CN104217075A - 基于肖特基二极管精确电路模型的混频器参数确定方法 - Google Patents

Abstract

基于肖特基二极管精确电路模型的混频器参数确定方法，先建立四种情况下的二极管三维模型，计算得到对应的四组S参数矩阵；再建立四种情况下的二极管等效电路模型，计算得到对应的四组S参数矩阵，用这四组S参数矩阵依次拟合建立的四种情况下的三维模型的S参数矩阵，得到完整的二极管等效电路模型的各个参数值；然后比较由等效电路模型得到的嵌入阻抗值与由三维模型得到的嵌入阻抗值来确定集总等效参数是否收敛，建立完整的二极管等效电路模型；最后将该等效电路模型代入混频器模型，确定混频器，实现对太赫兹频率大气传播特性及衰减特性的成像探测。

Description

基于肖特基二极管精确电路模型的混频器参数确定方法

技术领域

本发明涉及基于肖特基二极管精确电路模型的混频器参数确定方法，属于微波器件参数确定技术领域。

背景技术

在太赫兹频段，工作波长和肖特基二极管的尺寸相比拟，二极管结构上的不连续性带来的特征阻抗Z0的不连续会导致太赫兹波在二极管焊盘、接触指等部分发生反射，对二极管的电场分布造成了很大影响，要对肖特基二极管在太赫兹下的特性进行准确的分析就必须考虑以上特性，所以传统的仿真电路等效模型、SPICE参数等已经不能准确地描述二极管在太赫兹频段下的工作特性，应当对二极管的分布参数进行进一步的分析。为了获得更精确的二极管电路模型，需要提取详细的模型参数，通常有两种手段：利用测试手段获得；利用等效电路方法获得。该频段在片测试平台较难获得，且去嵌入方法也不成熟，因此可实现性不高。传统的等效电路模型仅适合二极管单管管芯的直流/低频性能模拟，无法覆盖频率需求范围。目前，建立反映二极管高频特性的等效电路模型的普遍做法就是直接通过一个二极管近似三维模型去建立等效电路模型。一是由于二极管的近似三维模型太过简化，无法准确反映实际二极管的高频特性，二是由于肖特基二极管等效电路模型的参数较多，若直接通过拟合唯一一组S参数矩阵文件来获得的各个集总参数值会存在较大的不确定性，从而导致建立的肖特基二极管的等效电路模型不够准确，最终影响混频器参数的确定。

在公开刊物及公开渠道上了解到的关于基于肖特基二极管电路模型的混频器参数确定方法主要有：

比如《基于TRL去嵌入方法的二极管建模》，对非线性肖特基结和周围的无源结构进行了基于石英介质的TRL去嵌入建模分析，采用TRL算法，通过拟合初始二极管S参数曲线和TRL测试参数确定芯片电路模型中各集总参数元件数值。该文献所描述的方法基于测试手段，重点对去嵌入方法进行了探索说明，对于工作频段在W波段以上时，由于测试平台较难获得，且去嵌入方法不够成熟，所以很难建立二极管的等效电路模型。综上，上面文献与本文所述方法有本质上的不同。

比如《太赫兹GaAs肖特基二极管电路模型研究》，建立一个肖特基二极管的整体三维模型，对非线性肖特基结以外的无源结构部分进行了电磁场全波分析，得到一组S参数，然后利用ADS软件，通过拟合这唯一一组S参数矩阵文件来确定二极管电路模型的各个集总参数元件数值。该文献所述方法的缺陷在于两个方面：一是由于无法获得肖特基二极管的详细物理结构参数，导致建立的肖特基二极管的三维模型只是一个简化的三维模型，不够准确；二是肖特基二极管等效电路模型的参数较多，若直接通过拟合唯一一组S参数矩阵文件来获得的各个集总参数值会存在较大的不确定性，从而导致建立的等效电路模型不够准确，最终影响混频器的确定。上述文献所描述的方法与本文所述方法有本质区别，且根据该方法建立的等效电路模型无法满足高性能亚毫米波混频器的要求。

专利《一种肖特基二极管的等效电路》，申请公布号CN102520753A，公开了一种肖特基二极管的等效电路，包括：二极管的阳极与电压控制电流源的正极连接，二极管的阴极与电压控制电流源的负极连接，二极管的阳极与电压控制电流源的正极的连接点作为肖特基二极管的等效电路的阳极，二极管的阴极与电压控制电流源的负极的连接点作为肖特基二极管的等效电路的阴极。该发明的肖特基二极管的等效电路能够在仿真中作为肖特基二极管的等效电路，提高包含肖特基二极管的电路的仿真精度，但是它只适用于较低频段，在毫米波频段及以上难以准确描述二极管的高频特性，更无法满足确定太赫兹频段混频器的要求。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供基于肖特基二极管精确电路模型的混频器参数确定方法，该方法能够建立肖特基二极管的精确电路模型，利用该精确电路模型可以准确确定183GHz分谐波混频器，实现对不同海拔地区太赫兹频率大气传播特性及具体区域的太赫兹大气衰减特性的成像探测。

本发明解决的技术方案为：基于肖特基二极管精确电路模型的混频器参数确定方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据肖特基二极管的砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层的物理尺寸、材料特性和介电常数参数，在三维电磁场仿真软件HFSS中建立微带线到二极管焊盘的三维模型(如图3(a)所示)，将微带线到二极管焊盘的三维模型中的微带线一端和肖特基二极管焊盘一端设置为波端口，在波端口处馈入信号能量，利用有限元方法对微带线到二极管焊盘的三维模型的电磁场分布进行求解，计算得到微带线到二极管焊盘的三维模型对应的S参数矩阵；

(2)在电路仿真软件ADS中，建立微带线到二极管焊盘的等效电路模型，该模型包括第一电感Lsp1和第一电容Csp1、第一负载端口PORT1和第二负载端口PORT2，第一负载端口PORT1的一端接地，第一负载端口PORT1的另一端一路连接第一电容Csp1的一端，另一路连接第一电感Lsp1的一端，第一电容Csp1的另一端接地，第一电感Lsp1的另一端通过第二负载端口PORT2接地，给两个负载端口PORT1和PORT2馈入信号能量，利用微波网络分析方法计算得到一组S参数矩阵，并将该组S参数矩阵与步骤(1)获得的S参数矩阵进行比较，通过调整第一电感Lsp1和第一电容Csp1的值，用步骤(2)获得的S参数矩阵来拟合步骤(1)获得的S参数矩阵，从而得到第一电感Lsp1和第一电容Csp1的初值；

(3)根据肖特基二极管的砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层具体的物理尺寸、材料特性和介电常数参数，在三维电磁场仿真软件HFSS中建立去除空气桥的肖特基二极管管对的三维模型(如图3(a)所示)，将去除空气桥的肖特基二极管管对的三维模型中的微带线两端设置为波端口，在波端口处馈入信号能量，利用有限元方法对去除空气桥的肖特基二极管管对的三维模型的电磁场分布进行求解，计算得到去除空气桥的肖特基二极管管对的三维模型对应的S参数矩阵；

(4)在电路仿真软件ADS中，建立去除空气桥的肖特基二极管管对的等效电路模型，该模型包括第一电感Lsp1和第二电感Lsp2，第一电容Csp1、第二电容Cpoc、第三电容Cpp、第四电容Cpac和第五电容Csp2，第一负载端口PORT1和第二负载端口PORT2，第一负载端口PORT1的一端接地，第一负载端口PORT1的另一端一路连接第一电容Csp1的一端，另一路连接第一电感Lsp1的一端，第一电容Csp1的另一端接地，第一电感Lsp1的另一端一路连接第二电容Cpoc的一端，另一路连接第三电容Cpp的一端，第二电容Cpoc的另一端接地，第三电容Cpp的另一端一路连接第四电容Cpac的一端，另一路连接第二电感Lsp2的一端，第四电容Cpac的另一端接地，第二电感Lsp2的另一端一路连接第五电容Csp2的一端，另一路通过第二负载端口PORT2接地，第五电容Csp2的另一端接地，第二电感Lsp2的电感值等于第一电感Lsp1的电感值，第五电容Csp2的电容值等于第一电容Csp1的电容值；将步骤(2)获得的第一电感Lsp1和第一电容Csp1的初值代入去除空气桥的肖特基二极管管对的等效电路模型中，给两个负载端口PORT1和PORT2馈入信号能量，利用微波网络分析方法计算得到一组S参数矩阵，并将该组S参数矩阵与步骤(3)获得的S参数矩阵进行比较，通过调整第二电容Cpoc、第三电容Cpp和第四电容Cpac的值，用步骤(4)获得的S参数矩阵来拟合步骤(3)获得的S参数矩阵，从而得到第二电容Cpoc、第三电容Cpp和第四电容Cpac的初值；

(5)根据肖特基二极管的砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层具体的物理尺寸、材料特性和介电常数参数，在三维电磁场仿真软件HFSS中建立短路的肖特基二极管管对的三维模型(如图3(c)所示)，将短路的肖特基二极管管对的三维模型中的微带线两端设置为波端口，在波端口处馈入信号能量，利用有限元方法对短路的肖特基二极管管对的三维模型的电磁场分布进行求解，计算得到短路的肖特基二极管管对的三维模型对应的S参数矩阵；

(6)在电路仿真软件ADS中，建立短路的肖特基二极管管对的等效电路模型，该模型包括第一电感Lsp1、第二电感Lsp2、第三电感Lf1和第四电感Lf2，第一电容Csp1、第二电容Cpoc、第三电容Cpp、第四电容Cpac和第五电容Csp2，第一负载端口PORT1和第二负载端口PORT2，第一负载端口PORT1的一端接地，第一负载端口PORT1的另一端一路连接第一电容Csp1的一端，另一路连接第一电感Lsp1的一端，第一电容Csp1的另一端接地，第一电感Lsp1的另一端第一路连接第二电容Cpoc的一端，第二路连接第三电感Lf1的一端，第三路连接第四电感Lf2的一端，第四路连接第三电容Cpp的一端，第二电容Cpoc的另一端接地，第三电感Lf1的另一端、第四电感Lf2的另一端和第三电容Cpp的另一端一路连接第四电容Cpac的一端，另一路连接第二电感Lsp2的一端，第四电容Cpac的另一端接地，第二电感Lsp2的另一端一路连接第五电容Csp2的一端，另一路通过第二负载端口PORT2接地，第五电容Csp2的另一端接地，第二电感Lsp2的电感值等于第一电感Lsp1的电感值，第五电容Csp2的电容值等于第一电容Csp1的电容值，第四电感Lf2的电感值等于第三电感Lf1的电感值；将步骤(2)获得的第一电感Lsp1、第一电容Csp1的初值和步骤(4)获得的第二电容Cpoc、第三电容Cpp和第四电容Cpac的初值代入短路的肖特基二极管管对的等效电路模型中，给两个负载端口PORT1和PORT2馈入信号能量，利用微波网络分析方法计算得到一组S参数矩阵，并将该组S参数矩阵与步骤(5)获得的S参数矩阵进行比较，通过调整第三电感Lf1和第四电感Lf2的值，用步骤(6)获得的S参数矩阵来拟合步骤(5)获得的S参数矩阵，从而得到第三电感Lf1和第四电感Lf2的初值；

(7)根据肖特基二极管的砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层具体的物理尺寸、材料特性和介电常数参数，在三维电磁场仿真软件HFSS中建立开路的肖特基二极管管对的三维模型(如图3(d)所示)，将开路的肖特基二极管管对的三维模型中的微带线两端设置为波端口，在端口处馈入信号能量，利用有限元方法对开路的肖特基二极管管对的三维模型的电磁场分布进行求解，计算得到开路的肖特基二极管管对的三维模型对应的S参数矩阵；

(8)在电路仿真软件ADS中，建立开路的肖特基二极管管对的等效电路模型，该模型包括第一电感Lsp1、第二电感Lsp2、第三电感Lf1和第四电感Lf2，第一电容Csp1、第二电容Cpoc、第三电容Cpp、第四电容Cpac、第五电容Csp2、第六电容Cfp1和第七电容Cfp2，第一负载端口PORT1和第二负载端口PORT2，第一负载端口PORT1的一端接地，第一负载端口PORT1的另一端一路连接第一电容Csp1的一端，另一路连接第一电感Lsp1的一端，第一电容Csp1的另一端接地，第一电感Lsp1的另一端第一路连接第二电容Cpoc的一端，第二路连接第三电感Lf1的一端，第三路连接第七电容Cfp2的一端，第四路连接第三电容Cpp的一端，第二电容Cpoc的另一端接地，第三电感Lf1的另一端连接第六电容Cfp1的一端，第七电容Cfp2的另一端连接第四电感Lf2的一端，第六电容Cfp1的另一端、第四电感Lf2的另一端和第三电容Cpp的另一端一路连接第四电容Cpac的一端，另一路连接第二电感Lsp2的一端，第四电容Cpac的另一端接地，第二电感Lsp2的另一端一路连接第五电容Csp2的一端，另一路通过第二负载端口PORT2接地，第五电容Csp2的另一端接地，第二电感Lsp2的电感值等于第一电感Lsp1的电感值，第五电容Csp2的电容值等于第一电容Csp1的电容值，第四电感Lf2的电感值等于第三电感Lf1的电感值，第七电容Cfp2的电容值等于第六电容Cfp1的电容值；将步骤(2)获得的第一电感Lsp1、第一电容Csp1的初值，步骤(4)获得的第二电容Cpoc、第三电容Cpp和第四电容Cpac的初值和步骤(6)获得的第三电感Lf1和第四电感Lf2的初值代入开路的肖特基二极管管对的等效电路模型中，给两个负载端口PORT1和PORT2馈入信号能量，利用微波网络分析方法计算得到一组S参数矩阵，并将该组S参数矩阵与步骤(7)获得的S参数矩阵进行比较，通过调整第六电容Cfp1和第七电容Cfp2的值，用步骤(8)获得的S参数矩阵来拟合步骤(7)获得的S参数矩阵，从而得到第六电容Cfp1和第七电容Cfp2的初值；

(9)根据肖特基二极管的砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层具体的物理尺寸、材料特性和介电常数参数，在三维电磁场仿真软件HFSS中建立完整的肖特基二极管管对的三维模型，将完整的肖特基二极管管对的三维模型中的微带线两端和肖特基结接触处设置为波端口，在波端口处馈入信号能量，利用有限元方法对完整的肖特基二极管管对的三维模型的电磁场分布进行求解，计算得到完整的肖特基二极管管对的三维模型对应的S参数矩阵，通过S参数矩阵与Z参数矩阵的转换关系，最终得到完整的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值；

(10)在电路仿真软件ADS中，建立完整的肖特基二极管管对的等效电路模型，该模型包括第一电感Lsp1、第二电感Lsp2、第三电感Lf1和第四电感Lf2，第一电容Csp1、第二电容Cpoc、第三电容Cpp、第四电容Cpac、第五电容Csp2、第六电容Cfp1和第七电容Cfp2，第一负载端口PORT1、第二负载端口PORT2、第三负载端口PORT3和第四负载端口PORT4，第一负载端口PORT1的一端接地，第一负载端口PORT1的另一端一路连接第一电容Csp1的一端，另一路连接第一电感Lsp1的一端，第一电容Csp1的另一端接地，第一电感Lsp1的另一端第一路连接第二电容Cpoc的一端，第二路连接第三电感Lf1的一端，第三路连接第七电容Cfp2的一端，第四路连接第三电容Cpp的一端，第二电容Cpoc的另一端接地，第三电感Lf1的另一端连接第六电容Cfp1的一端，第三负载端口PORT3并联连接在第六电容Cfp1的两端，第七电容Cfp2的另一端连接第四电感Lf2的一端，第四负载端口PORT4并联连接在第七电容Cfp2的两端，第六电容Cfp1的另一端、第四电感Lf2的另一端和第三电容Cpp的另一端一路连接第四电容Cpac的一端，另一路连接第二电感Lsp2的一端，第四电容Cpac的另一端接地，第二电感Lsp2的另一端一路连接第五电容Csp2的一端，另一路通过第二负载端口PORT2接地，第五电容Csp2的另一端接地，其中，第一电感Lsp1等于第二电感Lsp2，第一电容Csp1等于第五电容Csp2，第三电感Lf1等于第四电感Lf2，第六电容Cfp1等于第七电容Cfp2；将步骤(2)获得的第一电感Lsp1、第一电容Csp1的初值，步骤(4)获得的第二电容Cpoc、第三电容Cpp和第四电容Cpac的初值，步骤(6)获得的第三电感Lf1和第四电感Lf2的初值和步骤(8)获得的第六电容Cfp1和第七电容Cfp2的初值代入完整的肖特基二极管管对的等效电路模型中，给四个负载端口PORT1、PORT2、PORT3和PORT4馈入信号能量，利用微波网络分析方法计算得到一个肖特基二极管管对的嵌入阻抗值，并将该肖特基二极管管对的嵌入阻抗值与步骤(9)获得的完整的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值进行比较，从而确定完整的肖特基二极管管对的等效电路模型中的通过步骤(2)、(4)、(6)和(8)获得的第一电感Lsp1、第二电感Lsp2、第三电感Lf1和第四电感Lf2，第一电容Csp1、第二电容Cpoc、第三电容Cpp、第四电容Cpac、第五电容Csp2、第六电容Cfp1和第七电容Cfp2是否收敛；若步骤(10)得到的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值与步骤(9)获得的完整的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值相差大于5％，则判断为不收敛，返回步骤(1)重新开始，依次调整步骤(2)中的第一电感Lsp1和第一电容Csp1的值、步骤(4)中第二电容Cpoc、第三电容Cpp和第四电容Cpac的值、步骤(6)中第三电感Lf1和第四电感Lf2的值、步骤(8)中第六电容Cfp1和第七电容Cfp2的值直到收敛为止；若步骤(10)得到的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值与步骤(9)获得的完整的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值相差小于等于5％，判断为收敛，则进行步骤(11)；

(11)将步骤(10)获得的完整的肖特基二极管管对的等效电路模型代入183GHz分谐波混频器的模型中(如图6所示)，该混频器模型包括射频、本振、中频和反向并联管对四大部分，其中射频部分包含WR5波导、减高波导、探针过渡和射频匹配电路，本振部分包含WR10波导、减高波导、本振中频双工、本振低通滤波和本振匹配电路，中频部分包含中频低通滤波和SMA接头，反向并联管对部分是步骤(10)获得的完整的肖特基二极管管对的等效电路模型，根据该等效电路模型的第一电感Lsp1、第二电感Lsp2、第三电感Lf1、第四电感Lf2，第一电容Csp1、第二电容Cpoc、第三电容Cpp、第四电容Cpac、第五电容Csp2、第六电容Cfp1和第七电容Cfp2的值，通过调整混频器模型中的射频减高波导、射频匹配电路、本振减高波导、本振低通滤波、本振匹配电路和中频低通滤波电路的参数来获得混频器的低变频损耗性能，从而确定了混频器的各个参数；

(12)将步骤(11)确立的混频器的各个参数完成的混频器，作为超外差接收机前端系统的核心部件，被用在某微波成像探测仪的接收前端，通过定时监测和采集数据，实现了对不同海拔地区太赫兹频率大气传播特性及具体区域的太赫兹大气衰减特性的成像探测。

上述步骤中所述有限元法的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解，它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过对肖特基二极管管对分区域考虑，将复杂问题分解为几个简单部分，在对肖特基二极管管对的等效电路模型进行参数提取时，避免了多个集总等效参数元件数值的随意性，建立了能够应用于太赫兹频段混频器的肖特基二极管的精确电路模型，极大程度地提高了确定太赫兹频段混频器的准确度和成功率。

(2)本发明通过提取太赫兹频段肖特基二极管电路模型的等效参数，可以分析各个等效参数与对应的肖特基二极管的物理结构的变化关系，为优化肖特基二极管的物理结构参数(例如空气桥的尺寸、肖特基接触结的大小和位置等)提供了参考依据和方向，从而实现更适合工作在太赫兹频段的、性能优良的肖特基二极管以及基于这种肖特基二极管的性能更优的太赫兹频段混频器。

附图说明

图1为本发明平面肖特基二极管的层次结构模型示意图；

图2为本发明肖特基二极管管对的等效电路模型参数提取流程示意图；

图3(a)为本发明二极管管对三维模型-微带线到二极管焊盘示意图；

图3(b)为本发明二极管管对三维模型-去除空气桥的二极管示意图；

图3(c)为本发明二极管管对三维模型-短路的二极管示意图；

图3(d)为本发明二极管管对三维模型-开路的二极管示意图；

图4(a)为本发明二极管管对三维模型对应的等效电路模型-微带线到二极管焊盘示意图；

图4(b)为本发明二极管管对三维模型对应的等效电路模型-去除空气桥的二极管示意图；

图4(c)为本发明二极管管对三维模型对应的等效电路模型-短路的二极管示意图；

图4(d)为本发明二极管管对三维模型对应的等效电路模型-开路的二极管示意图；

图5为本发明完整的肖特基二极管管对的等效电路模型；

图6为本发明基于肖特基二极管等效电路模型的183GHz分谐波混频器模型示意图；

图7为本发明183GHz分谐波混频器的低变频损耗(单边带)曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

如图1所示，肖特基二极管的物理层次结构模型分为砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层，各层具有相应的物理尺寸、材料特性和介电常数，根据这些物理参数可以构建一个肖特基二极管的三维模型，模拟实际二极管。

如图2所示，建立肖特基二极管管对的等效电路模型的流程主要分为三大部分，首先对肖特基二极管分区域考虑，建立四种情况下的肖特基二极管的三维模型，然后建立四种情况下的肖特基二极管的等效电路模型，根据上一步三维模型提取的S参数矩阵来提取对应的等效电路模型的集总参数元件值，最后通过比较由等效电路模型得到的嵌入阻抗值与由三维模型得到的嵌入阻抗值来判断集总等效参数是否收敛来确定最终的肖特基二极管的等效电路模型。

如图3(a)所示，在HFSS中建立微带线到二极管焊盘的三维模型，注意波端口参考面的设置，离不连续处要有至少大于二极管工作频率的八分之一波导波长的距离，避免高次模式没有得到足够的衰减，从而导致场分析结果出现错误。

如图3(b)所示，在HFSS中建立去除空气桥的二极管的三维模型，注意波端口参考面的设置，离不连续处要有至少大于二极管工作频率的八分之一波导波长的距离，避免高次模式没有得到足够的衰减，从而导致场分析结果出现错误。

如图3(c)所示，在HFSS中建立短路的二极管的三维模型，注意波端口参考面的设置，离不连续处要有至少大于二极管工作频率的八分之一波导波长的距离，避免高次模式没有得到足够的衰减，从而导致场分析结果出现错误。

如图3(d)所示，在HFSS中建立开路的二极管的三维模型，注意波端口参考面的设置，离不连续处要有至少大于二极管工作频率的八分之一波导波长的距离，避免高次模式没有得到足够的衰减，从而导致场分析结果出现错误。

如图4(a)所示，在ADS中建立微带线到二极管焊盘的等效电路模型，微带线与二极管焊盘之间的不连续性用一个串联电感Lsp1和一个并联到地的电容Csp1来等效，通过与微带线到二极管焊盘的三维模型的S参数矩阵进行拟合，确定Csp1和Lsp1的初值。

如图4(b)所示，在ADS中建立去除空气桥的二极管的等效电路模型，将图4(a)得到的Csp1、Csp2和Lsp1、Lsp2的初值代入该等效电路模型中，其中Csp1＝Csp2，Lsp1＝Lsp2，通过与去除空气桥的二极管的三维模型的S参数矩阵拟合，从而确定Cpoc、Cpac和Cpp的初值，其中Cpoc、Cpac等效二极管焊盘与空气桥之间的不连续性。

如图4(c)所示，在ADS中建立短路的二极管的等效电路模型，将图4(a)得到的Csp1和Lsp1的初值和图4(b)得到的Cpoc、Cpac和Cpp的初值代入该等效电路模型中，通过与短路的二极管的三维模型的S参数矩阵拟合，从而确定空气桥等效电感Lf1、Lf2的初值，其中Lf1＝Lf2。

如图4(d)所示，在ADS中建立开路的二极管的等效电路模型，将图4(a)得到的Csp1和Lsp1的初值，图4(b)得到的Cpoc、Cpac和Cpp的初值和图4(c)得到的Lf1、Lf2的初值代入该等效电路模型中，通过与开路的二极管的三维模型的S参数矩阵拟合，从而确定空气桥和欧姆焊盘间的电容Cfp1、Cfp2的初值，其中Cfp1＝Cfp2。

在HFSS中建立完整的肖特基二极管管对的三维模型，计算得到该三维模型对应的S参数矩阵，通过S参数矩阵与Z参数矩阵的转换关系： 式中Z0代表二极管肖特基结处波端口的特征阻抗，S11代表二极管肖特基结处波端口的输入回波损耗，Z0为50欧姆，得到完整的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值；

如图5所示，在ADS中建立完整的肖特基二极管的等效电路模型，将图4(a)得到的Csp1和Lsp1的初值，图4(b)得到的Cpoc、Cpac和Cpp的初值，图4(c)得到的Lf1、Lf2的初值和图4(d)得到的Cfp1、Cfp2的初值代入该等效电路模型中，计算得到肖特基二极管管对的嵌入阻抗值，通过与完整的二极管的三维模型的嵌入阻抗值进行比较，若两者相差大于5％，可判断为不收敛，则重复以上步骤，直到收敛为止；若两者相差小于等于5％，可判断为收敛，则建立了最终的肖特基二极管管对的等效电路模型。

表1给出了一个实例，即通过以上步骤分别对两种肖特基二极管管对建立等效电路模型，两种二极管的肖特基结面积大小不同(分别为0.95平方微米和3.14平方微米)，对应的空气桥长度也不同。

表1 两种肖特基二极管管对的各集总参数元件值和嵌入阻抗

如图6所示，将上面步骤建立的完整的肖特基二极管管对的等效电路模型代入183GHz分谐波混频器的模型中，调整混频器模型中的其他电路参数，确定了混频器。

如图7所示，实现了工作频带范围为170GHz-195GHz，单边带变频损耗小于8dB的分谐波混频器，作为超外差接收机前端系统的核心部件，被用在某微波成像探测仪的接收前端，通过定时监测和采集数据，实现了对不同海拔地区太赫兹频率大气传播特性及具体区域的太赫兹大气衰减特性的成像探测。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.基于肖特基二极管精确电路模型的混频器参数确定方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据肖特基二极管的砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层的物理尺寸、材料特性和介电常数参数，在三维电磁场仿真软件HFSS中建立微带线到二极管焊盘的三维模型，将微带线到二极管焊盘的三维模型中的微带线一端和肖特基二极管焊盘一端设置为波端口，在波端口处馈入信号能量，利用有限元方法对微带线到二极管焊盘的三维模型的电磁场分布进行求解，计算得到微带线到二极管焊盘的三维模型对应的S参数矩阵；

(2)在电路仿真软件ADS中，建立微带线到二极管焊盘的等效电路模型，该模型包括第一电感Lsp1和第一电容Csp1、第一负载端口PORT1和第二负载端口PORT2，第一负载端口PORT1的一端接地，第一负载端口PORT1的另一端一路连接第一电容Csp1的一端，另一路连接第一电感Lsp1的一端，第一电容Csp1的另一端接地，第一电感Lsp1的另一端通过第二负载端口PORT2接地，给两个负载端口PORT1和PORT2馈入信号能量，利用微波网络分析方法计算得到一组S参数矩阵，并将该组S参数矩阵与步骤(1)获得的S参数矩阵进行比较，通过调整第一电感Lsp1和第一电容Csp1的值，用步骤(2)获得的S参数矩阵来拟合步骤(1)获得的S参数矩阵，从而得到第一电感Lsp1和第一电容Csp1的初值；

(3)根据肖特基二极管的砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层具体的物理尺寸、材料特性和介电常数参数，在三维电磁场仿真软件HFSS中建立去除空气桥的肖特基二极管管对的三维模型，将去除空气桥的肖特基二极管管对的三维模型中的微带线两端设置为波端口，在波端口处馈入信号能量，利用有限元方法对去除空气桥的肖特基二极管管对的三维模型的电磁场分布进行求解，计算得到去除空气桥的肖特基二极管管对的三维模型对应的S参数矩阵；

(4)在电路仿真软件ADS中，建立去除空气桥的肖特基二极管管对的等效电路模型，该模型包括第一电感Lsp1和第二电感Lsp2，第一电容Csp1、第二电容Cpoc、第三电容Cpp、第四电容Cpac和第五电容Csp2，第一负载端口PORT1和第二负载端口PORT2，第一负载端口PORT1的一端接地，第一负载端口PORT1的另一端一路连接第一电容Csp1的一端，另一路连接第一电感Lsp1的一端，第一电容Csp1的另一端接地，第一电感Lsp1的另一端一路连接第二电容Cpoc的一端，另一路连接第三电容Cpp的一端，第二电容Cpoc的另一端接地，第三电容Cpp的另一端一路连接第四电容Cpac的一端，另一路连接第二电感Lsp2的一端，第四电容Cpac的另一端接地，第二电感Lsp2的另一端一路连接第五电容Csp2的一端，另一路通过第二负载端口PORT2接地，第五电容Csp2的另一端接地，第二电感Lsp2的电感值等于第一电感Lsp1的电感值，第五电容Csp2的电容值等于第一电容Csp1的电容值；将步骤(2)获得的第一电感Lsp1和第一电容Csp1的初值代入去除空气桥的肖特基二极管管对的等效电路模型中，给两个负载端口PORT1和PORT2馈入信号能量，利用微波网络分析方法计算得到一组S参数矩阵，并将该组S参数矩阵与步骤(3)获得的S参数矩阵进行比较，通过调整第二电容Cpoc、第三电容Cpp和第四电容Cpac的值，用步骤(4)获得的S参数矩阵来拟合步骤(3)获得的S参数矩阵，从而得到第二电容Cpoc、第三电容Cpp和第四电容Cpac的初值；

(5)根据肖特基二极管的砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层具体的物理尺寸、材料特性和介电常数参数，在三维电磁场仿真软件HFSS中建立短路的肖特基二极管管对的三维模型，将短路的肖特基二极管管对的三维模型中的微带线两端设置为波端口，在波端口处馈入信号能量，利用有限元方法对短路的肖特基二极管管对的三维模型的电磁场分布进行求解，计算得到短路的肖特基二极管管对的三维模型对应的S参数矩阵；

(6)在电路仿真软件ADS中，建立短路的肖特基二极管管对的等效电路模型，该模型包括第一电感Lsp1、第二电感Lsp2、第三电感Lf1和第四电感Lf2，第一电容Csp1、第二电容Cpoc、第三电容Cpp、第四电容Cpac和第五电容Csp2，第一负载端口PORT1和第二负载端口PORT2，第一负载端口PORT1的一端接地，第一负载端口PORT1的另一端一路连接第一电容Csp1的一端，另一路连接第一电感Lsp1的一端，第一电容Csp1的另一端接地，第一电感Lsp1的另一端第一路连接第二电容Cpoc的一端，第二路连接第三电感Lf1的一端，第三路连接第四电感Lf2的一端，第四路连接第三电容Cpp的一端，第二电容Cpoc的另一端接地，第三电感Lf1的另一端、第四电感Lf2的另一端和第三电容Cpp的另一端一路连接第四电容Cpac的一端，另一路连接第二电感Lsp2的一端，第四电容Cpac的另一端接地，第二电感Lsp2的另一端一路连接第五电容Csp2的一端，另一路通过第二负载端口PORT2接地，第五电容Csp2的另一端接地，第二电感Lsp2的电感值等于第一电感Lsp1的电感值，第五电容Csp2的电容值等于第一电容Csp1的电容值，第四电感Lf2的电感值等于第三电感Lf1的电感值；将步骤(2)获得的第一电感Lsp1、第一电容Csp1的初值和步骤(4)获得的第二电容Cpoc、第三电容Cpp和第四电容Cpac的初值代入短路的肖特基二极管管对的等效电路模型中，给两个负载端口PORT1和PORT2馈入信号能量，利用微波网络分析方法计算得到一组S参数矩阵，并将该组S参数矩阵与步骤(5)获得的S参数矩阵进行比较，通过调整第三电感Lf1和第四电感Lf2的值，用步骤(6)获得的S参数矩阵来拟合步骤(5)获得的S参数矩阵，从而得到第三电感Lf1和第四电感Lf2的初值；

(7)根据肖特基二极管的砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层具体的物理尺寸、材料特性和介电常数参数，在三维电磁场仿真软件HFSS中建立开路的肖特基二极管管对的三维模型，将开路的肖特基二极管管对的三维模型中的微带线两端设置为波端口，在端口处馈入信号能量，利用有限元方法对开路的肖特基二极管管对的三维模型的电磁场分布进行求解，计算得到开路的肖特基二极管管对的三维模型对应的S参数矩阵；

(8)在电路仿真软件ADS中，建立开路的肖特基二极管管对的等效电路模型，该模型包括第一电感Lsp1、第二电感Lsp2、第三电感Lf1和第四电感Lf2，第一电容Csp1、第二电容Cpoc、第三电容Cpp、第四电容Cpac、第五电容Csp2、第六电容Cfp1和第七电容Cfp2，第一负载端口PORT1和第二负载端口PORT2，第一负载端口PORT1的一端接地，第一负载端口PORT1的另一端一路连接第一电容Csp1的一端，另一路连接第一电感Lsp1的一端，第一电容Csp1的另一端接地，第一电感Lsp1的另一端第一路连接第二电容Cpoc的一端，第二路连接第三电感Lf1的一端，第三路连接第七电容Cfp2的一端，第四路连接第三电容Cpp的一端，第二电容Cpoc的另一端接地，第三电感Lf1的另一端连接第六电容Cfp1的一端，第七电容Cfp2的另一端连接第四电感Lf2的一端，第六电容Cfp1的另一端、第四电感Lf2的另一端和第三电容Cpp的另一端一路连接第四电容Cpac的一端，另一路连接第二电感Lsp2的一端，第四电容Cpac的另一端接地，第二电感Lsp2的另一端一路连接第五电容Csp2的一端，另一路通过第二负载端口PORT2接地，第五电容Csp2的另一端接地，第二电感Lsp2的电感值等于第一电感Lsp1的电感值，第五电容Csp2的电容值等于第一电容Csp1的电容值，第四电感Lf2的电感值等于第三电感Lf1的电感值，第七电容Cfp2的电容值等于第六电容Cfp1的电容值；将步骤(2)获得的第一电感Lsp1、第一电容Csp1的初值，步骤(4)获得的第二电容Cpoc、第三电容Cpp和第四电容Cpac的初值和步骤(6)获得的第三电感Lf1和第四电感Lf2的初值代入开路的肖特基二极管管对的等效电路模型中，给两个负载端口PORT1和PORT2馈入信号能量，利用微波网络分析方法计算得到一组S参数矩阵，并将该组S参数矩阵与步骤(7)获得的S参数矩阵进行比较，通过调整第六电容Cfp1和第七电容Cfp2的值，用步骤(8)获得的S参数矩阵来拟合步骤(7)获得的S参数矩阵，从而得到第六电容Cfp1和第七电容Cfp2的初值；

(9)根据肖特基二极管的砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层具体的物理尺寸、材料特性和介电常数参数，在三维电磁场仿真软件HFSS中建立完整的肖特基二极管管对的三维模型，将完整的肖特基二极管管对的三维模型中的微带线两端和肖特基结接触处设置为波端口，在波端口处馈入信号能量，利用有限元方法对完整的肖特基二极管管对的三维模型的电磁场分布进行求解，计算得到完整的肖特基二极管管对的三维模型对应的S参数矩阵，通过S参数矩阵与Z参数矩阵的转换关系，最终得到完整的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值；

(10)在电路仿真软件ADS中，建立完整的肖特基二极管管对的等效电路模型，该模型包括第一电感Lsp1、第二电感Lsp2、第三电感Lf1和第四电感Lf2，第一电容Csp1、第二电容Cpoc、第三电容Cpp、第四电容Cpac、第五电容Csp2、第六电容Cfp1和第七电容Cfp2，第一负载端口PORT1、第二负载端口PORT2、第三负载端口PORT3和第四负载端口PORT4，第一负载端口PORT1的一端接地，第一负载端口PORT1的另一端一路连接第一电容Csp1的一端，另一路连接第一电感Lsp1的一端，第一电容Csp1的另一端接地，第一电感Lsp1的另一端第一路连接第二电容Cpoc的一端，第二路连接第三电感Lf1的一端，第三路连接第七电容Cfp2的一端，第四路连接第三电容Cpp的一端，第二电容Cpoc的另一端接地，第三电感Lf1的另一端连接第六电容Cfp1的一端，第三负载端口PORT3并联连接在第六电容Cfp1的两端，第七电容Cfp2的另一端连接第四电感Lf2的一端，第四负载端口PORT4并联连接在第七电容Cfp2的两端，第六电容Cfp1的另一端、第四电感Lf2的另一端和第三电容Cpp的另一端一路连接第四电容Cpac的一端，另一路连接第二电感Lsp2的一端，第四电容Cpac的另一端接地，第二电感Lsp2的另一端一路连接第五电容Csp2的一端，另一路通过第二负载端口PORT2接地，第五电容Csp2的另一端接地，其中，第一电感Lsp1等于第二电感Lsp2，第一电容Csp1等于第五电容Csp2，第三电感Lf1等于第四电感Lf2，第六电容Cfp1等于第七电容Cfp2；将步骤(2)获得的第一电感Lsp1、第一电容Csp1的初值，步骤(4)获得的第二电容Cpoc、第三电容Cpp和第四电容Cpac的初值，步骤(6)获得的第三电感Lf1和第四电感Lf2的初值和步骤(8)获得的第六电容Cfp1和第七电容Cfp2的初值代入完整的肖特基二极管管对的等效电路模型中，给四个负载端口PORT1、PORT2、PORT3和PORT4馈入信号能量，利用微波网络分析方法计算得到一个肖特基二极管管对的嵌入阻抗值，并将该肖特基二极管管对的嵌入阻抗值与步骤(9)获得的完整的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值进行比较，从而确定完整的肖特基二极管管对的等效电路模型中的通过步骤(2)、(4)、(6)和(8)获得的第一电感Lsp1、第二电感Lsp2、第三电感Lf1和第四电感Lf2，第一电容Csp1、第二电容Cpoc、第三电容Cpp、第四电容Cpac、第五电容Csp2、第六电容Cfp1和第七电容Cfp2是否收敛；若步骤(10)得到的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值与步骤(9)获得的完整的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值相差大于5％，则判断为不收敛，返回步骤(1)重新开始，依次调整步骤(2)中的第一电感Lsp1和第一电容Csp1的值、步骤(4)中第二电容Cpoc、第三电容Cpp和第四电容Cpac的值、步骤(6)中第三电感Lf1和第四电感Lf2的值、步骤(8)中第六电容Cfp1和第七电容Cfp2的值直到收敛为止；若步骤(10)得到的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值与步骤(9)获得的完整的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值相差小于等于5％，判断为收敛，则进行步骤(11)；

(11)将步骤(10)获得的完整的肖特基二极管管对的等效电路模型代入183GHz分谐波混频器的模型中，该混频器模型包括射频、本振、中频和反向并联管对四大部分，其中射频部分包含WR5波导、减高波导、探针过渡和射频匹配电路，本振部分包含WR10波导、减高波导、本振中频双工、本振低通滤波和本振匹配电路，中频部分包含中频低通滤波和SMA接头，反向并联管对部分是步骤(10)获得的完整的肖特基二极管管对的等效电路模型，根据该等效电路模型的第一电感Lsp1、第二电感Lsp2、第三电感Lf1、第四电感Lf2，第一电容Csp1、第二电容Cpoc、第三电容Cpp、第四电容Cpac、第五电容Csp2、第六电容Cfp1和第七电容Cfp2的值，通过调整混频器模型中的射频减高波导、射频匹配电路、本振减高波导、本振低通滤波、本振匹配电路和中频低通滤波电路的参数来获得混频器的低变频损耗性能，从而确定了混频器的各个参数。