一種高速K波段檢波電路設(shè)計(jì)

張宇平，劉紅兵

(中國電子科技集團(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

(中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051)

分析了信號帶寬對脈沖信號的傳輸影響及運(yùn)算放大器的壓擺率對脈沖信號的影響，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)用在微波信號檢測、功率探測等領(lǐng)域，隨著檢波器和監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，測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。脈沖檢波電路對脈沖的上升沿和下降沿要求非常高，一般都在幾個ns以內(nèi)甚至到ps量級[1]，對檢波器及相關(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。

檢波二極管簡化模型如圖2所示，其包括1個與偏壓有關(guān)的結(jié)電阻Rj和結(jié)電容Cj以及1個由接觸、襯底和擴(kuò)散電阻引起的串聯(lián)電阻Rs。由于Rs會吸收輸入功率產(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，希望Rs的值越小越好，在小信號條件下，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)。

為了滿足輸入信號的動態(tài)范圍-55±1dBm，將輸入匹配電路設(shè)計(jì)為2級放大器輸入，中間增加帶通濾波器，主要是為了降低在小信號時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

脈沖信號檢波器的輸出信號上升時間是非常關(guān)鍵的指標(biāo)，脈沖信號的上升時間定義為穩(wěn)態(tài)幅值從10%到90%所需的時間，信號帶寬對時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，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為脈沖上升時間[1,3]。

圖4 帶寬對方波的影響

由于信號調(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引起脈沖信號失真。低通濾波器的作用是濾除檢波器輸出端的射頻信號。利用HFSS軟件仿真在窄腔下毫米波信號傳輸?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造成脈沖信號的失真。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幅度較小，大信號時輸出容易飽和，一般也就為幾百毫伏，所以要想輸出信號幅度2V左右的脈沖信號，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進(jìn)行放大，得到想要的信號幅度。所以運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)是本電路的另一個關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

運(yùn)算放大器在高頻下最重要的2個指標(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、大幅度信號輸入時的一個指標(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，就會有一個大的斜率上升，造成很大的抖動，勢必減慢穩(wěn)定時間，所以實(shí)際上是要找一個折中的值滿足兩者的要求。

設(shè)輸入信號電壓為：

u=Vmsin(2πft)

(6)

du/dt=2πfVmcos(2πft)

(7)

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

為了對檢波輸出信號不失真或少失真，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0.1%建立時間少于25ns，10V步進(jìn)時0.01%建立時間少于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盒體組成，2個盒體背靠背組成一個整體，可以有效降低高頻信號對檢波輸出的影響。

2 實(shí)測結(jié)果與分析

射頻輸入信號電平-55dBm±1dBm，對應(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

通過合理選取高速運(yùn)放和梁式檢波二極管，結(jié)合信號調(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