一種高速K波段檢波電路設計

張宇平，劉紅兵

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

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一種高速K波段檢波電路設計

張宇平，劉紅兵

(中國電子科技集團公司第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算放大器的壓擺率對脈沖信號的影響，根據指標要求選取毫米波檢波二極管及高速運算放大器，設計出了一種應用在K波段的高速檢波電路，輸出幅度達到2.2V，上升沿和下降沿優于50ns，滿足工程需要。

K波段；檢波器；擺率；帶寬；脈沖

0 引 言

微波檢波器作為關鍵部件被廣泛應用在微波信號檢測、功率探測等領域，隨著檢波器和監控技術的發展，測試精度要求也越來越高，除了通常的連續波檢波電路外，在通訊系統中特別是雷達系統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以內甚至到ps量級[1]，對檢波器及相關電路的速度要求很高，相比一般連續波檢波實現相對困難得多。本文講述了一種K波段脈沖檢波電路的設計。

1 具體電路設計

1.1 檢波器設計

為某工程項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個與偏壓有關的結電阻Rj和結電容Cj以及1個由接觸、襯底和擴散電阻引起的串聯電阻Rs。由于Rs會吸收輸入功率產生熱量，而且降低了跨接在二極管結上的電壓，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

該結電壓的幅值為：

(2)

選擇二極管的原則就是希望其結電容和串聯電阻越小越好，分布參數小，截止頻率越高越好，速度越快。選取Aeroflex公司生產的梁式引線二極管MSS20.141-B10D，該二極管的結電容為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，滿足設計要求。

檢波二極管的輸入阻抗是頻率的復變量，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，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。

為了滿足輸入信號的動態范圍-55±1dBm，將輸入匹配電路設計為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波長短路線實現，交流回路電容由檢波二極管自身的分布電容實現。具體檢波電路如圖3所示。檢波輸出的運算放大器在下節單獨介紹。

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鍵的指標，脈沖信號的上升時間定義為穩態幅值從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，方波失真較小；當帶寬很寬時，方波不失真。所以檢波器后的低通濾波器設計帶寬選擇至關重要，帶寬上限一般按照以下公式來設計：

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到超小型A連接器(SMA)饋電頭的能量只有-80dBm[4]，如圖5所示。因此輸出端無需設計低通濾波器，同軸線低頻傳輸帶寬理論上不會造成脈沖信號的失真。實際設計中檢波器輸出經絕緣子輸出到檢波器盒體背面的運放及饋電盒體，所以檢波電路沒有設計單獨的低通濾波器。

圖5 毫米波信號傳輸到SMA饋電頭的能量仿真結果

1.2 運算放大器設計

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現的，必須使用高速運算放大器將檢波輸出信號進行放大，得到想要的信號幅度。所以運算放大器設計是本電路的另一個關鍵設計。

運算放大器在高頻下最重要的2個指標是帶寬和擺率。帶寬很好理解，通常是-3dB帶寬，而擺率則是衡量運算放大器在高頻、大幅度信號輸入時的一個指標。擺率，也叫轉換速率，是指運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，勢必減慢穩定時間，所以實際上是要找一個折中的值滿足兩者的要求。

設輸入信號電壓為：

u=Vmsin(2πft)

(6)

du/dt=2πfVmcos(2πft)

(7)

當t=0時，du/dt有最大值2πfVm。實際應用運放時，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響應性能的脈沖應用。最大壓擺率可以達到2 500V/μs以上，2V步進時0.1%建立時間少于25ns，10V步進時0.01%建立時間少于65ns，非常適合本電路要求。

1.3 結構設計

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現。檢波二極管需要由裸芯片來實現，才能減小其分布參數影響。為了保證產品可靠性，實際設計時檢波二極管及其輸入匹配電路等高頻部分單獨設計成一個密封模塊，保證氣密性，利于保護裸芯片。檢波輸出運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 實測結果與分析

射頻輸入信號電平-55dBm±1dBm，對應檢波器輸出幅度0.4V左右，運算放大器的放大倍數在5倍左右。通過圖7結果可以看出，最終檢波輸出幅度2.2V，上升沿32ns，下降沿42.8ns，滿足設計要求。上升沿相比理論25MHz帶寬對應的上升沿14ns增大了18ns，這與運放的放大倍數有關，是運放的帶寬(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 結束語

通過合理選取高速運放和梁式檢波二極管，結合信號調制帶寬，設計出的K波段高速檢波電路滿足設計指標要求，成功應用于工程實例，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波段微帶檢波器設計[J].電子科技大學學報,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,2008.

[3] 張風言.電子電路基礎——高性能模擬電路和電流模技術[M].北京：高等教育出版社,1995.

[4] 尹莉,彭浩,楊濤.窄脈沖小信號運算放大電路的設計與實現[J].電子元器件應用,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,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