基于肖特基二极管的K-Ka波段限幅器外文翻译资料

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基于肖特基二极管的K-Ka波段限幅器

范国强，邢何宇，胡皓全

电子工程学院，

中国电子科技大学，成都611731，gqfan.uestc@gmail.com

摘要：本文介绍了一种具有肖特基二极管的k-ka波段无源限幅器.测试结果表明，该限幅器能工作在18-40GHz范围内，具有插入损耗低、驻波比低、良好的振幅限制等特点。输出功率可保持在18 dBm以下，最大可承受功率为24dBm的连续波。

关键词：k-ka波段；二极管限幅器器；内嵌损耗；驻波比低

1引言

限幅器是微波系统中的重要控制元件。在发射器向连接到接收器的天线发送大约千瓦或兆瓦的峰值功率信号的情况下，限幅器是必要的。然而，接收机必须可靠地检测和处理弱输入信号，因此它们在输入端有一个敏感的低噪声放大器，尽管有些接收器将接收到的信号直接应用于下级变频混频器的输入^[1]。限幅器可以保护低噪声放大器和混频器等敏感元件免受输入功率过载的过度损坏。限幅器在高功率信号输入时，衰减最大;同时，在低功率信号输入时，衰减很小。输入和输出特性可以作为SPST进行比较，SPST在输入功率低于限幅器阈值时上电，并且在输入功率超过阈值限制时处于断电状态。图1显示了理想限幅器的特性。

图1.理想限幅器输入输出特性

2电路设计

限幅器的电路设计基于反并联二极管拓扑技术，如图2所示。当一个二极管限幅器工作时，另一个提供直流回路以确保电路连续性。肖特基二极管可以更有效地整流高频微波毫米波信号，并且它的响应时间和恢复时间更快。 二极管的寄生电容被吸收到滤波器结构中^[2]。

肖特基二极管采用美国AEROFLEX的MGS901和MGS912型号。 MGS901是单结二极管，而MGS912是一个具有四个结的二极管，可以承受更大的功率。 限幅器的第一级设计决定了它能承受的最大功率，而后者设计的MGS901二极管决定了限幅器的输出功率。 优化微带线的级间长度，使其相当于带通滤波器，以最大限度地减少插入损耗。 采用双短截线和高阻抗线路匹配技术，最大限度地减少回波损耗。

为了建立更加精确的电路仿真模型，我们采用了0.127 mm厚的罗杰斯(Rogers)基板5880。在在建模和仿真中，我们使用了Agilent公司的ADS软件和Ansoft公司的HFSS软件。T型肖特基二极管模型是根据Aeroflex给出的相应的二极管spice模型建立的^[3]。

图2 限幅器的原理图

为了尽可能准确地建立仿真模型，在限幅器的设计中采用了ADS布局原理图的联合仿真，并联合优化原理电路图来实现得到一个更好的结果。图3示出了小信号仿真性能S参数波形图。

图3 小信号仿真S参数波形图

考虑到HFSS在无源仿真中的很高的精度，将限幅器的无源部分放入HFSS中进行仿真。然后将SNP文件导出到ADS。图4显示了限幅器中的无源器件在HFSS中的建模。

图4.模拟导入到HFSS的ADS布局

将SNP文件导入ADS-HFSS联合模拟的ADS中.图5显示ADS-HFSS协同仿真的小信号状态下的S参数图.

图5.ADS的小信号性能-HFSS协同仿真

3测量性能

测试了具有小信号和大信号状态下的限幅器。测量了三级限幅器的功率限制性能，并给出了三级限幅器的照片。基于MGS 912和MGS 901的电路如图6所示。

图6.基于MGS 912和MGS 901的限幅照片

限幅器的功率限制性能已经测量和显示在图7，图8和图9。为了降低最大输出功率，在第一级电路中使用了四结二极管MGS 912。在第二级电路中使用单结二极管MGS 901或施加偏置电压^[4]。由于可用放大器的最大输出功率为30 dBm，没有进行充分的破坏试验。

图7.输出功率与频率（输入功率0-24 dBm，18-24GHz）

图8.输出功率与频率（输入功率0-24 dBm，26-32 GHz）

图9.输出功率与频率（输入功率0-24 dBm，34-40 GHz）

PN结的整流效率随频率的增加而增强，而功率泄漏率则随着频率的增加而减小。在18 GHz时，泄漏功率为18 dBm，在40GHz时仅为6.9dBm。很明显，功率泄漏和极限阈值降低随着频率的增加而增加。对二极管损耗因子影响较大的是C_j0。C_{j 0}越大，电流就越大。由于通过串联电阻器，产生的损耗越大。因此，随着工作频率的增加，插入损耗增加，整流器效率降低^[5]。

图10.图4的小信号性能

（a）

（b）

图11.测量限幅器的S参数

(A)三级限幅器的S11和S21；(B)三级限幅器的输入VSWR(输入功率为-17 dBm)。

根据图10，S21显示了限幅器没有二极管的插入损耗，衬底损耗在35 GHz后迅速上升。测量中的插入损耗随着频率的增加而增大。是的。S21在18 GHz时约为1.2 dB，在18 GHz时为1.6 dB，在40 GHz时为2.5dB。因此，可以计算二极管的损耗。因为MGS 912是四个连接二极管。然而MGS 901是单路口，其第一级损耗是其它各级的四倍。在K波段，第一级的插入损耗为0.84dB，第二和第三阶段的插入损耗为0.21dB。第一级插入损耗为1.24dB，第二级和第三级插入损耗为1.24dB。级损在Ka波段为0.31dB。测得的三级限幅器的小信号S参数如图11所示.回波损耗优于10 dB，驻波比小于2。

4结论

本文设计并测试了一种插入损耗为2.5dB，最大泄漏量为18 dBm的无源限幅器。其特点是带宽大，结构简单。这些实验数据提供了为进一步的设计奠定了良好的基础。

参考文献

[1]R. Cory, “PIN-limiter diodes effectively protect receivers-Limiters shield sensitive front-end semiconductor components from transmitter- signal damage,” Electrical Design News, vol. 49, no. 26, pp. 59-66, 2004.

[2]L. Z. Yang, H. Q. Hu, and J. Xu, “Ka-band schottky diode limiter,” 2011 International Conference on Computational Problem-Solving, pp. 639- 640, Chengdu, China, 21-23 October 2011.

[3]R. H. Caverly, N. V. Drozdovski, L. M. Drozdovskaia, and M. J. Quinn, “SPICE modeling of microwave and RF control diodes,” 43rd IEEE Midwest Symposium, Lansing, MI, USA, pp. 28-31, 8-11 August 2000.

[4]S. C. Bera, K. Basak, V. K. Jain, R. V. Singh, and V. K. Garg, “Schottky diode-based microwave limiter with adjustable threshold power level,” Microwave and Optical Technology Letters, vol. 52, no. 7, pp. 1671- 1673, 2010.

[5]J. Z. Huang, Z. X. Wang, and S. Q. Chen, “Calculation and measurement of schottky diodersquo;s rectification,” High Power Laser and Particle Beams, vol. 19, no. 11, pp. 1887-1889, 2007.

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