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        一種高速K波段檢波電路設(shè)計(jì)

        2016-12-13 05:15:53張宇平劉紅兵
        艦船電子對(duì)抗 2016年3期
        關(guān)鍵詞:檢波檢波器二極管

        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(lái)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??;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(lái)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(wú)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(méi)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(wú)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(jiàn)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(wú)法實(shí)現(xiàn)。檢波二極管需要由裸芯片來(lái)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(guò)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(guò)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

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