毫米波高性能检波器研究

魏 娟，刘国华，赵艳秋

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，扬州 225001)

毫米波高性能检波器研究

魏 娟，刘国华，赵艳秋

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，扬州 225001)

介绍了一款带宽为70～80 GHz，选用宽带鳍线射频输入结合高低阻抗线作为输入匹配网络的高性能检波器。该检波器输入端口为WR12标准矩形波导，输出为SMA接头，采用场分析和路分析结合的方法进行了仿真建模与优化设计。当输入信号功率为-10 dBm时，在70～80 GHz频带内电压灵敏度大于500 mV/mW。

毫米波检波器；波导微带过渡；阻抗匹配；直接检波式接收系统

0 引 言

检波器是微波、毫米波常规器件之一，是微波毫米波信号检测、自动增益控制、功率探测、稳幅应用中的关键部件，被广泛应用于微波、毫米波测试仪器中，如功率计、矢量网络分析仪等。在雷达等毫米波系统中，用于直接检波器式毫米波接收机。直接检波式接收机具有噪声低、直流功耗小、不需要本振源以及系统构成简单等优点，是未来接收前端的发展方向。

本文设计的检波器工作频段为70～80 GHz，采用低势垒肖特基二极管HSCH-9161，截止频率110 GHz，且无需外置电压，具有灵敏度高、频率响应快、噪声系数小等优点。

1 检波器电路原理与设计

检波器是利用某些非线性固态器件的特性对输入的射频信号进行非线性变换,然后提取其中的直流或低频信号的器件。设计检波器电路时，需要均衡考虑以下几个性能指标：工作频率、带宽、输入驻波、灵敏度。

本文设计的检波器用于直接检测毫米波信号功率大小，输出直流分量，整个电路主要由波导到微带的过渡、输入阻抗匹配网络和低通滤波器等3个部分组成[1]，整个电路制作在Duriod5880(厚度为0.127 mm)的软基片上。

1.1 波导-鳍线过渡电路设计

本文设计的检波器,其射频输入端口采用标准波导WR12，在输入端口和匹配网络之间需要加入一段过渡结构，过渡结构要求传输损耗低、驻波小、回波损耗小、频带宽且易加工易安装。目前常用的过渡结构有耦合探针过渡[2]、对脊鳍线过渡[3]、阶梯脊波导过渡[4]等。本文采用的是对脊鳍线过渡结构，在HFSS中的建模如图1，通过对渐变鳍线的优化得到的S参数仿真结果如图2。从仿真结果可以看出，在60～90 GHz工作频带内，回波损耗都大于20 dB，满足本文设计要求。

图1 对脊鳍线过渡结构

图2 对脊鳍线过渡结构S参数仿真结果

1.2 低通滤波器的设计

毫米波信号经检波器变换后产生直流和各谐波信号。但是检波器输出信号只要求有直流，所以需要抑制谐波信号的输出。因为二次及二次以上的谐波分量的信号幅度非常小，相比于直流信号可以完全忽略，所以只需考虑二次谐波分量。

常见的低通滤波器采用高低阻抗线结构，其结构简单，指标好，工程上易实现，但是高低阻抗线低通滤波器体积偏大。本文采用了一种扇形开路支节形式的低通滤波器，这种结构有效地解决了高低阻抗线滤波器体积偏大的问题。综合本设计对滤波器的要求，采用4节结构的扇形低通滤波器。本文先采用ADS软件确定低通滤波器参数的初值，然后再运用HFSS进行验证。图3是在HFSS中建立的扇形低通滤波器模型，图4为最终优化结果。从仿真结果可以看出，在阻带60～80 GHz频带内，抑制度大于28 dB，通带内插入损耗小于0.07 dB，仿真结果满足系统要求。

图3 低通滤波器仿真模型

图4 低通滤波器仿真结果

1.3 检波器匹配电路优化

输入匹配网络是检波器设计中极其重要的环节，影响检波器灵敏度的高低和输入驻波的大小。检波器灵敏度的损耗：

(1)

当驻波比为3时，|Γ|=0.5，电压灵敏度降低25%。由此可见，在确定检波器灵敏度时，匹配电路是一个至关重要的因素[5]。本文采用的是多支节λg/4阻抗变换形式。

由于检波器的匹配网络是处于波导-微带过渡结构和二极管之间，所以匹配网络不仅仅是对检波管做匹配，而是需要对整个检波管和后续的电路做阻抗匹配。在ADS中计算检波管及后续电路输入阻抗值后，就可以设计匹配电路。先在ADS中建立仿真电路图，优化后得到匹配网络各个参数的初值，然后运用HFSS软件进行验证。图5为匹配网络HFSS仿真模型，图6为最终仿真结果。从仿真结果可以看出，在工作频率为61.2～75.6 GHz时，S11<-10 dB，符合设计要求。

图5 匹配网络HFSS模型

图6 匹配网络HFSS仿真结果

2 检波器整体仿真设计

本节将对检波器整体电路进行仿真设计，在HFSS软件中建立检波器整体模型如图7所示。

图7 检波器模型

将HFSS仿真结果的S4P文件导入到ADS中，构建检波器整体仿真电路模型，经过优化设计得到最终的仿真结果，如图8所示。从图中可以看出，固定射频输入功率为-10 dBm，当输入信号为71.8 GHz时，检波器输出电压获得最大值166.38 mV，相应的电压灵敏度为1 663.75 mV/mW；当输入信号为80 GHz时，检波器输出电压获得最小值81.7 mV，相应的电压灵敏度为817 mV/mW。

图8 检波器输出电压随输入功率变化图

3 检波器加工和实测结果

对设计好的检波器进行电路和腔体的加工，图9为检波器实物图，图10为输出电压随频率变化的测试曲线和仿真曲线对比图。从测试曲线可看出，固定射频输入功率为-10 dBm，在70～80 GHz频段内输出电压大于50 mV。

图9 检波器实物图

图10 -10 dBm输入时，检波器输出电压随频率变化曲线图

4 结束语

对比图10中的仿真曲线和测试曲线可以看出：2条曲线变化趋势相同，但是在射频信号为70～72.5 GHz时，测试结果要优于仿真结果；而在频率为72.5～80 GHz时，仿真结果要优于测试结果。仿真和实测的偏差主要是由于二极管的参数在建模时的不准确和二极管焊接时引起的匹配电路结构变化。本文应用高频电磁场仿真软件HFSS和高频电路仿真软件ADS设计了一款高性能毫米波检波器，设计的检波器电压灵敏度高，尺寸小,结构简单。

[1] 顾墨琳.微波固态电路设计[M].南京：中国电子科技集团公司第十四研究所,2003.

[2] LEONG Y C,WEINREB S.Full band waveguide-to-microstrip probe transitions[C]//1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Anaheim,CA,USA,1999:1435-1438.

[3] PONCHAK G E,DOWNEY A N.A new model for broadband waveguide to microstrip transition design[J].Microwave Journal,1988,31(5):333-345.

[4] YAO H W,ABDELMONEM A,LIANG J F.A full wave analysis of waveguide-to-microstrip transition[C]//1994 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.San Diego,CA,USA,1994:213-216.

[5] SCHULMAN J N,KOLINKO V,MORGAN M,etal.W-band direct detection circuit performance with sb-heterostructure diodes[J].Microwave & Wireless Componets Letters IEEE,2004,14(7):316-318.

StudyofHigh-performanceMillimeter-waveDetector

WEI Juan,LIU Guo-hua,ZHAO Yan-qiu

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001,China)

This paper introduces a high-performance detector with bandwidth 70～80 GHz,which combines broadband fin line radio frequency (RF) input with high/low impedance line as the input matched network.The input port of the detector is WR12 standard rectangular waveguide,the output port is an SMA junction.The field analysis and circuit analysis methods are combined for simulation modeling and optimization design.In frequency band of 70～80 GHz,the voltage sensitivity is above 500 mV/mW when the input signal power is -10 dBm.

millimeter-wave detector;waveguide-to-microstrip transition;impedance match;direct detection receiving system

TN763.1

B

CN32-1413(2017)05-0105-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.024

2017-04-05