高性能K波段宽频带检波器.doc

高性能K波段宽频带检波器*
邓建华1，甘体国2，喻志远1
（1.电子科技大学，四川 成都 610054；
2.中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）
    摘  要：介绍了高性能的宽带检波器的CAD设计方法及测试结果。该检波器采用波导E面集成电路形式，通过对极鳍线实现波导微带过渡，采用高频电磁场仿真软件和微波电路CAD软件完成该检波器的设计。测试结果表明，该设计方法实现的检波器具有优良的性能。
    关键词：宽频带检波器；CAD技术；波导到微带过渡；对极鳍线；设计
一、引言
    微波技术在通信、导航、制导、雷达及电子对抗中发挥着越来越重要的作用，对微波器件性能指标要求也越来越高，只依靠手工计算、经验公式等方式来设计更加困难。EDA工具是高性能微波器件设计的有效手段，可大大缩短研制周期。
    微波检波器是微波技术中常规部件之一，在微波信号检测、自动增益控制、功率探测、稳幅的应用中是关键性部件，被广泛应用于矢量网络分析仪、六端口网络、微波瞬时接收机、微波遥感探头等。在许多场合，要求检波器在宽频带内具有良好的驻波特性、功率平坦度、高灵敏度。低势垒肖特基二极管检波时无需外加偏置电压，其灵敏度也非常高，并且频率响应快、动态范围大、宽频带、机械性能好，因而得到了广泛应用［１］。
    本文讨论一种用于K波段包络检波的检波器的CAD设计，该检波器采用低势垒肖特基二极管，整体电路集成于一片软基片上，内嵌于波导E面中。
二、检波器设计
1.等效电路法
    检波器利用某些半导体器件的非线性特性，用于调制信号包络检波或微波功率检测。图1给出一个典型无偏压检波器的原理图。

    电路中LP是检波器的低频通路，CP是微波信号通路，RL是负载电阻。输入匹配网络用来使检波管与射频源阻抗相匹配，输出滤波器用于消除检波管上产生的高次谐波，输出低频信号。保证检波器输入低驻波比，提高灵敏度，就是如何使检波器的输入阻抗与传输线阻抗宽频带相匹配的问题。检波二极管的等效电路如图2所示。

    检波二极管输入阻抗是频率的复变量，其值随频率变化很大，可以看出，用集总参数等效电路表示法，与传输线阻抗（50 Ω）匹配是十分困难的。通常设计未考虑低通滤波器对二极管等效阻抗影响。本文利用EDA工具的计算准确、快速解决复杂问题、多种寻优方式等优点，探讨一种新的设计思路。
2.检波器CAD设计
    由于应用范围不同，检波器电路形式也是多种多样的。本文研制的检波器直接检测来自波导的微波信号，整个电路制作在一块软基片上，基片内嵌于波导E面中心，电路如图3所示。

    检波器电路主要分成2个部分，第一部分是矩形波导到微带的过渡部分。第二部分是高低阻抗线，初看起来只起低通滤波器的作用，实际高低阻抗结对微波而言是一些串并联分布电感、电容结构。从检波原理来看，检波过程是信号源通过二极管给电容充电与电容对负载电阻放电的交替重复过程，所以这些电容的大小与分布形式对检波性能有很大的影响。并且如果这些电感与电容分布合理，与检波管结合在一起，输入阻抗可接近于实阻50 Ω，从而使电路最大限度近似匹配，提高检波性能。
    （1）波导到微带的过渡
    波导到微带过渡要求传输损耗低，驻波小，应有足够的频带宽度，并且结构简单，加工和安装容易。综合上述考虑，矩形波导到微带的过渡采用对极鳍线来实现。鳍线渐变段应选择一种沿渐变方向的平滑阻抗变换曲线，使之引入的反射损耗在所要求的频带内低于可允许的极限值，并使渐变段的物理尺寸尽可能短。此外，还应考虑平滑渐变线的计算复杂性。因此，在本设计中采用平方余弦渐变曲线。对极鳍线到微带过渡较难进行等效电路分析，而通过三维电磁场分析，能得到较好的结构尺寸。目前较为通用且仿真准确、操作简便的三维电磁场仿真软件是Ansoft公司的HFSS软件。
    为了更准确地得到过渡性能结果，可把一对对极鳍线波导－微带过渡放于HFSS软件中进行仿真，对称结构如图4所示。

    之所以要画成对称结构，原因如下：波导中传输的主模是TE10波，微带线传输的主模是准TEM波，不同导波模式在HFSS软件中特性阻抗定义不一致，引起分析结果中波导端口与微带端口之间的S参数不能直观地反映波导到微带的过渡性能。而画成对称结构，两端口都为波导，就不存在上述问题。
    图4电路中所附加的圆弧状孤岛金属面起抑制谐振的作用，因为在工作频段内渐变段下面的金属区可能出现谐振现象。有文献［２］讨论了出现谐振现象的原因，是渐变线和波导壁围住的无金属区形成了谐振腔。改变谐振腔的大小，可以控制谐振频率，所以应选择合适的孤岛大小，使谐振频率移出在检波器工作频段之外［３］。图5和图6分别给出不加孤岛、加合适孤岛的对极鳍线过渡仿真结果。

    如何确定圆弧孤岛的大小及位置，目前无严格理论分析及经验公式，只能通过HFSS软件仿真找出规律。过渡部分越长，在整个工作频段传输性能越平坦，但会带来插损的增大。该检波器的频带内响应的平坦性是考察的最主要指标，因而过渡部分设置较长，为中心频率的2倍波长。
    （2）检波器性能优化
    如果在ADS元件库中找不到所使用的检波二极管，可以按照元件数据手册对检波二极管进行建模，但要注意加入引线电感、封装电容等寄生参量。检波二极管随着输入信号功率的变化，它的输入阻抗变化很大，所以要采用大信号分析方法，并且包络检波出直流和低频分量，因而系统分析涉及频谱变换问题。所以对检波器仿真，采用谐波平衡分析法。
    前面已完成波导到微带的过渡，系统仿真软件ADS是以等效电路形式来模拟射频系统，不能进行三维电磁场分析。在ADS中对检波器进行系统仿真时，先接50 Ω阻抗的微波功率源，后接检波二极管、微带高低阻抗结，最后接1 MΩ的实阻抗，就可在ADS软件中对检波器进行仿真、优化。检波器后接1 MΩ的实阻抗的原因，是因为对检波器进行测试的示波器的输入阻抗一般为1 MΩ的实阻。
    搭建好测试平台之后，可把高低阻抗结每一段的长宽设定为变量。按照检波器性能指标要求，如频响平坦度、电压灵敏度等，利用ADS软件中的Application    Extension Language(AEL)编程语言把它们设定为优化目标，根据性能指标的主次关系，分别给这些优化目标加权，可以通过变量微调进行完善。ADS软件的寻优方式有许多种，优化时应结合多种优化方式进行，这样能避免只绕一个局部极值点寻优。
    图7给出了信号输入功率为0 dBm时电压灵敏度的频响仿真曲线，图8给出了频率为中心频率22.25 GHz时，电压灵敏度随信号输入功率变化的仿真曲线。可见，频响平坦度性能较好，灵敏度也较高。

三、检波器的实现及测试结果
   电路中采用的检波管是Agilent公司生产的HSCH5330低势垒肖特基二极管，整个电路制作在一块Duriod5880软基片上。
    图9给出了信号输入功率为0 dBm时电压灵敏度的频响测试曲线。图10给出了频率为22.25 GHz时，电压灵敏度随信号输入功率变化的测试曲线。正切灵敏度也进行了测试，测试时，检波器输出端接100 MHz示波器，测试结果正切灵敏度小于等于－50 dBm。如果在示波器之前接窄带视频放大器，则正切灵敏度更高。
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    通过对仿真曲线和测试曲线的比较，可以得知整个CAD设计思路是正确的，而且仿真也是较准确的。仿真和测试有一些偏差，分析有以下原因：对二极管封装寄生参量的估计值与真实值有偏差;二极管的焊接引入了无法估计的寄生参量；电路加工存在误差。
    使用EDA工具，可控制性能指标的分配，合理设计出适用的检波器。利用计算机计算速度快、计算量大的优点，避开复杂、繁琐的手工计算，减少了经验公式、理论近似引入的误差，使产品设计一次性成功率高，而且性能非常优良。                        
四、结束语
    本文介绍了一种结构简单的宽频带检波器的CAD设计，利用HFSS软件、ADS软件等EDA工具，研制出频率覆盖18～26.5 GHz、灵敏度高、频响平坦的宽带检波器。这说明只要针对EDA工具特点，合理利用就可轻松设计出优良的微波器件。
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