基于ADS 的S 波段梳狀譜發(fā)生器設計

唐正，呂曉蕊，黃博

（1.湖北交通職業(yè)技術學院 交通信息學院，湖北武漢，430079；2.武漢鐵路職業(yè)技術學院 鐵道通信信號與電氣化學院，湖北武漢，430205）

0 引言

梳狀譜信號源在電子對抗、雷達、頻率合成器等領域具有廣泛應用。梳狀譜產(chǎn)生的方法分為兩類：使用高性能數(shù)字技術產(chǎn)生所需要的頻譜信號。這種方法結構簡單，但產(chǎn)生的頻譜頻率較低、相位噪聲差。利用非線性半導體器件，結合選頻整形網(wǎng)絡產(chǎn)生高頻、高質量頻譜。該類方法的核心器件是階躍恢復二極管（Step-Recovery Diode，SRD），電路通過輸入低頻的基波信號產(chǎn)生高次諧波分量[1～4]。但這種以非線性半導體產(chǎn)生倍頻信號的方法阻抗匹配困難，高次諧波功率小且不同階次的諧波功率相差較大，設計電路與實測電路的測試結果存在較大差異。本文針對這些不足之處，以典型SRD 倍頻電路的理論計算為基礎，通過ADS 仿真優(yōu)化，在S 波段設計一款梳狀譜發(fā)生器。經(jīng)驗證，系統(tǒng)輸入頻率為100MHz 的基波信號，在0.8～2.5GHz頻段上輸出梳狀譜信號，該段信號的功率大、平坦度好。

1 SRD 倍頻原理

SRD 最早是由Moll 等研制的一種半導體器件，其非線性特性是給予少數(shù)載流子的貯存效應。SRD 半導體摻雜結構與普通二極管不同，在高摻雜層P+層和N+層之間夾了一層低摻雜的N 層，構成一個緩變結結構，如圖1 所示。

圖1 SRD 摻雜濃度分布示意圖

在正弦波激勵下，SRD 呈現(xiàn)與普通二極管不同的電流響應：當在SRD 兩端施加正向電壓時，階躍恢復二極管的性能與普通二極管相同，處于導通狀態(tài)，同時對N 層充電。當二極管端電壓由正變?yōu)樨摃r，普通二極管會立即截止，而階躍恢復二極管中N 層存留的電荷返回原處，因此能形成反向電流，這一過程持續(xù)的時間為納秒級，稱為少數(shù)載流子壽命，該參數(shù)決定了電路的輸入激勵信號頻率的下限。當N 層中貯存的電荷消耗完時，階躍恢復二極管進入截止狀態(tài)，電流由反向最大減小為零的，該過程持續(xù)時間為皮秒級，稱為階躍時間，該參數(shù)決定了電路輸出信號頻率的上限。在反向電流迅速增大和迅速減小的過程中，電路產(chǎn)生高斯諧波分量。

2 梳狀譜電路

根據(jù)階躍恢復二極管的倍頻原理，本文設計了梳狀譜發(fā)生電路，電路如圖2 所示，電路主要由偏置網(wǎng)絡、輸入匹配、脈沖發(fā)生器3 個部分組成[5～6]。

圖2 梳狀譜發(fā)生器電路

■2.1 偏置網(wǎng)絡

偏置網(wǎng)絡為SRD 提供一個合適的偏壓，使二極管在負電流較大時產(chǎn)生電流階躍，這樣可提高倍頻效率。階躍二極管的偏壓有外加偏壓和自偏壓兩種方式，本文采用自偏壓方式，自偏壓來自SRD 的非線性效應，SRD 非線性產(chǎn)生的直流通過偏壓電阻Rb后產(chǎn)生電壓降，形成偏置電壓，故電路對輸入激勵信號功率有一定要求。偏置網(wǎng)絡中，Cb是隔直電容，其作用是阻止SRD 產(chǎn)生的直流分量影響激勵信源；Lb是扼流線圈，其作用是防止高頻信號通過偏置網(wǎng)絡產(chǎn)生泄露，避免輸出信號功率因偏置網(wǎng)絡帶來的削弱。

■2.2 輸入匹配網(wǎng)絡

輸入匹配網(wǎng)絡由Cm、Lm組成，匹配電路的作用是適配信源內阻Rg和脈沖發(fā)生器輸入阻抗Rin，使激勵信號功率最大效率地傳輸給SRD，提高倍頻效率和輸出信號功率。同時該網(wǎng)絡具有低通濾波作用，扼止脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的高次諧波反灌入激勵信源。

■2.3 脈沖發(fā)生器

脈沖發(fā)生器部分主要由SRD、激勵電感L 和調諧電容Ct組成，是梳狀譜發(fā)生電路的核心。脈沖發(fā)生電路中，L 用于存儲和釋放能量，L 對電路產(chǎn)生的諧波分量的功率和階次影響很大，L 越大諧波的功率越大，但倍頻效率越低，因此L 的選擇需綜合考慮諧波功率和倍頻效率的需求。Ct用來調諧脈沖發(fā)生器的虛阻抗，使脈沖發(fā)生器的輸入阻抗呈純阻性，并對除輸出頻率以外的所有諧波分量構成旁路。

■2.4 梳狀譜電路元件值計算

根據(jù)項目要求，本文設計一種輸入頻率為100MHz，輸出頻率為0.8～2.5GHz 的梳狀譜發(fā)生器。

2.4.1 階躍恢復二極管的選擇

SRD 的選型主要考慮以下幾個參數(shù)[7～9]：

（1)節(jié)電容

3.強化典型宣傳。注重先進模范人物的培養(yǎng)選樹，深入開展“忠誠敬業(yè)”、“向上海營銷公司學習”、“榜樣的力量”等活動，選樹了一批忠誠寶勝、愛崗敬業(yè)、奮發(fā)進取、敢于擔當?shù)钠髽I(yè)正面典型，大力宣傳突出貢獻的管理人員、優(yōu)秀班組長、創(chuàng)新創(chuàng)效人才等各類典型的先進事跡和優(yōu)秀品質，依靠榜樣的激勵、示范和導向作用，不斷匯聚起推動企業(yè)加快發(fā)展的磅礴力量。每年底開展“兩優(yōu)一先”評選活動，弘揚正氣，樹立標桿。同時充分利用文化雜志、微信公眾號、網(wǎng)站、櫥窗、黨建文化墻等多種渠道，廣泛開展宣傳活動，努力營造了學習先進、宣傳先進的濃厚氛圍。

節(jié)電容取Cj的取值影響電路的阻抗匹配和倍頻效率，電容的阻抗需滿足式(1)。

式中fN是電路輸出的最高頻率，本文取2.5GHz。經(jīng)計算，節(jié)電容取值應在（3.2pF，6.4pF)區(qū)間內。

（2)少數(shù)載流子壽命

少數(shù)載流子壽命τ，其影響SRD 正偏時電路注入N 區(qū)的載流子數(shù)量，τ 的設計需滿足式(2)。

一般τ?2πfin≥ 10，式中fin是輸入信號頻率，本文取100MHz，少數(shù)載流子壽命τ 應大于16ns。

（3)階躍時間

階躍時間tt決定了電路輸出諧波階次的上限，tt的設計需滿足式(3)。

式中fN是電路輸出的最高頻率，本文取2.5GHz，階躍時間tt應小于400ps。

根據(jù)以上要求，本文選擇MACOM 公司的階躍恢復二極管MMD0815-A15，其具體參數(shù)如表1 所示。

表1 MMD0815-A15主要參數(shù)

2.4.2 其他元件的選擇

梳狀譜發(fā)生電路其他元件值的計算公式如下：

按照式(4)～式(8)計算，關鍵元件值列于表2 中。

表2 梳狀譜發(fā)生器關鍵元件理論值

3 ADS 仿真優(yōu)化

在ADS 仿真軟件中搭建梳狀譜發(fā)生電路，將表1 和表2 的參數(shù)導入ADS 仿真電路原理圖中，如圖3 所示。

圖3 梳狀譜發(fā)生器ADS 仿真電路

仿真結果如圖4 所示。

圖4 梳狀譜發(fā)生器ADS 仿真結果

由仿真結果可知，電路輸出梳狀譜載波功率偏低，以中心頻率1.5GHz 為例，其輸出功率只有-18dbm，電路需要優(yōu)化。使用ADS 軟件的“OPTIM”和“GOAL”控件，對電路中的核心器件L、Ct、Lm、Cm以及Rb的值進行優(yōu)化仿真。電路優(yōu)化后，結果如圖5 所示。

圖5 梳狀譜發(fā)生器ADS 優(yōu)化結果

從仿真結果來看，優(yōu)化后的梳狀譜發(fā)生電路在0.8GHz～2.5GHz頻帶內輸出的信號功率較原電路得到大幅提升，電路在1.5GHz頻點的信號功率達到-4.2dBm，功率提升14.3dB，達到優(yōu)化目的。梳狀譜發(fā)生電路器件的值更新如表3 所示。

表3 梳狀譜發(fā)生器關鍵元件優(yōu)化值

實際電路使用基板材料為FR-4，材料介電常數(shù)為3.9，板材厚度0.254mm，信號走線0.5mm 寬度。由于實際電路中寄生參數(shù)的影響，以及ADS 仿真中對階躍二極管MMD0815-A15 的建模存在一定偏差，實際的梳狀譜發(fā)生器的輸出結果和仿真結果有所偏差，但電路調試的趨勢基本相同，實際電路的測試結果如圖6 所示。

圖6 頻譜儀實測頻譜

4 總結

本文介紹了階躍二極管倍頻的工作原理，基于ADS 仿真設計了一個輸入頻率為100MHz，輸出頻率覆蓋0.8GHz～2.5GHz 的梳狀譜發(fā)生器，電路輸出信號功率高、波動小，達到預期效果。同時，本文論述的梳狀譜發(fā)生器的設計方法適用于類似的項目開發(fā)，具有較高的推廣價值。