毫米波高性能檢波器研究

魏 娟，劉國華，趙艷秋

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，揚州 225001)

毫米波高性能檢波器研究

魏 娟，劉國華，趙艷秋

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，揚州 225001)

介紹了一款帶寬為70～80 GHz，選用寬帶鰭線射頻輸入結合高低阻抗線作為輸入匹配網(wǎng)絡的高性能檢波器。該檢波器輸入端口為WR12標準矩形波導，輸出為SMA接頭，采用場分析和路分析結合的方法進行了仿真建模與優(yōu)化設計。當輸入信號功率為-10 dBm時，在70～80 GHz頻帶內(nèi)電壓靈敏度大于500 mV/mW。

毫米波檢波器；波導微帶過渡；阻抗匹配；直接檢波式接收系統(tǒng)

0 引 言

檢波器是微波、毫米波常規(guī)器件之一，是微波毫米波信號檢測、自動增益控制、功率探測、穩(wěn)幅應用中的關鍵部件，被廣泛應用于微波、毫米波測試儀器中，如功率計、矢量網(wǎng)絡分析儀等。在雷達等毫米波系統(tǒng)中，用于直接檢波器式毫米波接收機。直接檢波式接收機具有噪聲低、直流功耗小、不需要本振源以及系統(tǒng)構成簡單等優(yōu)點，是未來接收前端的發(fā)展方向。

本文設計的檢波器工作頻段為70～80 GHz，采用低勢壘肖特基二極管HSCH-9161，截止頻率110 GHz，且無需外置電壓，具有靈敏度高、頻率響應快、噪聲系數(shù)小等優(yōu)點。

1 檢波器電路原理與設計

檢波器是利用某些非線性固態(tài)器件的特性對輸入的射頻信號進行非線性變換,然后提取其中的直流或低頻信號的器件。設計檢波器電路時，需要均衡考慮以下幾個性能指標：工作頻率、帶寬、輸入駐波、靈敏度。

本文設計的檢波器用于直接檢測毫米波信號功率大小，輸出直流分量，整個電路主要由波導到微帶的過渡、輸入阻抗匹配網(wǎng)絡和低通濾波器等3個部分組成[1]，整個電路制作在Duriod5880(厚度為0.127 mm)的軟基片上。

1.1 波導-鰭線過渡電路設計

本文設計的檢波器,其射頻輸入端口采用標準波導WR12，在輸入端口和匹配網(wǎng)絡之間需要加入一段過渡結構，過渡結構要求傳輸損耗低、駐波小、回波損耗小、頻帶寬且易加工易安裝。目前常用的過渡結構有耦合探針過渡[2]、對脊鰭線過渡[3]、階梯脊波導過渡[4]等。本文采用的是對脊鰭線過渡結構，在HFSS中的建模如圖1，通過對漸變鰭線的優(yōu)化得到的S參數(shù)仿真結果如圖2。從仿真結果可以看出，在60～90 GHz工作頻帶內(nèi)，回波損耗都大于20 dB，滿足本文設計要求。

圖1 對脊鰭線過渡結構

圖2 對脊鰭線過渡結構S參數(shù)仿真結果

1.2 低通濾波器的設計

毫米波信號經(jīng)檢波器變換后產(chǎn)生直流和各諧波信號。但是檢波器輸出信號只要求有直流，所以需要抑制諧波信號的輸出。因為二次及二次以上的諧波分量的信號幅度非常小，相比于直流信號可以完全忽略，所以只需考慮二次諧波分量。

常見的低通濾波器采用高低阻抗線結構，其結構簡單，指標好，工程上易實現(xiàn)，但是高低阻抗線低通濾波器體積偏大。本文采用了一種扇形開路支節(jié)形式的低通濾波器，這種結構有效地解決了高低阻抗線濾波器體積偏大的問題。綜合本設計對濾波器的要求，采用4節(jié)結構的扇形低通濾波器。本文先采用ADS軟件確定低通濾波器參數(shù)的初值，然后再運用HFSS進行驗證。圖3是在HFSS中建立的扇形低通濾波器模型，圖4為最終優(yōu)化結果。從仿真結果可以看出，在阻帶60～80 GHz頻帶內(nèi)，抑制度大于28 dB，通帶內(nèi)插入損耗小于0.07 dB，仿真結果滿足系統(tǒng)要求。

圖3 低通濾波器仿真模型

圖4 低通濾波器仿真結果

1.3 檢波器匹配電路優(yōu)化

輸入匹配網(wǎng)絡是檢波器設計中極其重要的環(huán)節(jié)，影響檢波器靈敏度的高低和輸入駐波的大小。檢波器靈敏度的損耗：

(1)

當駐波比為3時，|Γ|=0.5，電壓靈敏度降低25%。由此可見，在確定檢波器靈敏度時，匹配電路是一個至關重要的因素[5]。本文采用的是多支節(jié)λg/4阻抗變換形式。

由于檢波器的匹配網(wǎng)絡是處于波導-微帶過渡結構和二極管之間，所以匹配網(wǎng)絡不僅僅是對檢波管做匹配，而是需要對整個檢波管和后續(xù)的電路做阻抗匹配。在ADS中計算檢波管及后續(xù)電路輸入阻抗值后，就可以設計匹配電路。先在ADS中建立仿真電路圖，優(yōu)化后得到匹配網(wǎng)絡各個參數(shù)的初值，然后運用HFSS軟件進行驗證。圖5為匹配網(wǎng)絡HFSS仿真模型，圖6為最終仿真結果。從仿真結果可以看出，在工作頻率為61.2～75.6 GHz時，S11<-10 dB，符合設計要求。

圖5 匹配網(wǎng)絡HFSS模型

圖6 匹配網(wǎng)絡HFSS仿真結果

2 檢波器整體仿真設計

本節(jié)將對檢波器整體電路進行仿真設計，在HFSS軟件中建立檢波器整體模型如圖7所示。

圖7 檢波器模型

將HFSS仿真結果的S4P文件導入到ADS中，構建檢波器整體仿真電路模型，經(jīng)過優(yōu)化設計得到最終的仿真結果，如圖8所示。從圖中可以看出，固定射頻輸入功率為-10 dBm，當輸入信號為71.8 GHz時，檢波器輸出電壓獲得最大值166.38 mV，相應的電壓靈敏度為1 663.75 mV/mW；當輸入信號為80 GHz時，檢波器輸出電壓獲得最小值81.7 mV，相應的電壓靈敏度為817 mV/mW。

圖8 檢波器輸出電壓隨輸入功率變化圖

3 檢波器加工和實測結果

對設計好的檢波器進行電路和腔體的加工，圖9為檢波器實物圖，圖10為輸出電壓隨頻率變化的測試曲線和仿真曲線對比圖。從測試曲線可看出，固定射頻輸入功率為-10 dBm，在70～80 GHz頻段內(nèi)輸出電壓大于50 mV。

圖9 檢波器實物圖

圖10 -10 dBm輸入時，檢波器輸出電壓隨頻率變化曲線圖

4 結束語

對比圖10中的仿真曲線和測試曲線可以看出：2條曲線變化趨勢相同，但是在射頻信號為70～72.5 GHz時，測試結果要優(yōu)于仿真結果；而在頻率為72.5～80 GHz時，仿真結果要優(yōu)于測試結果。仿真和實測的偏差主要是由于二極管的參數(shù)在建模時的不準確和二極管焊接時引起的匹配電路結構變化。本文應用高頻電磁場仿真軟件HFSS和高頻電路仿真軟件ADS設計了一款高性能毫米波檢波器，設計的檢波器電壓靈敏度高，尺寸小,結構簡單。

[1] 顧墨琳.微波固態(tài)電路設計[M].南京：中國電子科技集團公司第十四研究所,2003.

[2] LEONG Y C,WEINREB S.Full band waveguide-to-microstrip probe transitions[C]//1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Anaheim,CA,USA,1999:1435-1438.

[3] PONCHAK G E,DOWNEY A N.A new model for broadband waveguide to microstrip transition design[J].Microwave Journal,1988,31(5):333-345.

[4] YAO H W,ABDELMONEM A,LIANG J F.A full wave analysis of waveguide-to-microstrip transition[C]//1994 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.San Diego,CA,USA,1994:213-216.

[5] SCHULMAN J N,KOLINKO V,MORGAN M,etal.W-band direct detection circuit performance with sb-heterostructure diodes[J].Microwave & Wireless Componets Letters IEEE,2004,14(7):316-318.

StudyofHigh-performanceMillimeter-waveDetector

WEI Juan,LIU Guo-hua,ZHAO Yan-qiu

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001,China)

This paper introduces a high-performance detector with bandwidth 70～80 GHz,which combines broadband fin line radio frequency (RF) input with high/low impedance line as the input matched network.The input port of the detector is WR12 standard rectangular waveguide,the output port is an SMA junction.The field analysis and circuit analysis methods are combined for simulation modeling and optimization design.In frequency band of 70～80 GHz,the voltage sensitivity is above 500 mV/mW when the input signal power is -10 dBm.

millimeter-wave detector;waveguide-to-microstrip transition;impedance match;direct detection receiving system

TN763.1

B

CN32-1413(2017)05-0105-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.024

2017-04-05