应用于大功率微波电路的二极管建模方法研究

中国电子科技集团公司第三十八研究所 郁成阳

应用于大功率微波电路的二极管建模方法研究

中国电子科技集团公司第三十八研究所 郁成阳

大功率微波系统中，器件的非线性分析是电路设计的关键。计算机模拟仿真技术的发展简化了电路分析的难度，但模拟仿真的准确度过多地依赖于器件特征的准确表征。本文以微波整流电路为例，分析构建并提出了基于器件SPICE参数和电路优化的大功率二极管建模过程。实验验证了建模方法的准确性，并将有效地应用于微波工程中，如微波无线能量传输系统、雷达探测系统、通信系统等。

非线性器件；大功率模型；微波电路

1.引言

在电子电路领域，非线性器件的种类、型号日益增多，为满足自动化设计的需求，器件的模型库也需不断丰富。现有电磁仿真软件的模型库往往不能包含所有实用器件，一些军用、国产化定制非线性器件模型的缺失对电路的仿真设计带来了不少麻烦。本文以微波二极管为例，指出二极管的多种建模方法，并以MA4E1317为例验证新型二极管建模过程，提出了基于器件SPICE参数和电路优化的大功率二极管建模方法，为电路设计工作提供便利。

2.微波二极管基础和SPICE模型

在高频电路中，肖特基二极管具有更高的截止频率、更小的结电阻和结电容，被广泛使用，其模型分为两部分：固有非线性模型、寄生参数。SPICE模型[1]参数是一种典型的固有模型表征方法，属于经验分析模型，通常由受控源、集总线性元件、非线性元件等能够反映根本物理规律的相关经验电路构成，最大的优点是与目前商业化EDA软件的良好兼容性，例如Agilent ADS电磁仿真软件和SPICE软件，这些软件通常也包含了多种经验分析模型，可适应不同应用环境下的仿真需求。不同的工作状态下，如线性状态、饱和状态、反向截止状态等，二极管模型的参数组成不同，典型的参数划分如表1所示：

表1 二极管模型的主要参数

第一组参数：可以从二极管物理材料和制作工艺中获得，受其他参数影响较小，如寄生串联电阻Rs主要取决于PN结的尺寸和材料。饱和电流温度系数Xti与禁带宽度Eg主要用于表征反向饱和电流Is随温度的变化关系。闪烁噪声参数Kf、Af对小信号应用较为重要，而对大信号微波电路影响微弱，往往不予考虑。

第二组参数：当二极管电压Vi大于正向导通电压Vbi时，二极管导通，结电压Vj保持不变，二极管电压的升高导致电流增大，寄生串联电阻Rs上的损耗也随之增大。

第三组参数：当二极管电压Vi小于正向导通电压并处在击穿电压之上时，二极管工作在反向截止状态，此时结电阻Rj较大，电流多以漏电流的形式流经结电容Cj。结电容是PN结势垒电容和扩散电容之和，并随结电压的变化而变化。

第四组参数：这些参数可以根据二极管的击穿I-V特性曲线提取得到，当二极管结电压Vj超过击穿电压Vbr时，二极管结上的电势维持不变，随着二极管电压Vi的升高，击穿电流急剧增大，寄生串联电阻Rs上的损耗不断增加。击穿状态很容易造成二极管不可逆转的损坏，应尽量控制或避免击穿状态的出现。

寄生参数在高频电子电路中无法避免，并对器件特性起到决定性作用。下文将用实例对器件寄生参数进行提取，以获取完整器件模型。

3.微波二极管建模实例

微波无线能量传输技术近年来成为研究热点，高效率微波整流电路作为关键技术之一，需要借助微波二极管实现较高的微波-直流转换效率[2]。进口器件的模型缺失对电路的设计带来了不少困难，下文选用M/A-COM MA4E1317肖特基二极管，通过构建等效电路结合固有SPICE参数的方法，优化得到二极管完整模型。

图1 基于S P I C E参数和电路优化的新型二极管建模流程图

设计流程如图1所示，首先确定二极管封装形式（MA4E1317倒装芯片法），其次利用理论设计整流电路[3]实测，最后在ADS中结合封装寄生电路和固有SPICE参数，对效率指标进行优化，获取寄生参数。图2给出了电路原理图，寄生参数包含封装电感LP、封装电容CP、引线电容CB。这种方法的优势在于能够对电路的特定指标要求进行针对性建模。

图2 微波整流电路设计实例

以寄生参数为优化变量，运行ADS自动优化功能，获取MA4E1317肖特基二极管寄生参数如下：封装电感LP= 0.26 nH、封装电容CP= 0.01 pF、引线电容CB= 0.04 pF。同时，优化后的击穿电压Vbr= 10.6 V。图3给出了微波整流电路测试结果与基于新建二极管模型的仿真计算结果的对比图，两条效率曲线吻合良好，从而验证了这种基于SPICE参数和封装寄生参数的以整流电路优化为手段的快速二极管建模方法的有效性。

图3 MA 4 E 1 3 1 7模型验证结果

4.结论

本文提出了一种基于SPICE参数和封装寄生参数的以电路优化为手段的快速二极管建模方法，结合微波无线能量传输应用中的微波整流电路设计验证了建模过程的有效性。这项工作对工程化应用中的非线性器件建模具有指导意义，有望在国产化器件上发挥一定的作用。

[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]张彪,刘长军,黄卡玛． 一种小型化的2．45GHz高效微波整流电路设计与实现[C]．全国微波毫米波会议,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．

郁成阳（1988-），男，安徽亳州人，工学博士，工程师，研究方向：雷达系统设计、微波工程 。