應用于大功率微波電路的二極管建模方法研究

中國電子科技集團公司第三十八研究所 郁成陽

應用于大功率微波電路的二極管建模方法研究

中國電子科技集團公司第三十八研究所 郁成陽

大功率微波系統中，器件的非線性分析是電路設計的關鍵。計算機模擬仿真技術的發展簡化了電路分析的難度，但模擬仿真的準確度過多地依賴于器件特征的準確表征。本文以微波整流電路為例，分析構建并提出了基于器件SPICE參數和電路優化的大功率二極管建模過程。實驗驗證了建模方法的準確性，并將有效地應用于微波工程中，如微波無線能量傳輸系統、雷達探測系統、通信系統等。

非線性器件；大功率模型；微波電路

1.引言

在電子電路領域，非線性器件的種類、型號日益增多，為滿足自動化設計的需求，器件的模型庫也需不斷豐富。現有電磁仿真軟件的模型庫往往不能包含所有實用器件，一些軍用、國產化定制非線性器件模型的缺失對電路的仿真設計帶來了不少麻煩。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為例驗證新型二極管建模過程，提出了基于器件SPICE參數和電路優化的大功率二極管建模方法，為電路設計工作提供便利。

2.微波二極管基礎和SPICE模型

在高頻電路中，肖特基二極管具有更高的截止頻率、更小的結電阻和結電容，被廣泛使用，其模型分為兩部分：固有非線性模型、寄生參數。SPICE模型[1]參數是一種典型的固有模型表征方法，屬于經驗分析模型，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律的相關經驗電路構成，最大的優點是與目前商業化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驗分析模型，可適應不同應用環境下的仿真需求。不同的工作狀態下，如線性狀態、飽和狀態、反向截止狀態等，二極管模型的參數組成不同，典型的參數劃分如表1所示：

表1 二極管模型的主要參數

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

第二組參數：當二極管電壓Vi大于正向導通電壓Vbi時，二極管導通，結電壓Vj保持不變，二極管電壓的升高導致電流增大，寄生串聯電阻Rs上的損耗也隨之增大。

第三組參數：當二極管電壓Vi小于正向導通電壓并處在擊穿電壓之上時，二極管工作在反向截止狀態，此時結電阻Rj較大，電流多以漏電流的形式流經結電容Cj。結電容是PN結勢壘電容和擴散電容之和，并隨結電壓的變化而變化。

第四組參數：這些參數可以根據二極管的擊穿I-V特性曲線提取得到，當二極管結電壓Vj超過擊穿電壓Vbr時，二極管結上的電勢維持不變，隨著二極管電壓Vi的升高，擊穿電流急劇增大，寄生串聯電阻Rs上的損耗不斷增加。擊穿狀態很容易造成二極管不可逆轉的損壞，應盡量控制或避免擊穿狀態的出現。

寄生參數在高頻電子電路中無法避免，并對器件特性起到決定性作用。下文將用實例對器件寄生參數進行提取，以獲取完整器件模型。

3.微波二極管建模實例

微波無線能量傳輸技術近年來成為研究熱點，高效率微波整流電路作為關鍵技術之一，需要借助微波二極管實現較高的微波-直流轉換效率[2]。進口器件的模型缺失對電路的設計帶來了不少困難，下文選用M/A-COM MA4E1317肖特基二極管，通過構建等效電路結合固有SPICE參數的方法，優化得到二極管完整模型。

圖1 基于S P I C E參數和電路優化的新型二極管建模流程圖

設計流程如圖1所示，首先確定二極管封裝形式（MA4E1317倒裝芯片法），其次利用理論設計整流電路[3]實測，最后在ADS中結合封裝寄生電路和固有SPICE參數，對效率指標進行優化，獲取寄生參數。圖2給出了電路原理圖，寄生參數包含封裝電感LP、封裝電容CP、引線電容CB。這種方法的優勢在于能夠對電路的特定指標要求進行針對性建模。

圖2 微波整流電路設計實例

以寄生參數為優化變量，運行ADS自動優化功能，獲取MA4E1317肖特基二極管寄生參數如下：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，優化后的擊穿電壓Vbr= 10.6 V。圖3給出了微波整流電路測試結果與基于新建二極管模型的仿真計算結果的對比圖，兩條效率曲線吻合良好，從而驗證了這種基于SPICE參數和封裝寄生參數的以整流電路優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模型驗證結果

4.結論

本文提出了一種基于SPICE參數和封裝寄生參數的以電路優化為手段的快速二極管建模方法，結合微波無線能量傳輸應用中的微波整流電路設計驗證了建模過程的有效性。這項工作對工程化應用中的非線性器件建模具有指導意義，有望在國產化器件上發揮一定的作用。

[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,劉長軍,黃卡瑪． 一種小型化的2．45GHz高效微波整流電路設計與實現[C]．全國微波毫米波會議,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（1988-），男，安徽亳州人，工學博士，工程師，研究方向：雷達系統設計、微波工程 。