宽带平方律检波匹配设计

微波成像平方律检波电路的宽带匹配方法设计

一、引言

随着微波成像技术的发展，对宽带微波复相关接收机的需求日益增加[1]。本文设计的宽带检测器主要针对微波复相关接收机中由于检测器输入阻抗变化引起的相关圆中心偏移问题，该偏移会导致成像与测量结果出现相应误差[2]。

为了使图像分辨率达到0.36米，根据图像分辨率与带宽之间的关系，系统的工作带宽需达到4G。同时，结合空间分辨率与中心频率的关系，平方律检测器的中心频率确定为4GHz[3]。基于史密斯圆图和ADS软件的匹配电路设计方法，本文设计并仿真了一款工作频带为2GHz至6GHz的平方律检测器宽带匹配电路，用于微波成像系统的宽带匹配，以确保平方律检测器的最佳功率传输，显著提高辐射计的距离分辨率和精度。LTC5535在2GHz至6GHz范围内的最大阻抗差为85.29 Ω，50 Ω的最大距离差为115.59 Ω，最小输入插入损耗为−8.96dB。因此，为保证电路在带宽内具有良好的阻抗匹配，需要添加附加匹配电路。本文通过原理图仿真与优化、版图设计及联合仿真，对宽带匹配网络的性能进行了设计与验证。仿真结果表明，宽带平方律检测器的输入插入损耗小于‐10分贝，在2GHz至6GHz范围内50Ω的最大差值为38Ω。

II. 检测器输入阻抗失配对相关接收机的影响分析

在实际工程中，由于电路元件的非理想性，通过测量获得的相关接收机的仿真复相关圆会出现失真。图1显示了在每个频率点输入功率为‐20dBm时4G带宽相关器的复相关圆测试结果。在加法相关器的设计过程中，对四个平方律探测器（D1、D2、D3、D4）组合的输入阻抗在非理想条件下对电路输出的影响进行了仿真，如图2[4]所示。仿真结果表明，平方律检测器组合的输入阻抗变化会引起仿真复相关圆中心位置和形状的变化。

(a) D1 增加 8Ω，D2 减少 8Ω。
(b) D1 减少 8Ω，D2 增加 8Ω。
(c) D3 增加 8Ω，D4 减小 8Ω。
(d) D3 减小 8Ω，D4 增加 8Ω。

III. 宽带匹配电路设计

为了解决平方律探测器组合输入阻抗变化的问题，应在检测器输入端添加宽带匹配电路[5]。由于平方律检测器的输入阻抗随频率变化，为了获得更好的传输功率并减少反射信号，需要将平方律检测器的输入阻抗值匹配至标准阻抗(50 Ω)[6]。由于电阻的高频特性无法实现宽带匹配，本文采用ADS独立设计并生成匹配网络。在图3中，红色曲线是LTC5535在2GHz到6GHz的频率范围内未添加匹配网络时的S11参数图像。可以看出，S11参数图像不在等反射系数的‐10dB圆（蓝色圆）内。

史密斯圆图被一条水平线分为上下两部分，水平线上方为感性电抗线，下方为容性电抗线。史密斯圆图中的圆圈代表等电抗线，上行弧线代表等感抗线，下行弧线代表等容抗线。为了将所有S11参数图像移入蓝色圆内，结合电容和电感在串联和并联时的阻抗特性，根据

(1)
(2)
(3)
(4)

首先，沿图3中的箭头1方向将红色曲线上移。此处需要串联一段微带线，使S11参数图像旋转至上下对称。其次，沿箭头2方向移动红色曲线，使工作频率范围内各频率点的S11参数值尽可能接近50 Ω阻抗点，即让S11参数图像尽可能进入小区域范围内。根据公式(3)和(4)，需增加并联电感和电容，使S11参数图像的高频端(m3)和低频端(m1)分别沿导纳圆顺时针方向和逆时针方向移动。然后需要串联一段微带线，使S11参数图像以阻抗50 Ω点为中心旋转并移入蓝色圆内。如果旋转后的S11参数图像略高于或低于蓝色圆，可根据公式(1)和(2)增加串联电容或电感进行调整。最后，考虑匹配网络中Q值对电路带宽的影响，根据

(5)

方程(5)表示并联电容电感的匹配电路带宽与Q值之间的关系。可以看出，在设计过程中，为了增大平方律检测器的频带宽度，应尽量减小Q值。在匹配过程中，可根据

(6)

通过多阶网络的Q值等效计算出匹配电路的最小Q值，然后使用史密斯圆图工具进行匹配，以获得平方律检测器的最大化带宽。这种设计的结果通常不是最优的，如果想要获得更好的匹配电路，需要在史密斯圆图中优化各元件参数。

在设计过程中，选择优化工具以优化2GHz到6GHz的频率范围内S11参数的最小值，使其降低至‐10dB以下，然后使用调谐工具对2GHz至6GHz频率范围内的S11参数进行微调。最终，2GHz至6GHz频率范围内的S11参数值均小于‐10分贝。优化后的史密斯圆图电路及仿真结果如图4所示。

在设计与优化过程中，上述内容中使用的集总元件均为理想元件。为了使仿真结果更接近实际，需要导入更符合实际参数的元件库，并重新进行原理图仿真。本文选用村田元件库中的0402元件进行替换。

IV. 版图设计

在微波频段，由于分立器件的寄生效应，需要通过拟合将并联电感、电容和串联电感替换为微带线，并在原理图的基础上添加微带线（MLIN）作为集总元件的焊盘。根据微带线特性阻抗公式

(7)

当微带线的基板介电常数和厚度确定后，微带线的特性阻抗由微带金属片的宽度（W）决定。为了确保添加微带线后阻抗连续，我们需要根据基板的介电常数和厚度数据，使用LineCalc工具计算满足阻抗连续（阻抗为50 Ω）时微带线的宽度。此外，为了消除电路中的信号不连续，应添加突变结（MTEE_ADS）。由于每段微带线在高频下等效为一小段串联电感，因此在添加微带线和突变结后，需要使用调谐与优化工具对微带线的长度L进行优化。图5显示了添加微带线和突变结后的原理图。

五、结果

图6显示了宽带功率检测器的联合仿真的原理图和仿真结果。可以看出，在2GHz至6GHz的工作频率范围内，最大输入回波损耗为−10.184dB，满足设计要求的最大输入回波损耗小于−10dB。

VI. 结论

本文针对带宽为4G的微波成像系统需求，提出了一种基于微波成像平方律检测电路的宽带匹配方法，用于解决由于检测器输入阻抗变化引起的相关圆心偏移问题。通过对器件在史密斯圆图上的S参数图像形状进行分析，快速确定了匹配电路设计思路。结合史密斯圆图工具中主要元件在匹配电路中的作用，初步构建了宽带匹配网络，并利用ADS软件中的多种优化工具对匹配网络进行优化。该设计过程避免了复杂的计算过程，能够快速完成宽带匹配电路的设计、构建与优化。最后，通过联合仿真的结果可以看出，宽带功率检测器在2GHz至6GHz的适用频率范围内实现了良好匹配，输入插入损耗小于‐10分贝。