteofChinaElectronicTechnologyGroupCorporation,Chengdu610036Abstract:Thispaperdescribesthecircuitdesignofawide-band、wide-dynamic-rangesquare-lawdiodedetector,analysesthetheoryofthecircuit.WheninputRFsourceimpedanceisabout14percentofthediode’sdynamicresistance,thedetector’ssquare-lawdynamicrangeiswidest,throughthetheoreticcalculationandsimulation.ThispaperalsogivesthedesignmethodofRFloop、videofrequencyloopandwide-bandimpedancetransformnetwork.Themeasureddynamicrangeismorethan29dBbetween26.5GHzand40GHz.KeyWords:MillimeterDetector,wideband，WideDynamicRange,DynamicResistance,TSS,P-1dB,Square-LawDynamicRange1引言检波器是微波毫米波技术中常规部件之一，是微波毫米波信号检测、稳幅应用中的关键部件，被广泛应用于标量网络分析仪，六端口网络、瞬时测频接收机等整机系统中。通常，由于平方律检波器检测的功率很小，需要在检波电路的RC网络后对视频信号进行放大，但同时也引入了一些问题，比如，放大电路的温度漂移、稳定性差等，这些都会减小检波电路的工作动态。利用运算放大器能很好地确定其静态工作点，较好地抑制电路的温度漂移；同时，当射频源阻抗变换到二极管动态电阻的14%时，平方律二极管检波电路的动态范围最大[1]。2理论分析(1)检波器平方律动态范围输入功率（dBm）输出电压（dBV）TSS1dBP-1dB平方律区线性区图1二极管检波特性图Ka波段宽带、大动态平方律检波器的研制2图1给出了二极管检波特性图。正切灵敏度（TSS）是输入脉冲调制信号时，检波器检波视频信号在脉内的噪声下沿与脉间噪声上沿相切对应的输入信号峰值功率[23]。P-1dB是检波器工作区从平方律区进入到线性区时，输出幅度相对平方律特性压缩-1dB时对应的输入功率。检波器平方律动态范围[4]（定义为Dr）是：r-1dBD=PTSS。(1)(2)电路工作原理图2电路原理图图2给出了一个平方律检波电路的原理图，iV、pV、dV分别是射频源、二极管直流偏置源、低阻抗平衡源。dV与oV等值反向，这样使电路N点为虚零点，从而使电路平衡工作。由于dV的存在，运算放大器的虚零点和二极管的偏置电压都不会受到影响，这样电路的输出电压为ffRI[1]。(3)射频源阻抗与Dr的关系二极管的V-I特性可表示为[1]：(/)(e1)eVnkTsII，(2)其中：I是二极管中流过的电流，sI是反向饱和电流，e是电子电荷，V是二极管两端的电压，n是V-I特性理想因子，k是波尔兹曼常数，T是结温。根据[1]可以得到另一个归一化的V-I特性：ln(1)rViPi，(3)其中：/(/)riVVnkTe，/()sosiiII，/sjPRR，(SR：射频源阻抗，jR：二极管动态电阻)为了分析式（3），可以将其展成i关于rV的泰勒级数，其展开方法可以按照隐函数的泰勒级数展开方法进行，各阶倒数是0rV时所得。oI是射频源0iV时的二极管输出电流,定义此时二极管的工作点为(oI,oV)。把归一化的二极管结电压取成：cos()cos()/rrEwtVEwtnkTe，(4)其中：E是二极管结电压的峰值电压，/(/)rEEnkTe，并把式(3)展成在(oI,oV)点的i对rV的泰勒级数：246246111315|2!24!86!16rrriEdEdEd881135cos()8!128rEdAdwt23cos(2)cos(3)|BdwtCdwt，(5)从式(5)可以看出，检波器输出信号由两部分组成（直流部分和交流部分）。交流部分都被检波电路的充放电电容耦合至地，流入负载的电流只有直流部分。直流部分由二极管结电压的二次、四次、六次等偶次项组成，而平方律检波器理想情况下需要的是二次项，这样只要使其它项趋于零，检波器的平方律特性将最好。1d、2d、3d……的值可以根据泰勒级数隐函数展开方法得到：Ka波段宽带、大动态平方律检波器的研制311dP，(6)231(1)dP，(7)3512(1)PdP，(8)247186,......(1)PPdP(9)在直流项中，四次项对平方律特性影响最大，只要使四次项趋于零，检波器的平方律特性将最优，令：2471860(1)PPdP（10）得到检波电路平方律误差最小时，射频源阻抗与二极管结电阻阻抗关系为：/sjPRR0.14（11）此时，二极管平方律动态最大。(4)二极管射频回路、视频回路设计前面介绍了检波电路的射频输入阻抗变换电路设计,现在介绍检波电路射频输出电路及视频输出电路的设计，如图3。直流偏置阻抗变换网络图3检波器射频、视频回路图3实线箭头表示射频回路，其二极管输出需一个充放电电容接地，在微带电路中用扇形接地电路可以实现宽频带接地。图3虚线箭头表示视频回路，视频输出信号即为电阻VR上的电势，在选取VR时，需要满足VRDSjRR(12)其中：DSR是二极管的串联电阻当视频电阻满足(12)时，则二极管视频检波输出电压几乎为VR的电势。3动态范围的模拟计算图4MATLAB程序流程图图5MATLAB程序_TSS、P-1dB曲线图上文证明了当射频源阻抗等于二极管动态电阻14%时，检波器的平方律工作动态最大。运用MATLAB软件仿真可以寻找出最优的射频源阻抗与二极管动态电阻的比值。计算出TSS、P-1dB，从而由(1)得到Dr。Ka波段宽带、大动态平方律检波器的研制4图4是MATLAB程序流程图，通过程序得到最优的P值是0.137，此时的Dr最大，与[1]的理论分析很接近。图5是运用MATLAT程序计算出来的TSS、P-1dB曲线图，从图4可以看出当0.14P时，动态范围最大。4宽带设计为了使二极管正极往外看的阻抗在整个Ka波段尽量为二极管动态阻抗的14%，本文采用阶梯阻抗变换的形式，其微带示意图为图6。图7阶梯阻抗变换示意图2830323436382640-24-22-20-26-18freq,GHzdB(S(1,1))图7阶梯阻抗变换ADS仿真图图7是这种结构的ADS仿真结果。从图7可以看出，此阶梯阻抗变换结构在26～40GHz内，S11都在-18dB以下。5试验结果图8基片与腔体图图9TSS测试图262830323436384042-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-102627282930313233343536动态范围(dB)输入功率（dBm）频率(GHz)P-1dBTSSDr图1026.5GHz~40GHz内的TSS、P-1dB和Dr图2628303234363840420.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0Bv/mV/uWfrequency/GHz输入功率为-25dBm时的电压灵敏度图11检波器在26.5GHz～40GHz内的电压灵敏度V在选取检波二极管时，尽量选用小串联电阻和零偏置二极管，在本电路中选用avagotech公司的HSCH9161，这是一个肖特基零偏置二极管，工作频率高达110GHz。图8给出了检波器的基片与腔体图，输入信号接口是标准波导BJ-320,经过波导-微带探针耦合到微带，再用二极管检波，最后把视频信号输出到低频电路进行视频滤波、放大等处理。图9给出了正切灵敏度时，示波器显示的视频脉冲信号，可以看出，视频脉冲信号脉内的噪声下沿与脉间的噪声上沿相切，此时的输出信噪比是8dB[3]。图10给出了检波器在26.5GHz～40GHz、300kHz视频带宽下的正切灵敏度(TSS)、P-1dB压缩点和平方律动态范围(Dr)。Ka波段宽带、大动态平方律检波器的研制5图11给出了检波器在26.5GHz～40GHz内的电压灵敏度。从图10和图11可以看出，在频率32GHz附近测试数据稍差，根据调试时对二极管扇形接地的调节可以改善测试数据。这也说明了宽带设计是比较难的。6结论通过理论分析和模拟仿真得到，当射频源阻抗等于二极管动态电阻的14%时，检波器的平方律动态范围最大；实测数据表明检波器在26.5GHz～40GHz宽带范围内、300kHz视频带宽下的平方律动态范围可以达到29dB～32dB，达到了较宽的频率带宽和平方律工作动态，验证了理论分析的正确性。7参考文献[1]ApariciJ.Awidedynamicrangesquare-lawdiodedetector.IEEETansactionsOnInstrumentationandMeasurement,1988,37(3):429-433[2]甘体国.毫米波工程.成都：电子科技大学出版社,2006,459-489[3]JamesTsui.TangentialsensitivityofEWreceivers.MicrowaveJournal,1981,23(10):99-102[4]Hewlett-Packard.DynamicrangeextensionofSchottkydetectors.Hewlett-PackardApplicationNote956,1975,11(5):52-53方勇：电子科技大学电子科学技术研究院，从事微波/毫米波电路与系统的研制与开发。地址：成都建设北路二段四号电子科技大学电子科学技术研究院邮编：610054电话：[phone]E-mail:[e-mail]黄建：中国电子科技集团公司第十研究所高级工程师，主要从事微波/毫米波电路与系统的研制与开发。甘体国：中国电子科技集团公司第十研究所研究员，主要从事微波/毫米波电路与系统的研制与开发。修改说明：(1)对摘要进行了补充；(2)理论推倒了射频源阻抗与二极管动态电阻的关系，见绿色处(3)给出了射频回路、视频回路的设计方法，见红色处；(4)给出了检波二极管的选型，见蓝色处