一种高速K波段检波电路设计

张宇平，刘红兵

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)



一种高速K波段检波电路设计

张宇平，刘红兵

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)

分析了信号带宽对脉冲信号的传输影响及运算放大器的压摆率对脉冲信号的影响，根据指标要求选取毫米波检波二极管及高速运算放大器，设计出了一种应用在K波段的高速检波电路，输出幅度达到2.2V，上升沿和下降沿优于50ns，满足工程需要。

K波段；检波器；摆率；带宽；脉冲

0 引 言

微波检波器作为关键部件被广泛应用在微波信号检测、功率探测等领域，随着检波器和监控技术的发展，测试精度要求也越来越高，除了通常的连续波检波电路外，在通讯系统中特别是雷达系统还大量使用脉冲检波电路。脉冲检波电路对脉冲的上升沿和下降沿要求非常高，一般都在几个ns以内甚至到ps量级[1]，对检波器及相关电路的速度要求很高，相比一般连续波检波实现相对困难得多。本文讲述了一种K波段脉冲检波电路的设计。

1 具体电路设计

1.1 检波器设计

为某工程项目研制的毫米波高速脉冲检波电路要求工作频段K波段，带宽25MHz，输出幅度2～2.2V，上升沿和下降沿优于50ns，输入电平-55±1dBm。

一般检波电路的原理图如图1所示，其由输入匹配电路、检波二极管、低通滤波器等组成，其中电感L组成检波二极管的直流回路，电容C组成检波二极管交流回路。

图1 一般检波电路的原理图

检波二极管是检波器的核心部分，它的性能好坏直接关系到检波效率和检波器的工作带宽。

检波二极管简化模型如图2所示，其包括1个与偏压有关的结电阻Rj和结电容Cj以及1个由接触、衬底和扩散电阻引起的串联电阻Rs。由于Rs会吸收输入功率产生热量，而且降低了跨接在二极管结上的电压，因而降低了二极管的灵敏度。所以在选择检波二极管时，希望Rs的值越小越好，在小信号条件下，由加至二极管两端的电压Vd引起的Vj为：

(1)

图2 检波二极管等效模型

该结电压的幅值为：

(2)

选择二极管的原则就是希望其结电容和串联电阻越小越好，分布参数小，截止频率越高越好，速度越快。选取Aeroflex公司生产的梁式引线二极管MSS20.141-B10D，该二极管的结电容为0.08pF，正切灵敏度为-59dBm，视频电阻为2 ～6kΩ，工作频率最高为40GHz，功率电平灵敏度为8 000mV/mW，满足设计要求。

检波二极管的输入阻抗是频率的复变量，并且二极管的阻抗随频率的变化较大。输入匹配电路的作用就是在工作频率范围内，把射频信号充分加到检波二极管上，则有[2]：

βv′=βv(1-│τ2│)

(3)

τ=(Zd-Zo)/(Zd+Zo)

(4)

式中:βv′为考虑失配的电压灵敏度值；τ为检波器反射系数。

为了满足输入信号的动态范围-55±1dBm，将输入匹配电路设计为2级放大器输入，中间增加带通滤波器，主要是为了降低在小信号时检波器输出噪声电平的幅度。检波器的直流回路电感由1/4波长短路线实现，交流回路电容由检波二极管自身的分布电容实现。具体检波电路如图3所示。检波输出的运算放大器在下节单独介绍。

图3 K波段脉冲检波电路原理图

脉冲信号检波器的输出信号上升时间是非常关键的指标，脉冲信号的上升时间定义为稳态幅值从10%到90%所需的时间，信号带宽对时域方波形的影响如图4所示。从图4可以看出，若带宽比较窄，方波失真大；若带宽比较宽，方波失真较小；当带宽很宽时，方波不失真。所以检波器后的低通滤波器设计带宽选择至关重要，带宽上限一般按照以下公式来设计：

fH(3 dB)≌0.35/tr

(5)

式中：tr为脉冲上升时间[1,3]。

图4 带宽对方波的影响

由于信号调制带宽为25MHz，大大限制了脉冲的上升沿，按公式(5)可以看出在25MHz带宽下，脉冲上升时间最快也就在14ns左右，所以就更要求检波器后的低通滤波器带宽很宽才不会引起脉冲信号失真。低通滤波器的作用是滤除检波器输出端的射频信号。利用HFSS软件仿真在窄腔下毫米波信号传输到超小型A连接器(SMA)馈电头的能量只有-80dBm[4]，如图5所示。因此输出端无需设计低通滤波器，同轴线低频传输带宽理论上不会造成脉冲信号的失真。实际设计中检波器输出经绝缘子输出到检波器盒体背面的运放及馈电盒体，所以检波电路没有设计单独的低通滤波器。

图5 毫米波信号传输到SMA馈电头的能量仿真结果

1.2 运算放大器设计

通常检波器输出的信号幅度较小，大信号时输出容易饱和，一般也就为几百毫伏，所以要想输出信号幅度2V左右的脉冲信号，单靠检波器是无法实现的，必须使用高速运算放大器将检波输出信号进行放大，得到想要的信号幅度。所以运算放大器设计是本电路的另一个关键设计。

运算放大器在高频下最重要的2个指标是带宽和摆率。带宽很好理解，通常是-3dB带宽，而摆率则是衡量运算放大器在高频、大幅度信号输入时的一个指标。摆率，也叫转换速率，是指运放输出跟随输入变化的速度。通常有V/s，V/ms和V/μs3种单位[5]。摆率SR的示意图见图6。

图6 摆率 SR的定义

摆率与传输速率实际上是矛盾的，摆率太高，就会有一个大的斜率上升，造成很大的抖动，势必减慢稳定时间，所以实际上是要找一个折中的值满足两者的要求。

设输入信号电压为：

u=Vmsin(2πft)

(6)

du/dt=2πfVmcos(2πft)

(7)

当t=0时，du/dt有最大值2πfVm。实际应用运放时，都要求2πfVm

为了对检波输出信号不失真或少失真，选择AD公司的AD811。AD811是一款宽带电流反馈型运算放大器，-3dB带宽为120MHz(G=+2)， 带宽35MHz(0.1dB,G=+2)，而且电源电流低至16.5mA。此外，AD811的额定电源电压范围为±4.5V～±18V。AD811也特别适合注重瞬态响应性能的脉冲应用。最大压摆率可以达到2 500V/μs以上，2V步进时0.1%建立时间少于25ns，10V步进时0.01%建立时间少于65ns，非常适合本电路要求。

1.3 结构设计

由于该检波电路工作在K波段，工作频率较高，普通封装检波二极管无法实现。检波二极管需要由裸芯片来实现，才能减小其分布参数影响。为了保证产品可靠性，实际设计时检波二极管及其输入匹配电路等高频部分单独设计成一个密封模块，保证气密性，利于保护裸芯片。检波输出运放及电源部分由另一个盒体组成，2个盒体背靠背组成一个整体，可以有效降低高频信号对检波输出的影响。

2 实测结果与分析

射频输入信号电平-55dBm±1dBm，对应检波器输出幅度0.4V左右，运算放大器的放大倍数在5倍左右。通过图7结果可以看出，最终检波输出幅度2.2V，上升沿32ns，下降沿42.8ns，满足设计要求。上升沿相比理论25MHz带宽对应的上升沿14ns增大了18ns，这与运放的放大倍数有关，是运放的带宽(G=5条件)限制了脉冲的上升沿和下降沿。

图7 检波输出波形

3 结束语

通过合理选取高速运放和梁式检波二极管，结合信号调制带宽，设计出的K波段高速检波电路满足设计指标要求，成功应用于工程实例，取得了良好的效果，对类似毫米波高速检波电路的研究具有重要的意义。

[1] 胡皓全,宋伟.Ka波段微带检波器设计[J].电子科技大学学报,2006，35(3)：324-327.

[2] 吴尚钧.Ka波段高速脉冲检波器研究[D].成都：电子科技大学,2008.

[3] 张风言.电子电路基础——高性能模拟电路和电流模技术[M].北京：高等教育出版社,1995.

[4] 尹莉,彭浩,杨涛.窄脉冲小信号运算放大电路的设计与实现[J].电子元器件应用,2011，13(9)：18-20.

[5] 姚常飞.W波段高速脉冲检波器研究[D].成都：电子科技大学,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