一种宽带检波器的校准方法

　　1　引　言

　　微波功率测量中,低势垒肖特基二极管检波器由于具有频率响应快、动态范围大、噪声低、机械性能好和可靠性高等优点而得到广泛的应用[1, 2]。近年来,随着技术的进步和工艺水平的提高,低势垒肖特基二极管检波器的工作频率带宽不断提高。目前,商品化的宽带检波器带宽已经达到40 GHz以上。在较高的微波频率下,肖特基二极管的本征特性决定其潜在性能,而实际器件性能往往极大地依赖于器件的封装设计,封装中存在的极小差异将导致器件性能的较大波动。因此,在利用宽带检波器对微波功率进行精确测量时,有必要考虑检波器自身频响引起的误差。

　　根据宽带检波器的封装形式,建立起检波器的等效电路模型[3~5]。利用矢量网络分析仪对检波器反射参数进行精确测量,通过数值模拟得到封装带来的寄生参数和检波器本身的参数。运用这种等效电路模型研究检波器的频率特性,通过扣除检波器自身的频响[6],得到微波功率源精确的功率特性。

　　2　检波器等效电路模型

　　低势垒肖特基二极管又称零偏置肖特基二极管,由于检波时无需偏置电压,其灵敏度非常高。一般肖特基二极管中电流与其两端电压的关系可表示为

　　式中,I0为反向饱和电流,V0=kηT /q,其中k为玻耳兹曼常数,T为绝对温度,η为斜率参数,q为电子电荷。当没有信号输入时,二极管偏压为零。当输入微波电压δvScos(ωSt)时二极管两端产生直流电压δv0,则有

　　因输入信号幅度很小,故式(2)中高次项对测试结果没有影响,完全可以忽略。展开式(2)并略去高次项,可得:

　　其中Rv为终端负载,rj=V0/I0为二极管输出阻抗。

　　图1为肖特基二极管的等效电路示意图。图中CJ为二极管结电容,RJ为结电阻,RS为二极管扩散电阻,RV为二极管负载电阻。其中图(a)表示射频通路, (b)表示直流通路。

　　实验中采用日本安立公司70KC50检波器,频率范围为0. 01~40 GHz。图2为70KC50检波器的封装示意图。

　　根据检波器的具体封装形式,我们得到检波器的封装等效电路如图3所示。其中,CP为管芯封装分布电容。CV为高频旁路电容,过滤检波器输出端的高频信号。RM和LM分别为二极管封装匹配电阻和匹配电感。LP为匹配电路与管芯之间的引线电感。Coax1~4为射频连接器K102M中的分段同轴结构,C1~C3分别为不连续同轴间的寄生电容。Coax5为K102M射频连接器后的管芯安装同轴结构,C4为两段同轴间的寄生电容。同轴与匹配电路由微带线MLIN连接,电容C5表示连接处的不连续性。Coax1~5的参数数值由K102M射频连接器结构参数计算得到,各段参数如表1所示。使用HP8722ET网络分析仪测量检波器反射系数,其它元件的数值用梯度法(Gradient)拟合检波器反射系数得到,拟合所得参数值如表2所示。