检波器

(a) 版图结果
dB(S(1,1)) dB(S(1,3)) dB(S(1,2))
-20
-25
-30
-35
-40
-45
32
33
34
35
36
37
38
freq, GHz
-2.8
-2.9
-3.0
-3.1
-3.2
32
33
34
35
36
37
38
freq, GHz
(b) 输入回波损耗
(c) 直通端和耦合端损耗
图 3-3 三分支线耦合器仿真结果
通过对几类检波二极管的比较，本文选择了 Agilent 公司(现为 Avago)的零偏置梁式引 线检波二极管 HSCH-9161，它可用于频率超过 110GHz 信号的检波。其小信号线性模型如 图 3-1 所示，SPICE 模型如图 3-2 所示，其 Spice 参数见表 3-1。
图 3-1 HSCH-9161 小信号模型
第四步就是设计低通滤波器，将视频信号以外的信号滤除掉，这里的低通滤波器可以 用一个简单的高低阻抗线或者其他类似的微带低通滤波器实现。
三、平衡检波器的设计
3.1 检波二极管的选择 原则上任何非线性器件均可用于检波器电路设计，比如各种二极管和三极管。但常用
二极管进行检波，并且采用的是为了提高检波性能而使用专门工艺设计的检波二极管。 (1)肖特基势垒二极管 检波用的肖特基势垒二极管不同于混频用的肖特基势垒二极管。为了简化检波器电路，
3.3 检波器匹配电路设计 当 3dB 电桥是理想电桥时，只要 D1、D2 检波器特性一致，则对于微波输入端口来说，
D1、D2 反射过来的电压大小相同，相位相反，正好抵消，输入端因此得到良好匹配。所以 保证加工精度以及装配准确是非常重要的。平衡式检波器的匹配主要是调节输出端线段的长
度，使检波器的驻波性能最优化，并且使输出电压尽量大。
偏压点附近就有较好的接通特性。 反向二极管在零偏置点的负电流斜率最大，属于专用弱信号检波器件。由于它的正向
导通电位较低，例如接近 0.5V 时，二极管双向都将导通，因此不能用于较强信号的检测。 点接触二极管的非线性相比于其他几种二极管较差。由于结构简单，结电容小，截止频率高， 在毫米频段还有应用。
(b) 回波损耗
(c) 插入损耗
图 3-5 微带低通滤波器仿真结果
3.4 微带检波器总体仿真
将以上各部分结合起来，对检波器进行版图排版，然后将排版后的电路进行原理图协同
仿真，仿真结果见图 3-6。可以看到，最终检波器在 33~37GHz 频带内，驻波优于 1.2，在输
入功率为-20dBm(0.01mW)时，输出电压大于 2.5mV，可以得到检波器的电压灵敏度大于
四、结论
本文使用 Agilent 公司的 ADS 软件设计了一款平衡式检波器，工作频带 33~37GHz，频 带范围内驻波优于 2，电压灵敏度大于。
由文章可以看出，使用 ADS 软件设计平衡检波器，以及其他器件都是非常方便、高效 的，省去了大量计算的繁琐时间，也能节约成本。
参考文献
[1] 李惠芳，马楠，微波平衡检波器的设计和制作，火控雷达技术，2006（7），107-110 [2] 吴万春，集成固体微波电路，北京：国防工业出版社，1981 [3] 姚喜梅，宽带平衡检波器，半导体学报，1995，17-19 [4] 李松，毫米波检波器研制，电子科技大学硕士论文
另外一种新型检波二极管，称为平面掺杂势垒检波管。它从工艺过程和结构上做了较 大改进，具有极好的频率响应特性，可以在多倍频程的极宽频带内获得平坦响应，还具有很 好的宽温度范围稳定性。
(2)点接触二极管 点接触二极管用金属丝靠机械压力与半导体接触而形成半导体结。点接触管虽然其结 构工艺较为简单，但是结的长期稳定性差，管芯参数—致性也不好，所以在工程应用少，逐 渐被肖特基二极管所代替，但它也在不断改进工艺和改善性能。点接触二极管反向饱和电流 为 10-5A 量级，在零偏置点灵敏度高，尤其是点接触结面积较小，所以结电容较小，在毫米 频段高端有时被采用。也有的点接触管设计成使金属引丝电感与芯片结电容形成谐振，以提 高检波灵敏度。 (3)反向二极管 反向二极管是隧道二极管的一个变种形式。在半导体结中极大的掺杂情况下，二极管 反向特性接近导通。零偏置时，负向电流特性很陡；正向电压时，隧道二极管的峰值电流很 低，隧道负阻现象几乎消失。用于检波器时，是利用它的反向电流作为检波电流。在零偏置 电压时，对弱信号有很高的检波灵敏度。但是由于正向接触电位所限，反向二极管不能用于 较强信号检波。 低势垒检波二极管的反向饱和电流比常规肖特基势垒二极管要大几个数量级。它在零
图 2-3 平衡检波器原理图 当 3dB 电桥是理想电桥时，只要 D1、D2 检波器特性一致，则对于微波输入端口来说， D1、D2 反射过来的电压大小相同，相位相反，正好抵消，输入端因此得到良好匹配。 第三步是设计 3dB 电桥输入臂分别与 D1、D2 的匹配网络，也可把桥与匹配网络作为一 体设计，即输入、输出阻抗不对称的桥。
HSCH-9161，工作频带为 33~37GHz，在整个频带内，驻波优于 1.2，电压灵敏度大于 250mV/mW，较好
的实现了各项性能指标要求。 关键词：平衡式检波器 检波二极管 ADS
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。
二、原理分析
2.1 单管检波器工作原理 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
2-1 给出一个典型无偏压检波器的原理图。
图 2-1 典型无偏压检波器原理图 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 2-2 所示。
图 3-2 HSCH-9161 的 Spice 信号模型
表 3-1 HSCH-9161 的 Spice 模型参数 3.2 3dB 宽频带分支线定向耦合器设计
在耦合器工作的中心频率上,分支线的长度及其之间的间隔均为 1/4 波长。两条平行主
线上的特性阻抗在节与节之间是可以改变的,而分支线的阻抗也可以进行调节以改进电气性 能。
250mV/mW。
VSWR1 Vout_mV
(a) 协同仿真原理图
1.18 1.16 1.14 1.12 1.10 1.08
28 30 32 34 36 38 40 42 44 46
freq, GHz
7
Leabharlann Baidu
6
5
4
3
2
32
33
34
35
36
37
38
RF_freq
(b) 驻波
(c) 输出电压(@输入-20dBm) 图 3-6 平衡式检波器仿真结果
往往不用外加偏置电压，因此在零偏置电压原点附近的 I-V 特性斜率要足够大，才能对弱信 号有较高灵敏度。混频器用的砷化镓肖特基势垒二极管正向接触电位为 0.7V~0.9V。反向饱 和电流约为 10-10~10-14A，尽管具有较强非线性(α值为 35~38)，但对于毫米波幅度低的小信 号，检波电流非常微弱。所以常规肖特基势垒二极管做检波器使用时必须加正向偏压，以克 服较大的接触势垒。为获得零偏置使用的检波管，在管芯设计和工艺上要制成低势垒的二极 管。低势垒检波二极管典型的反向饱和电流为 Io≈10-7A．在零偏压原点已具有良好的导通 特性，可简化偏置电路。它也有较强非线性，且视频阻抗适中，典型值为 1~3 kΩ，适于弱 信号检测。
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,被广泛应用于微波辐射计、矢量网络分析仪、六端口网络、微 波瞬时接收机等。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。
图 2-2 检波二极管等效电路 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(50Ω)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 ADS 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。 2.2 平衡检波器的工作原理 做一个平衡检波器，第一步是挑选两只特性接近的检波管 D1、D2，或者选一只高性能的 对管检波管。 第二步是设计频带宽、性能好的 3dB 电桥，其带宽稍大于检波管所需带宽，耦合度 C=3dB，隔离度 I >18dB，使输入的微波功率一分为二地加到两只检波管上，其工作原理如 图 2-3。
Ka 波段平衡式检波器设计
缪依展 沈利江 上海航天电子技术研究所 上海 201109
摘要：介绍一种宽频带微波平衡检波器,论述检波器的原理和设计,并给出 ADS 仿真设计结果。这种检波器 体积小,重量轻,频带宽,性能稳定可靠,易于集成,与单管检波器相比,更具有动态范围大,抗烧毁能力强等诸多 优点,可在微波领域广泛应用。检波器使用 Agilent 公司(现为 Avago)的零偏置梁式引线检波二极管
图 3-4 是匹配后的检波仿真结果，输入点频信号，信号功率-20dBm，可以看出，平衡 式检波器可实现频带宽度很宽，输出电压在 7mV 左右。
(a) 原理图结果
dB(S(1,1)) real(Vout[::,0])*1e3
-22
-24
-26
-28 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46
freq, GHz
8.0
7.8
7.6
7.4
7.2
7.0
6.8
32
33
34
35
36
37
38
RF_freq
(b) 输入回波损耗
(c) 输出电压
图 3-4 匹配后的检波仿真结果
3.4 微带低通滤波器设计
微带低通滤波器种类很多，其中最常用的有高低阻抗线低通滤波器、分支线低通滤波
器和扇形线低通滤波器等。本文中为了排版方便，选择使用简单的三节扇形线低通滤波器结
构。图 3-5 是其仿真结果，可以看到，此滤波器对 32~38GHz 有很好的抑制。
(a) 原理图结果
dB(S(1,1)) dB(S(2,1))
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
0
10
20
30
40
50
freq, GHz
0 -20 -40 -60 -80
0
10
20
30
40
50
freq, GHz
ADS 自带的无源电路设计指南可以自动生成耦合器，在这里我们使用三分支线耦合器， 由于我们需要的检波器的频率范围是 33~37GHz，所以耦合器频率范围要比检波器稍大，我 们设计时将耦合器的频率范围定为 32~38GHz。将 ADS 自动生成的耦合器进行优化，得到 三分支线耦合器的仿真结果如图 3-3。