基于ADS的Ku波段梳状谱发生器的设计

摘  要： 梳状谱发生器是宽带捷变频频率综合器的一项关键技术，能够简单、高效地产生多功能捷变频雷达频率源需要的低杂散、低相位噪声的基频信号。介绍了一种基于ADS软件的梳状谱发生器设计方法，仿真并设计了输入频率为720 MHz、输出频率范围覆盖12 960 MHz～16 560 MHz的梳状谱发生器。为某宽带捷变频频率源的形成提供了Ku波段扩频信号，同时具有优良的输出频谱纯度和低的相位噪声。
关键词： 梳状谱发生器；宽带捷变频频率综合器；低杂散；低相位噪声；频谱纯度

    阶跃恢复二极管（以下简称阶跃管或SRD）是对PN结材料和结构采取特殊措施而设计的一种变容管或称电容开关。加大正偏时的电荷存储效应，使二极管在正偏时有很大的扩散电容，此时器件等效为一个大电容，呈现低阻态，近似短路；反偏时近似等效为一个小电容，呈现高阻态，近似开路。因此,在外加大信号交流电压的激励下，阶跃二极管呈现两种阻抗状态，具有电容开关特性[1]。由阶跃二极管组成的电路可作为梳状谱发生器，通过它的阶跃倍频作用可以很容易得到频率范围覆盖P～Ku波段、具有高频率稳定度以及高频谱纯度的各种点频频率源，为低相噪、捷变频直接式频率源的设计提供通用化、小型化以及高可靠性的解决方案，因此在微波通信、电子雷达对抗以及军事侦查等方面被广泛应用。
1 阶跃管脉冲发生器的电路结构
    如图1所示，阶跃管脉冲发生器的电路结构主要包含脉冲发生器、偏置电路以及输入阻抗匹配网络3部分。L为激励电感，用于存储和释放能量，以得到大幅度的阶跃电流；Ct为调谐电容，用来调谐脉冲发生器的输入导纳，调谐后脉冲发生器的输入阻抗为纯电阻，使激励电感在输入频率上失谐，并对除输出频率以外的所有谐波构成旁路，通过适当选择Ct的值，可使脉冲发生器的输入阻抗成为纯电阻性的；D1为SRD（即阶跃恢复二极管），与L和Ct共同组成脉冲发生器。

    偏置电路为二极管提供一个合适的偏压，使得SRD恰好在负电流最大的瞬间产生电流阶跃，以便得到尽可能大的电流阶跃值。图1所示为自给偏压，由阶跃二极管的直流分量(整流分量)通过偏压电阻Rb时产生电压降而得。Lb为高频扼流圈，用以防止Rb对高频分流；Cb为隔直电容，用以防止或削弱偏置电路与信号源之间不必要的耦合[2]。
    输入匹配网络完成激励源阻抗与脉冲发生器输入阻抗的匹配，使输入参考信号的功率有效地加载在SRD上，最大限度地产生极窄的电流脉冲，同时减少由阶跃二极管产生并反串到参考放大器的谐波能量。鉴于此，必须求得阶跃管脉冲发生器在脉冲工作情况下对基波呈现的输入阻抗。
2 阶跃管梳状谱发生器的实现
    本例梳状谱发生器的设计要求：输入参考激励信号频率为720 MHz，信号功率为10 dBm；采用自偏压的设计方式；输出Ku波段频率范围为12 960 MHz～16 560 MHz，输出功率要求为-15 dBm。
2.1 阶跃管的选择
    阶跃管的主要参数为：反偏电容Cj，阶跃时间tt，少数载流子寿命τ，串联正向传导电阻Rs，击穿电压VB。
    对这些参数的设计要求如下：
    (1)为避免传输线对脉冲发生器过载，在50 Ω系统中对阶跃管阻抗的要求为：
  

    输入匹配网络的另外一种设计方法是利用ADS软件自带的工具史密斯圆图或者设计向导（Design Guide）来进行阻抗匹配。得到的L形匹配网络的电感和电容值与理论计算的结果相差无几，很好地验证了梳状谱发生器电路理论。电路拓扑如图3所示，具体设计方法以及仿真结果不再赘述。

3.2 梳状谱发生器电路ADS仿真
    在ADS中建立如图4所示的电路拓扑，按照表2中的元件值确定梳状谱发生器电路拓扑的各个元件值，并参照厂家发布的阶跃二极管MP4021的参数值对阶跃二极管进行建模。给梳状谱发生器加上如图4所示的激励源，在电路原理图中插入谐波平衡仿真控件对电路进行谐波平衡仿真。仿真的结果如图5所示，可以看到，需要输出的各个频率功率均大于-15 dBm，满足既定的指标要求。

    以表2中计算得出的元件值为初值，设定主要元器件参数值的优化范围，可对梳状谱发生器电路进行优化设计。
3.3 实际电路的制作与测试
    实际电路所用基板材料为RT-6002，该材料介电常数εr=2.9，板材厚度h=10 mil。鉴于输出频率较高，且频带较宽，因此脉冲发生器的重要部分采用了芯片化的设计，以减少元器件寄生参数的影响。前级放大器选用了中电集团第十三研究所新研制的芯片放大器，在720 MHz处，增益为18 dB，P-1dB为28 dBm。高频部分匹配电容和隔直电容采用了MOS芯片电容，以金丝键合。由于所选阶跃二极管参数不完全，无法在ADS中对其进行精确建模，因此电路元件的实测值与理论计算结果存在一定偏差。
    使用Agilent E4440频谱仪对制作的梳状谱发生器进行测试，测试结果如图6所示。

    本文介绍了梳状谱发生器的电路原理，并基于ADS仿真软件设计了一个输入频率为720 MHz、输出频率覆盖12 960 MHz～16 560 MHz的梳状谱发生器。设计中使用了阶跃二极管的裸芯片，因此减少了由于封装产生的寄生参数的影响，最终得到了与预期基本一致的效果，满足了宽带捷变频频率源对本振的高频率稳定度和高频谱纯度的需要。
    梳状谱发生器作为一种宽带高次倍频的解决方案，能够简单、高效地产生所需的输出频率。在实际设计中，如何对阶跃二极管进行准确建模以及准确实现电路元件值等内容有待进一步深入研究。
参考文献
[1] 薛正辉，杨仕明，李伟明，等.微波固态电路[M].北京：北京理工大学出版社，2004.
[2] 郭俊栋，张海拓，周以国.用阶跃恢复二极管设计16次倍频器[J].电子元件与材料，2006，25(8)：67-69.
[3] 王蕴仪.微波器件与电路[M].南京：江苏科学技学技术出版社，1983.