CN110708038A - 一种2-18GHz的平方律检波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种2‑18GHz的平方律检波器，包括输入匹配网络、检波二极管和低通滤波器，检波二极管一端连接输入匹配网络，另一端连接低通滤波器。肖特基二极管采用Skyworks的P型肖特基低势垒检波二极管SMS7630‑079LF。检波器工作于零偏置状态，工作频率范围为2‑18GHz，通过前级的阻抗网络匹配的后级的低通滤波器，电压灵敏度高于1500 mV/mW，实现了5GHz左右6000 mV/mW的峰值，对应的NEP优于1.49pW/Hz，带宽宽，谐波抑制度高。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种2-18GHz的平方律检波器。
技术背景
利用一个简单的检波电路，肖特基检波二极管可以把微波射频能量转换为直流电压，其分析方法可分为两类：一种是小信号(低输入功率)分析模型——平方律检波的工作方式；另一种是大信号(高输入功率)分析模型——线性检波的工作方式。但在实际工作中，检波二极管既可在小信号模式下工作又可能同时工作在大信号工作模式下。而且随着通信技术的发展和检波二极管应用范围的扩展，对它的要求也越来越高，要求其动态范围越来越大。因此，二极管的检波特性成为研究关注的焦点。
近年来，R.G.Hanison等人利用Ritz-Galerkin算法求出了二极管检波器的非平方律特性的闭式表达式，对微波二极管检波器的检波特性进行了分析。但是为了简化推导过程忽略了高频波纹的存在，而工作频率对检波器特性的影响是包含在高频波纹中的，因此没能从理论上证明高频波纹和工作频率对检波特性的影响。
中国专利201611027593.6 公开了《一种波导宽带检波器》，该波导宽带检波器包括波导和设置于波导内的检波电路，检波电路包括鳍线宽带变换电路，鳍线宽带变换电路中设有鳍线，鳍线的末端设有二极管，二极管的前端通过金属鳍与波导的边缘接触形成直流接地回路，到二极管的距离为检波输入信号的四分之一波长处设有信号反射电路。虽然该发明具有工作频带宽，频率响应好，检波效率较高，然而该技术在宽带范围内电压灵敏度不够高，谐波抑制度不够高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种2-18GHz的平方律检波器，解决了宽频带检波器在宽带内电压灵敏度不够高，谐波抑制度不够高的缺点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种2-18GHz的平方律检波器，包括输入匹配网络、检波二极管和低通滤波器，检波二极管一端连接输入匹配网络，另一端连接低通滤波器。
所述输入匹配网络作为检波器的前端，采用阶梯阻抗变换的结构和开路短路的短截线，如图3所示，尺寸参数为：
输入匹配网络各节宽度：w1=2.02mm，w2=1.54mm，w3=0.57mm，w4=0.15mm，
输入匹配网络各节长度：L1=1.90mm，L2=1.23mm，L3=1.40mm，L4=0.89mm，L5=0.96mm。
所述检波二极管使用Skyworks的P型肖特基低阻隔探测器二极管，型号为SMS7630-079LF，其串联电阻R S =20Ω，结电容C j =0.14pF，焊接在输入匹配网络的间隙和低通滤波器之间。
所述低通滤波器采用高低阻抗形式的扇形枝节微带滤波器，作为检波器的后级，如图4所示，尺寸参数为：
低通滤波器的四个扇形角度：w0=70°，
低通滤波器各节长度：L6=4.78mm，L7=1.75mm，
低通滤波器的宽度：w5=0.32mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
（1）灵敏度高：在输入匹配网络上采用步进阻抗转换的结构和开路短路的短截线，尽可能多地输入信号功率进入二极管。
（2）谐波抑制度高：低通滤波器采用的扇形结构对谐波的抑制度高。
（3）反射系数及频带匹配度好：更准确的二极管仿真模型和匹配网络的进一步优化将有助于实现更好的S11和更宽的频带匹配。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明2-18GHz的平方律检波器的结构示意图。
图2是本发明-18GHz的平方律检波器的尺寸标注图。
图3是图1中输入匹配网络的结构示意图。
图4是图1中低通滤波器的结构示意图。
图5是测量和模拟的S11曲线图。
图6是电压灵敏度曲线图。
图7是不同输入功率下的电压灵敏度仿真图。
图8是与5GHz输入功率相关的输出电压仿真图。
具体实施方式
本发明所述的2-18GHz的平方律检波器，工作于零偏置状态，包括输入匹配网络1、检波二极管2和低通滤波器3；该电路使用标准商用电介质基板（Rogers 4350，20mil厚度）制造；所述检波器的输入匹配网络1要获得高电压灵敏度，必须使用适当的匹配网络，这样可以尽可能多地输入信号功率进入二极管，在该设计中，将阶梯阻抗变换的结构和开路短路的短截线用作匹配网络。所述检波器的检波二极管2使用Skyworks的P型肖特基低势垒检波二极管SMS7630-079LF，其串联电阻R S =20Ω，结电容C j =0.14pF，对应的NEP优于1.49pW/√Hz；所述检波器的低通滤波器3采用高低阻抗形式的扇形枝节微带滤波器，是由于二极管的非线性会产生丰富的频率分量，而检波器的输出只需要得到直流分量，因此LPF对于释放直流电压和去除不需要的频谱成分至关重要，二极管输出的低通滤波器要具有良好的宽带射频信号的抑制能力，而扇形结构具有良好的宽阻带特性，本设计主要对基波分量及二次谐波分量进行抑制。
结合图1和图2，本发明所述的一种2-18GHz的平方律检波器，包括输入匹配网络1、检波二极管2和低通滤波器3，检波二极管2一端连接输入匹配网络1，另一端连接低通滤波器3。
所述输入匹配网络1作为检波器的前端，采用阶梯阻抗变换的结构和开路短路的短截线，如图3所示，尺寸参数为：
输入匹配网络1各节宽度：w1=2.02mm，w2=1.54mm，w3=0.57mm，w4=0.15mm，
输入匹配网络1各节长度：L1=1.90mm，L2=1.23mm，L3=1.40mm，L4=0.89mm，L5=0.96mm。
所述检波二极管2使用Skyworks的P型肖特基低阻隔探测器二极管，型号为SMS7630-079LF，焊接在输入匹配网络1的间隙和低通滤波器3之间。
所述低通滤波器3采用高低阻抗形式的扇形枝节微带滤波器，作为检波器的后级，如图4所示，尺寸参数为：
低通滤波器3的四个扇形角度：w0=70°，
低通滤波器3各节长度：L6=4.78mm，L7=1.75mm，
低通滤波器3的宽度：w5=0.32mm。
测量和模拟的S11曲线如图5所示，本发明的输入匹配网络1在5GHz左右工作良好，更准确的二极管仿真模型和匹配网络的进一步优化将有助于实现更好的S11和更宽的频带匹配。
电压灵敏度曲线如图6所示，在5-10GHz的频率范围内，电压灵敏度优于3000 mV/mW，在5GHz左右达到最高6000 mV/mW的电压灵敏度。 另一个关键的检波器参数是等效噪声功率（NEP），它量化检波器本身产生的噪声水平，设置检波器可探测功率的下限。图7显示了不同输入功率下的电压灵敏度，输出电压灵敏度随输入功率的增加而降低。
与5GHz输入功率相关的输出电压如图8所示。 输入功率必须小于-15dBm，以确保检波器在平方律区域内工作。
基于商用肖特基二极管，设计并制造了2-18GHz平方律检波器。测试结果表明，在整个频率范围内，电压灵敏度高于1500 mV/mW，实现了5GHz左右6000 mV/mW的峰值，相当于1.49pW/Hz的噪声等效功率。 通过进一步优化设计，可以实现更宽的频带匹配，并且结果将在不久的将来呈现。
Claims (5)
1.一种2-18GHz的平方律检波器，其特征在于：包括
输入匹配网络，采用步进阻抗变换的结构和开路短路的短截线；
检波二极管，阳极与输入匹配网络连接；
和低通滤波器，低通滤波器采用扇形枝节微带滤波器，检波二极管的阴极连接低通滤波器。
2.根据权利要求1所述的2-18GHz的平方律检波器，其特征在于：所述检波二极管采用Skyworks的P型肖特基低势垒检波二极管。
3.根据权利要求2所述的2-18GHz的平方律检波器，其特征在于：所述Skyworks的P型肖特基低阻隔检波器二极管，型号为SMS7630-079LF，其串联电阻R S =20Ω，结电容C j =0.14pF，保证检波器在26G时仍有很好的性能。
4.根据权利要求1所述的2-18GHz的平方律检波器，其特征在于：输入匹配网络的尺寸参数如下：
输入匹配网络各节宽度：w1=2.02mm，w2=1.54mm，w3=0.57mm，w4=0.15mm，
输入匹配网络各节长度：L1=1.90mm，L2=1.23mm，L3=1.40mm，L4=0.89mm，L5=0.96mm。
5.根据权利要求1所述的2-18GHz的平方律检波器，其特征在于：低通滤波器的尺寸参数如下：
低通滤波器的四个扇形角度：w0=70°，
低通滤波器各节长度：L6=4.78mm，L7=1.75mm，
低通滤波器的宽度：w5=0.32mm。
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