一種高速K波段檢波電路設(shè)計(jì)

張宇平，劉紅兵

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051)

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一種高速K波段檢波電路設(shè)計(jì)

張宇平，劉紅兵

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051)

分析了信號(hào)帶寬對(duì)脈沖信號(hào)的傳輸影響及運(yùn)算放大器的壓擺率對(duì)脈沖信號(hào)的影響，根據(jù)指標(biāo)要求選取毫米波檢波二極管及高速運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)出了一種應(yīng)用在K波段的高速檢波電路，輸出幅度達(dá)到2.2V，上升沿和下降沿優(yōu)于50ns，滿足工程需要。

K波段；檢波器；擺率；帶寬；脈沖

0 引 言

微波檢波器作為關(guān)鍵部件被廣泛應(yīng)用在微波信號(hào)檢測(cè)、功率探測(cè)等領(lǐng)域，隨著檢波器和監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試精度要求也越來越高，除了通常的連續(xù)波檢波電路外，在通訊系統(tǒng)中特別是雷達(dá)系統(tǒng)還大量使用脈沖檢波電路。脈沖檢波電路對(duì)脈沖的上升沿和下降沿要求非常高，一般都在幾個(gè)ns以內(nèi)甚至到ps量級(jí)[1]，對(duì)檢波器及相關(guān)電路的速度要求很高，相比一般連續(xù)波檢波實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難得多。本文講述了一種K波段脈沖檢波電路的設(shè)計(jì)。

1 具體電路設(shè)計(jì)

1.1 檢波器設(shè)計(jì)

為某工程項(xiàng)目研制的毫米波高速脈沖檢波電路要求工作頻段K波段，帶寬25MHz，輸出幅度2～2.2V，上升沿和下降沿優(yōu)于50ns，輸入電平-55±1dBm。

一般檢波電路的原理圖如圖1所示，其由輸入匹配電路、檢波二極管、低通濾波器等組成，其中電感L組成檢波二極管的直流回路，電容C組成檢波二極管交流回路。

圖1 一般檢波電路的原理圖

檢波二極管是檢波器的核心部分，它的性能好壞直接關(guān)系到檢波效率和檢波器的工作帶寬。

檢波二極管簡(jiǎn)化模型如圖2所示，其包括1個(gè)與偏壓有關(guān)的結(jié)電阻Rj和結(jié)電容Cj以及1個(gè)由接觸、襯底和擴(kuò)散電阻引起的串聯(lián)電阻Rs。由于Rs會(huì)吸收輸入功率產(chǎn)生熱量，而且降低了跨接在二極管結(jié)上的電壓，因而降低了二極管的靈敏度。所以在選擇檢波二極管時(shí)，希望Rs的值越小越好，在小信號(hào)條件下，由加至二極管兩端的電壓Vd引起的Vj為：

(1)

圖2 檢波二極管等效模型

該結(jié)電壓的幅值為：

(2)

選擇二極管的原則就是希望其結(jié)電容和串聯(lián)電阻越小越好，分布參數(shù)小，截止頻率越高越好，速度越快。選取Aeroflex公司生產(chǎn)的梁式引線二極管MSS20.141-B10D，該二極管的結(jié)電容為0.08pF，正切靈敏度為-59dBm，視頻電阻為2 ～6kΩ，工作頻率最高為40GHz，功率電平靈敏度為8 000mV/mW，滿足設(shè)計(jì)要求。

檢波二極管的輸入阻抗是頻率的復(fù)變量，并且二極管的阻抗隨頻率的變化較大。輸入匹配電路的作用就是在工作頻率范圍內(nèi)，把射頻信號(hào)充分加到檢波二極管上，則有[2]：

βv′=βv(1-│τ2│)

(3)

τ=(Zd-Zo)/(Zd+Zo)

(4)

式中:βv′為考慮失配的電壓靈敏度值；τ為檢波器反射系數(shù)。

為了滿足輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍-55±1dBm，將輸入匹配電路設(shè)計(jì)為2級(jí)放大器輸入，中間增加帶通濾波器，主要是為了降低在小信號(hào)時(shí)檢波器輸出噪聲電平的幅度。檢波器的直流回路電感由1/4波長(zhǎng)短路線實(shí)現(xiàn)，交流回路電容由檢波二極管自身的分布電容實(shí)現(xiàn)。具體檢波電路如圖3所示。檢波輸出的運(yùn)算放大器在下節(jié)單獨(dú)介紹。

圖3 K波段脈沖檢波電路原理圖

脈沖信號(hào)檢波器的輸出信號(hào)上升時(shí)間是非常關(guān)鍵的指標(biāo)，脈沖信號(hào)的上升時(shí)間定義為穩(wěn)態(tài)幅值從10%到90%所需的時(shí)間，信號(hào)帶寬對(duì)時(shí)域方波形的影響如圖4所示。從圖4可以看出，若帶寬比較窄，方波失真大；若帶寬比較寬，方波失真較小；當(dāng)帶寬很寬時(shí)，方波不失真。所以檢波器后的低通濾波器設(shè)計(jì)帶寬選擇至關(guān)重要，帶寬上限一般按照以下公式來設(shè)計(jì)：

fH(3 dB)≌0.35/tr

(5)

式中：tr為脈沖上升時(shí)間[1,3]。

圖4 帶寬對(duì)方波的影響

由于信號(hào)調(diào)制帶寬為25MHz，大大限制了脈沖的上升沿，按公式(5)可以看出在25MHz帶寬下，脈沖上升時(shí)間最快也就在14ns左右，所以就更要求檢波器后的低通濾波器帶寬很寬才不會(huì)引起脈沖信號(hào)失真。低通濾波器的作用是濾除檢波器輸出端的射頻信號(hào)。利用HFSS軟件仿真在窄腔下毫米波信號(hào)傳輸?shù)匠⌒虯連接器(SMA)饋電頭的能量只有-80dBm[4]，如圖5所示。因此輸出端無需設(shè)計(jì)低通濾波器，同軸線低頻傳輸帶寬理論上不會(huì)造成脈沖信號(hào)的失真。實(shí)際設(shè)計(jì)中檢波器輸出經(jīng)絕緣子輸出到檢波器盒體背面的運(yùn)放及饋電盒體，所以檢波電路沒有設(shè)計(jì)單獨(dú)的低通濾波器。

圖5 毫米波信號(hào)傳輸?shù)絊MA饋電頭的能量仿真結(jié)果

1.2 運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)

通常檢波器輸出的信號(hào)幅度較小，大信號(hào)時(shí)輸出容易飽和，一般也就為幾百毫伏，所以要想輸出信號(hào)幅度2V左右的脈沖信號(hào)，單靠檢波器是無法實(shí)現(xiàn)的，必須使用高速運(yùn)算放大器將檢波輸出信號(hào)進(jìn)行放大，得到想要的信號(hào)幅度。所以運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)是本電路的另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

運(yùn)算放大器在高頻下最重要的2個(gè)指標(biāo)是帶寬和擺率。帶寬很好理解，通常是-3dB帶寬，而擺率則是衡量運(yùn)算放大器在高頻、大幅度信號(hào)輸入時(shí)的一個(gè)指標(biāo)。擺率，也叫轉(zhuǎn)換速率，是指運(yùn)放輸出跟隨輸入變化的速度。通常有V/s，V/ms和V/μs3種單位[5]。擺率SR的示意圖見圖6。

圖6 擺率 SR的定義

擺率與傳輸速率實(shí)際上是矛盾的，擺率太高，就會(huì)有一個(gè)大的斜率上升，造成很大的抖動(dòng)，勢(shì)必減慢穩(wěn)定時(shí)間，所以實(shí)際上是要找一個(gè)折中的值滿足兩者的要求。

設(shè)輸入信號(hào)電壓為：

u=Vmsin(2πft)

(6)

du/dt=2πfVmcos(2πft)

(7)

當(dāng)t=0時(shí)，du/dt有最大值2πfVm。實(shí)際應(yīng)用運(yùn)放時(shí)，都要求2πfVm

為了對(duì)檢波輸出信號(hào)不失真或少失真，選擇AD公司的AD811。AD811是一款寬帶電流反饋型運(yùn)算放大器，-3dB帶寬為120MHz(G=+2)， 帶寬35MHz(0.1dB,G=+2)，而且電源電流低至16.5mA。此外，AD811的額定電源電壓范圍為±4.5V～±18V。AD811也特別適合注重瞬態(tài)響應(yīng)性能的脈沖應(yīng)用。最大壓擺率可以達(dá)到2 500V/μs以上，2V步進(jìn)時(shí)0.1%建立時(shí)間少于25ns，10V步進(jìn)時(shí)0.01%建立時(shí)間少于65ns，非常適合本電路要求。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該檢波電路工作在K波段，工作頻率較高，普通封裝檢波二極管無法實(shí)現(xiàn)。檢波二極管需要由裸芯片來實(shí)現(xiàn)，才能減小其分布參數(shù)影響。為了保證產(chǎn)品可靠性，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)檢波二極管及其輸入匹配電路等高頻部分單獨(dú)設(shè)計(jì)成一個(gè)密封模塊，保證氣密性，利于保護(hù)裸芯片。檢波輸出運(yùn)放及電源部分由另一個(gè)盒體組成，2個(gè)盒體背靠背組成一個(gè)整體，可以有效降低高頻信號(hào)對(duì)檢波輸出的影響。

2 實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

射頻輸入信號(hào)電平-55dBm±1dBm，對(duì)應(yīng)檢波器輸出幅度0.4V左右，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)在5倍左右。通過圖7結(jié)果可以看出，最終檢波輸出幅度2.2V，上升沿32ns，下降沿42.8ns，滿足設(shè)計(jì)要求。上升沿相比理論25MHz帶寬對(duì)應(yīng)的上升沿14ns增大了18ns，這與運(yùn)放的放大倍數(shù)有關(guān)，是運(yùn)放的帶寬(G=5條件)限制了脈沖的上升沿和下降沿。

圖7 檢波輸出波形

3 結(jié)束語(yǔ)

通過合理選取高速運(yùn)放和梁式檢波二極管，結(jié)合信號(hào)調(diào)制帶寬，設(shè)計(jì)出的K波段高速檢波電路滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，成功應(yīng)用于工程實(shí)例，取得了良好的效果，對(duì)類似毫米波高速檢波電路的研究具有重要的意義。

[1] 胡皓全,宋偉.Ka波段微帶檢波器設(shè)計(jì)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2006，35(3)：324-327.

[2] 吳尚鈞.Ka波段高速脈沖檢波器研究[D].成都：電子科技大學(xué),2008.

[3] 張風(fēng)言.電子電路基礎(chǔ)——高性能模擬電路和電流模技術(shù)[M].北京：高等教育出版社,1995.

[4] 尹莉,彭浩,楊濤.窄脈沖小信號(hào)運(yùn)算放大電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子元器件應(yīng)用,2011，13(9)：18-20.

[5] 姚常飛.W波段高速脈沖檢波器研究[D].成都：電子科技大學(xué),2007.

DesignofAHighSpeedK-bandDetectingCircuit

ZHANGYu-ping，LIUHong-bing

(The13thResearchInstitute,CETC,Shijiazhuang050051,China)

Thispaperanalyzestheinfluenceofsignalbandwidthonthetransmissionofpulsesignalandtheinfluenceofslewrateofoperationalamplifieronpulsesignal,selectsthemillimeter-wavedetectordiodeandhighspeedoperationalamplifieraccordingtotheindexrequirement,designsahighspeedK-banddetectingcircuit,theoutputamplitudecanreach2.2V,risingedgeandfallingedgeisbetterthan50ns,thecircuitmeetstheengineeringrequirements.

K-band;detector;slewrate;bandwidth;pulse

2016-03-09

TN

B

CN32-1413(2016)03-0111-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.028