《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ADS的Ku波段梳狀譜發(fā)生器的設(shè)計(jì)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2013年第7期
王 朋,金 森,霍現(xiàn)榮
中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所,河北 石家莊050051
摘要: 梳狀譜發(fā)生器是寬帶捷變頻頻率綜合器的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),能夠簡(jiǎn)單、高效地產(chǎn)生多功能捷變頻雷達(dá)頻率源需要的低雜散、低相位噪聲的基頻信號(hào)。介紹了一種基于ADS軟件的梳狀譜發(fā)生器設(shè)計(jì)方法,仿真并設(shè)計(jì)了輸入頻率為720 MHz、輸出頻率范圍覆蓋12 960 MHz~16 560 MHz的梳狀譜發(fā)生器。為某寬帶捷變頻頻率源的形成提供了Ku波段擴(kuò)頻信號(hào),同時(shí)具有優(yōu)良的輸出頻譜純度和低的相位噪聲。
中圖分類(lèi)號(hào): TN702
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2013)07-0044-03
Design of Ku-band comb-like spectrum generator based on ADS
Wang Peng,Jin Sen,Huo Xianrong
The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shijiazhuang 050051,China
Abstract: Comb-like spectrum generator is one of the key techniques of wide-band agility synthesizer, which can generate base signals with low spurs, low phase noise more conveniently and efficiently for the wide-band agility synthesizer in the radar system. In this paper, a design method based on ADS software is presented. A comb-like spectrum generator is simulated and designed, with an input frequency of 720 MHz and an output frequency covering 12 960 MHz~16 560 MHz. These series of Ku-band frequencies can be supplied to an agility synthesizer for the purpose of widening the frequency bandwidth. Meanwhile, it has the characteristics of excellent spectrum purity and low phase noise.
Key words : comb-like spectrum generator;wide-band agility synthesizer;low spurs;low phase noise;spectrum purity

    階躍恢復(fù)二極管(以下簡(jiǎn)稱(chēng)階躍管或SRD)是對(duì)PN結(jié)材料和結(jié)構(gòu)采取特殊措施而設(shè)計(jì)的一種變?nèi)莨芑蚍Q(chēng)電容開(kāi)關(guān)。加大正偏時(shí)的電荷存儲(chǔ)效應(yīng),使二極管在正偏時(shí)有很大的擴(kuò)散電容,此時(shí)器件等效為一個(gè)大電容,呈現(xiàn)低阻態(tài),近似短路;反偏時(shí)近似等效為一個(gè)小電容,呈現(xiàn)高阻態(tài),近似開(kāi)路。因此,在外加大信號(hào)交流電壓的激勵(lì)下,階躍二極管呈現(xiàn)兩種阻抗?fàn)顟B(tài),具有電容開(kāi)關(guān)特性[1]。由階躍二極管組成的電路可作為梳狀譜發(fā)生器,通過(guò)它的階躍倍頻作用可以很容易得到頻率范圍覆蓋P~Ku波段、具有高頻率穩(wěn)定度以及高頻譜純度的各種點(diǎn)頻頻率源,為低相噪、捷變頻直接式頻率源的設(shè)計(jì)提供通用化、小型化以及高可靠性的解決方案,因此在微波通信、電子雷達(dá)對(duì)抗以及軍事偵查等方面被廣泛應(yīng)用。

1 階躍管脈沖發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)
    如圖1所示,階躍管脈沖發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)主要包含脈沖發(fā)生器、偏置電路以及輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)3部分。L為激勵(lì)電感,用于存儲(chǔ)和釋放能量,以得到大幅度的階躍電流;Ct為調(diào)諧電容,用來(lái)調(diào)諧脈沖發(fā)生器的輸入導(dǎo)納,調(diào)諧后脈沖發(fā)生器的輸入阻抗為純電阻,使激勵(lì)電感在輸入頻率上失諧,并對(duì)除輸出頻率以外的所有諧波構(gòu)成旁路,通過(guò)適當(dāng)選擇Ct的值,可使脈沖發(fā)生器的輸入阻抗成為純電阻性的;D1為SRD(即階躍恢復(fù)二極管),與L和Ct共同組成脈沖發(fā)生器。

    偏置電路為二極管提供一個(gè)合適的偏壓,使得SRD恰好在負(fù)電流最大的瞬間產(chǎn)生電流階躍,以便得到盡可能大的電流階躍值。圖1所示為自給偏壓,由階躍二極管的直流分量(整流分量)通過(guò)偏壓電阻Rb時(shí)產(chǎn)生電壓降而得。Lb為高頻扼流圈,用以防止Rb對(duì)高頻分流;Cb為隔直電容,用以防止或削弱偏置電路與信號(hào)源之間不必要的耦合[2]。
    輸入匹配網(wǎng)絡(luò)完成激勵(lì)源阻抗與脈沖發(fā)生器輸入阻抗的匹配,使輸入?yún)⒖夹盘?hào)的功率有效地加載在SRD上,最大限度地產(chǎn)生極窄的電流脈沖,同時(shí)減少由階躍二極管產(chǎn)生并反串到參考放大器的諧波能量。鑒于此,必須求得階躍管脈沖發(fā)生器在脈沖工作情況下對(duì)基波呈現(xiàn)的輸入阻抗。
2 階躍管梳狀譜發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)
    本例梳狀譜發(fā)生器的設(shè)計(jì)要求:輸入?yún)⒖技?lì)信號(hào)頻率為720 MHz,信號(hào)功率為10 dBm;采用自偏壓的設(shè)計(jì)方式;輸出Ku波段頻率范圍為12 960 MHz~16 560 MHz,輸出功率要求為-15 dBm。
2.1 階躍管的選擇
    階躍管的主要參數(shù)為:反偏電容Cj,階躍時(shí)間tt,少數(shù)載流子壽命τ,串聯(lián)正向傳導(dǎo)電阻Rs,擊穿電壓VB。
    對(duì)這些參數(shù)的設(shè)計(jì)要求如下:
    (1)為避免傳輸線(xiàn)對(duì)脈沖發(fā)生器過(guò)載,在50 Ω系統(tǒng)中對(duì)階躍管阻抗的要求為:
  

 



    輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的另外一種設(shè)計(jì)方法是利用ADS軟件自帶的工具史密斯圓圖或者設(shè)計(jì)向?qū)В―esign Guide)來(lái)進(jìn)行阻抗匹配。得到的L形匹配網(wǎng)絡(luò)的電感和電容值與理論計(jì)算的結(jié)果相差無(wú)幾,很好地驗(yàn)證了梳狀譜發(fā)生器電路理論。電路拓?fù)淙鐖D3所示,具體設(shè)計(jì)方法以及仿真結(jié)果不再贅述。

3.2 梳狀譜發(fā)生器電路ADS仿真
    在ADS中建立如圖4所示的電路拓?fù)?,按照?中的元件值確定梳狀譜發(fā)生器電路拓?fù)涞母鱾€(gè)元件值,并參照廠家發(fā)布的階躍二極管MP4021的參數(shù)值對(duì)階躍二極管進(jìn)行建模。給梳狀譜發(fā)生器加上如圖4所示的激勵(lì)源,在電路原理圖中插入諧波平衡仿真控件對(duì)電路進(jìn)行諧波平衡仿真。仿真的結(jié)果如圖5所示,可以看到,需要輸出的各個(gè)頻率功率均大于-15 dBm,滿(mǎn)足既定的指標(biāo)要求。

    以表2中計(jì)算得出的元件值為初值,設(shè)定主要元器件參數(shù)值的優(yōu)化范圍,可對(duì)梳狀譜發(fā)生器電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
3.3 實(shí)際電路的制作與測(cè)試
    實(shí)際電路所用基板材料為RT-6002,該材料介電常數(shù)εr=2.9,板材厚度h=10 mil。鑒于輸出頻率較高,且頻帶較寬,因此脈沖發(fā)生器的重要部分采用了芯片化的設(shè)計(jì),以減少元器件寄生參數(shù)的影響。前級(jí)放大器選用了中電集團(tuán)第十三研究所新研制的芯片放大器,在720 MHz處,增益為18 dB,P-1dB為28 dBm。高頻部分匹配電容和隔直電容采用了MOS芯片電容,以金絲鍵合。由于所選階躍二極管參數(shù)不完全,無(wú)法在ADS中對(duì)其進(jìn)行精確建模,因此電路元件的實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算結(jié)果存在一定偏差。
    使用Agilent E4440頻譜儀對(duì)制作的梳狀譜發(fā)生器進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

    本文介紹了梳狀譜發(fā)生器的電路原理,并基于ADS仿真軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入頻率為720 MHz、輸出頻率覆蓋12 960 MHz~16 560 MHz的梳狀譜發(fā)生器。設(shè)計(jì)中使用了階躍二極管的裸芯片,因此減少了由于封裝產(chǎn)生的寄生參數(shù)的影響,最終得到了與預(yù)期基本一致的效果,滿(mǎn)足了寬帶捷變頻頻率源對(duì)本振的高頻率穩(wěn)定度和高頻譜純度的需要。
    梳狀譜發(fā)生器作為一種寬帶高次倍頻的解決方案,能夠簡(jiǎn)單、高效地產(chǎn)生所需的輸出頻率。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,如何對(duì)階躍二極管進(jìn)行準(zhǔn)確建模以及準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電路元件值等內(nèi)容有待進(jìn)一步深入研究。
參考文獻(xiàn)
[1] 薛正輝,楊仕明,李偉明,等.微波固態(tài)電路[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004.
[2] 郭俊棟,張海拓,周以國(guó).用階躍恢復(fù)二極管設(shè)計(jì)16次倍頻器[J].電子元件與材料,2006,25(8):67-69.
[3] 王蘊(yùn)儀.微波器件與電路[M].南京:江蘇科學(xué)技學(xué)技術(shù)出版社,1983.

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