天津職業(yè)技術師范大學工程實訓中心　郭曉河　毛福新　張洪彬

2cm雙端平衡檢波器設計

天津職業(yè)技術師范大學工程實訓中心郭曉河毛福新張洪彬

設計一種2mm雙端平衡檢波器。檢波器中采用了雙端平衡結構，增加了帶寬，提高了檢波器的穩(wěn)定性。通過軟件仿真和實驗數(shù)據(jù)分析，這種檢波器的帶寬為2GHz（14.5～16.5GHz），在頻帶內(nèi)檢波靈敏度大于200mv/mW，起伏度小于1dB，電壓駐波比小于2.5。這種檢波器可以應用于2mm雷達接收系統(tǒng)的信號檢測和穩(wěn)幅器中。

平衡檢波器；檢波靈敏度；信號檢測

引言

檢波器是微波系統(tǒng)中經(jīng)常用到的器件之一，是微波信號檢測和穩(wěn)幅器的關鍵部件，在標準網(wǎng)絡分析儀和雷達接收機系統(tǒng)中得到廣泛應用。隨著現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，簡單化、小型化和集成化成為一種趨勢。

國外在微波領域發(fā)展迅速。2007年H.P.Moyer，J.J.Lynch等人研究設計了第一個基于Sb異質(zhì)結結構反向二極管的MMIC［1］，在21GHz噪聲當量帶寬范圍內(nèi)，器件的靈敏度高達10000mv/μW；2008年L.A.Tejedor等人設計了從幾十兆赫茲到40GHz的超寬帶微帶檢波器［2］，平坦度較好且駐波比小。相比較之下，由于受到檢波管等元件的限制，國內(nèi)對檢波器的設計和研究不多，主要的設計還是利用波導等機械機構或者單端檢波器。1995年，姚喜梅設計了寬帶平衡檢波器［3］，在8～16GHz的頻帶內(nèi)電壓駐波比小于2；2007年，李惠芳、馬楠設計了微波平衡檢波器［4］，在8～12GHz的頻帶內(nèi)檢波靈敏度、帶內(nèi)起伏度和電壓駐波比的指標完成比較好。

本文設計了一種2cm微波平衡檢波器，在14.5～16.5GHz的頻帶內(nèi)檢波靈敏度大于200mv/mW，帶內(nèi)起伏度小于1dB，電壓駐波比小于2.5，可以用于對2cm雷達接收機接收信號的檢測及穩(wěn)幅器件中。

1　工作原理

微波檢波器將檢測到的微波信號轉化成直流信號，采用非線性元件實現(xiàn)頻率的轉化，其關鍵在非線性元件的選擇，目前可用的非線性元件有場效應管、晶體管、變?nèi)荻O管、肖特基勢壘二極管等。

1.1檢波器原理

典型單管檢波器是由檢波管、匹配電路、電感L和電容C組成。電感L可以看作對微波信號的開路，使信號全部加載到檢波管上。電容C可以看作對微波信號的短路，對高頻信號進行濾除，只有直流分量輸出。

1.2非線性元件的選擇

采用場效應管或者晶體管作為非線性元件可以獲得變頻增益，同時具有伏安特性曲線為平方律和抗鏡頻能力強等優(yōu)點。但其缺點是需要直流偏置，電路相對復雜，設計理論也比較復雜。采用二極管作為非線性元件有著電路簡單、工作穩(wěn)定、便于集成等優(yōu)點。與其他二極管相比，肖特基勢壘二極管具有較強的非線性，可靠性好，靈敏度高和一致性好的優(yōu)點，非常適合我們的平衡檢波器的設計。

1.3肖特基勢壘二極管

理想二極管的等效電路模型是由受到外加電壓影響的非線性元件結電容Cj和結電導Gj并聯(lián)組成［5］。由于受到制作工藝和封裝的影響，等效電路模型還應該加上不受外加電壓影響的線性元件串聯(lián)電阻RS、引線電感LS以及封裝電容Cp。

肖特基勢壘二極管通過結的擴散電流為：

檢波器靈敏度：βi=id/PS，id是檢波器輸出端短路時的輸出電流，PS是加在檢波管上的微波信號功率。在微波小信號下，輸入電壓為VS，由于受到串聯(lián)電阻RS分壓和結電容Cj的分流作用，結電壓為：

Io是射頻源Vi=0時的二極管輸出電流，定義此時二極管的工作點為（Io，Vi）。在二極管的工作點附近將式（1）展開成id對Vj的泰勒級數(shù)，交流分量通過后面的電容已經(jīng)濾除，檢波管整流出來的短路直流為：

dS率，這就是平方律檢波。經(jīng)推導，檢波管吸收的微波信號功率為：

式（3）和式（4）得到電流檢波靈敏度為：

式（5）可以得到，非線性指數(shù)α越大，串聯(lián)電阻RS越小，電流檢波靈敏度βi越高。由此可以得到檢波器開路電壓靈敏度：

VL是加載負載電阻上的直流電壓。

2　設計過程及仿真結果

微波平衡檢波器由3dB寬帶分支定向耦合器，匹配網(wǎng)絡，肖特基勢壘二極管和低通濾波器組成。

2.13dB寬帶分支定向耦合器設計

電橋、定向耦合器和分功器可以使微波波段的功率平均分到兩只檢波管上［6］。波導結構中，這類元件往往需要做成立體電路結構，而使用微帶線則可以使其平面化，結構變得簡單易于加工。相對于環(huán)形電橋結構，分支定向耦合器更加簡單，所以此次設計采用了分支定向耦合器結構。

由兩條平衡傳輸線和一些耦合作用的分支線組成了分支定向耦合器，其在中心頻率上的分支線長度和間隔全部為四分之一波長［6］。通過調(diào)節(jié)主線和分支線的阻抗可以改進電路參數(shù)。

此次設計，相對帶寬，用三分支切比雪夫定向耦合器，選取板材材質(zhì)是聚四氟乙烯板，其參數(shù)為：Er=2.55，ur=1，板材厚度H=0.8mm，覆銅厚度T=0.018mm，正切損耗角tanD=0.001，查表得到各部分阻抗，并且將查表得到的參數(shù)帶入仿真工具ADS2008進行優(yōu)化。最終尺寸見表1。

3dB分支定向耦合器S參數(shù)版圖仿真結果如圖1所示。

圖1中可以看到，在14GHz-17GHz內(nèi)反射系數(shù)dB（S（1，1））、定向性dB（S（4，1）和隔離度dB（S（2，3））小于-17dB，輸出端口-3.1dB

表1　3dB寬帶分支定向耦合器各部分參數(shù)

圖1　3dB分支定向耦合器S參數(shù)

2.2分支定向耦合器和檢波管參數(shù)匹配設計

阻抗匹配的一般方法有λ0/4阻抗變換器和支節(jié)匹配器兩種［7］。λ0/4阻抗變換器設計簡單，但只適用于終端負載為純電阻或者在電壓波腹、波節(jié)接入的情況。由于檢波管的歸一化特性阻抗不為純電阻，且檢波器有一定帶寬，在中心頻率處找波腹或者波節(jié)會造成邊緣頻率有很大的反射，所以此次設計采用支節(jié)匹配器進行匹配。

2.3低通濾波器設計

檢波器的作用就是將輸入的微波信號轉化成直流信號，在輸出前應該將射頻信號濾除。低通濾波器是由高頻短路塊及高阻抗的中頻輸出線組成。高頻電路塊經(jīng)常會采用一段低阻抗、長度為λ0/4開路線來實現(xiàn)。扇形短截面比λ0/4短路線的頻帶要寬很多，非常適合寬帶設計和制作。短截面半徑r=3mm，θ=90°。為了使微波信號不會泄露，中頻輸出線采用工藝上能夠實現(xiàn)的細線，W=0.1mm，其特性阻抗大于100Ω。

圖2　微波平衡檢波器版圖

圖3　微波平衡檢波器實物圖

3　測試結果及分析

3.1技術指標

電壓靈敏度：βv≥200mv/mW；帶內(nèi)起伏度：≤1dB；電壓駐波比：VSWR<2.5

3.2測試結果及分析

本次設計中檢波管采用了南京固體器件廠的WJ-3022B檢波二極管。根據(jù)仿真結果得到如圖2所示的版圖，將圖2中版圖通過光刻電鍍等工藝制成微波平衡檢波器，焊接完成裝入屏蔽盒內(nèi)調(diào)試，實物如圖3所示。

由標量網(wǎng)路分析儀hp HEWLETT 8757D測得檢波器的電壓駐波比如圖4所示。在輸入功率為-10dBm時，掃頻源hp 8350B和雙蹤示波器測試輸出電壓如圖5所示。

圖4　微波平衡檢波器電壓駐波比

圖5　微波平衡檢波器輸出電壓

微波小信號由1端口輸入，通過3dB分支定向耦合器平均分配到2端口和3端口，由于切比雪夫型耦合器在頻帶內(nèi)存在一定的紋波和受到加工精度因素影響，輸出端口也存在一定的起伏。在2端口和3端口的檢波管是選擇的是最大傳輸，對輸入信號會產(chǎn)生一定的反射，在1端口我們可以加上鐵氧隔離器以消除對前級的影響，而在4端口，我們可以在圖3的R1位置加上50Ω吸收負載來消除影響。由圖4可以看到，帶內(nèi)最大駐波比小于2.5，由于設計時中心頻率偏低，造成電壓駐波比在高頻段偏大，可以在輸入端口加鐵氧隔離器，以消除對前級的影響，在以后的設計及制作中加以改進。由圖5可以看到輸出電壓隨著輸出并聯(lián)負載R2的增大而變大，在輸入-10dBm時均大于30mV，帶內(nèi)起伏度小于1dB，可以根據(jù)使用電壓情況選擇輸出并聯(lián)負載。

4　結束語

從以上測試結果看，檢波器的各項指標在14.5～16.5GHz帶寬內(nèi)已達到設計要求，可以應用于2mm雷達收發(fā)系統(tǒng)的微波信號幅度測量及穩(wěn)幅器件中。

［1］Moyer H P，Lynch J J，Schulman J N，et al.A low noise chipset for passive millimeter wave imaging［C］.IEEE/MTT-S International Conference on Microwave Symposium，2007：1363-1366.

［2］L.A.Tejedor，Indra Sist，D.A.Torrejon，J.I.Alonso，Gonzalez-Martin，J.Chen.An ultra-broadband micro-strip Ddetector up to 40 GHz［C］. COMITE 14th Conference on Microwave Techniques，2008：1-4.

［3］姚喜梅.寬帶平衡檢波器［J］.船舶電子對抗，1995，10（4）：17-19.

［4］李惠芳，馬楠.微波平衡檢波器的設計與制作［J］.火控雷達技術，2007，6（36）：107-110.

［5］王家禮，郝延紅，孫璐.微波有源電路理論分析及設計［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2012，4.

［6］清華大學《微帶電路》編寫組.微波電路［M］.北京：人民郵電出版社，1976，9.

［7］盛振華.電磁場微波技術與天線［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1995，12.

［8］徐興福.ADS2008射頻電路設計與仿真電路［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009，9.

Design of the dual port balance detector of 2cm

GUO Xiao-he，MAO Fu-xin，ZHANG Hong-bin
（Engineering Training Center，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

This paper designs a dual port balance detector of 2cm.For increasing bandwidth and improving the stability of the detector，we use a dual port balance structure.Through simulation and analysis of experimental data，the bandwidth of the detector is 2GHz from 14.5GHz to 16.5GHz，and the detection sensitivity is more than 200mv/mW.The waviness is less than 1dB，and VSWR is less than 2.5.The detector is used in signal detection of 2cm radar receiving system and leveled device.

balance detector;detection sensitivity;signal detection

郭曉河（1965—），男，大學本科，高級實驗師，研究方向：通信系統(tǒng)。