中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 郁成陽(yáng)

應(yīng)用于大功率微波電路的二極管建模方法研究

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 郁成陽(yáng)

大功率微波系統(tǒng)中，器件的非線性分析是電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)化了電路分析的難度，但模擬仿真的準(zhǔn)確度過多地依賴于器件特征的準(zhǔn)確表征。本文以微波整流電路為例，分析構(gòu)建并提出了基于器件SPICE參數(shù)和電路優(yōu)化的大功率二極管建模過程。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了建模方法的準(zhǔn)確性，并將有效地應(yīng)用于微波工程中，如微波無線能量傳輸系統(tǒng)、雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。

非線性器件；大功率模型；微波電路

1.引言

在電子電路領(lǐng)域，非線性器件的種類、型號(hào)日益增多，為滿足自動(dòng)化設(shè)計(jì)的需求，器件的模型庫(kù)也需不斷豐富?，F(xiàn)有電磁仿真軟件的模型庫(kù)往往不能包含所有實(shí)用器件，一些軍用、國(guó)產(chǎn)化定制非線性器件模型的缺失對(duì)電路的仿真設(shè)計(jì)帶來了不少麻煩。本文以微波二極管為例，指出二極管的多種建模方法，并以MA4E1317為例驗(yàn)證新型二極管建模過程，提出了基于器件SPICE參數(shù)和電路優(yōu)化的大功率二極管建模方法，為電路設(shè)計(jì)工作提供便利。

2.微波二極管基礎(chǔ)和SPICE模型

在高頻電路中，肖特基二極管具有更高的截止頻率、更小的結(jié)電阻和結(jié)電容，被廣泛使用，其模型分為兩部分：固有非線性模型、寄生參數(shù)。SPICE模型[1]參數(shù)是一種典型的固有模型表征方法，屬于經(jīng)驗(yàn)分析模型，通常由受控源、集總線性元件、非線性元件等能夠反映根本物理規(guī)律的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)電路構(gòu)成，最大的優(yōu)點(diǎn)是與目前商業(yè)化EDA軟件的良好兼容性，例如Agilent ADS電磁仿真軟件和SPICE軟件，這些軟件通常也包含了多種經(jīng)驗(yàn)分析模型，可適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境下的仿真需求。不同的工作狀態(tài)下，如線性狀態(tài)、飽和狀態(tài)、反向截止?fàn)顟B(tài)等，二極管模型的參數(shù)組成不同，典型的參數(shù)劃分如表1所示：

表1 二極管模型的主要參數(shù)

第一組參數(shù)：可以從二極管物理材料和制作工藝中獲得，受其他參數(shù)影響較小，如寄生串聯(lián)電阻Rs主要取決于PN結(jié)的尺寸和材料。飽和電流溫度系數(shù)Xti與禁帶寬度Eg主要用于表征反向飽和電流Is隨溫度的變化關(guān)系。閃爍噪聲參數(shù)Kf、Af對(duì)小信號(hào)應(yīng)用較為重要，而對(duì)大信號(hào)微波電路影響微弱，往往不予考慮。

第二組參數(shù)：當(dāng)二極管電壓Vi大于正向?qū)妷篤bi時(shí)，二極管導(dǎo)通，結(jié)電壓Vj保持不變，二極管電壓的升高導(dǎo)致電流增大，寄生串聯(lián)電阻Rs上的損耗也隨之增大。

第三組參數(shù)：當(dāng)二極管電壓Vi小于正向?qū)妷翰⑻幵趽舸╇妷褐蠒r(shí)，二極管工作在反向截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)結(jié)電阻Rj較大，電流多以漏電流的形式流經(jīng)結(jié)電容Cj。結(jié)電容是PN結(jié)勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容之和，并隨結(jié)電壓的變化而變化。

第四組參數(shù)：這些參數(shù)可以根據(jù)二極管的擊穿I-V特性曲線提取得到，當(dāng)二極管結(jié)電壓Vj超過擊穿電壓Vbr時(shí)，二極管結(jié)上的電勢(shì)維持不變，隨著二極管電壓Vi的升高，擊穿電流急劇增大，寄生串聯(lián)電阻Rs上的損耗不斷增加。擊穿狀態(tài)很容易造成二極管不可逆轉(zhuǎn)的損壞，應(yīng)盡量控制或避免擊穿狀態(tài)的出現(xiàn)。

寄生參數(shù)在高頻電子電路中無法避免，并對(duì)器件特性起到?jīng)Q定性作用。下文將用實(shí)例對(duì)器件寄生參數(shù)進(jìn)行提取，以獲取完整器件模型。

3.微波二極管建模實(shí)例

微波無線能量傳輸技術(shù)近年來成為研究熱點(diǎn)，高效率微波整流電路作為關(guān)鍵技術(shù)之一，需要借助微波二極管實(shí)現(xiàn)較高的微波-直流轉(zhuǎn)換效率[2]。進(jìn)口器件的模型缺失對(duì)電路的設(shè)計(jì)帶來了不少困難，下文選用M/A-COM MA4E1317肖特基二極管，通過構(gòu)建等效電路結(jié)合固有SPICE參數(shù)的方法，優(yōu)化得到二極管完整模型。

圖1 基于S P I C E參數(shù)和電路優(yōu)化的新型二極管建模流程圖

設(shè)計(jì)流程如圖1所示，首先確定二極管封裝形式（MA4E1317倒裝芯片法），其次利用理論設(shè)計(jì)整流電路[3]實(shí)測(cè)，最后在ADS中結(jié)合封裝寄生電路和固有SPICE參數(shù)，對(duì)效率指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，獲取寄生參數(shù)。圖2給出了電路原理圖，寄生參數(shù)包含封裝電感LP、封裝電容CP、引線電容CB。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)﹄娐返奶囟ㄖ笜?biāo)要求進(jìn)行針對(duì)性建模。

圖2 微波整流電路設(shè)計(jì)實(shí)例

以寄生參數(shù)為優(yōu)化變量，運(yùn)行ADS自動(dòng)優(yōu)化功能，獲取MA4E1317肖特基二極管寄生參數(shù)如下：封裝電感LP= 0.26 nH、封裝電容CP= 0.01 pF、引線電容CB= 0.04 pF。同時(shí)，優(yōu)化后的擊穿電壓Vbr= 10.6 V。圖3給出了微波整流電路測(cè)試結(jié)果與基于新建二極管模型的仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖，兩條效率曲線吻合良好，從而驗(yàn)證了這種基于SPICE參數(shù)和封裝寄生參數(shù)的以整流電路優(yōu)化為手段的快速二極管建模方法的有效性。

圖3 MA 4 E 1 3 1 7模型驗(yàn)證結(jié)果

4.結(jié)論

本文提出了一種基于SPICE參數(shù)和封裝寄生參數(shù)的以電路優(yōu)化為手段的快速二極管建模方法，結(jié)合微波無線能量傳輸應(yīng)用中的微波整流電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證了建模過程的有效性。這項(xiàng)工作對(duì)工程化應(yīng)用中的非線性器件建模具有指導(dǎo)意義，有望在國(guó)產(chǎn)化器件上發(fā)揮一定的作用。

[1]Woochul J,Melngailis J,Newcomb R W．CMOS Schottky diode microwave power detector fabrication,SPICE modeling, and applications [C]．IEEE International Workshop on Electronic Design,Test and Applications, Jan．17-19,2006．

[2]張彪,劉長(zhǎng)軍,黃卡瑪． 一種小型化的2．45GHz高效微波整流電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[C]．全國(guó)微波毫米波會(huì)議,2011,1693-1696．

[3]James O M, Lu F,Kai C．Design and experiments of a high-conversionefficiency 5．8-GHz rectenna[J]．IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Dec．1998,46(12)：2053-2060．

郁成陽(yáng)（1988-），男，安徽亳州人，工學(xué)博士，工程師，研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、微波工程 。