一种多功能宽带检波电路的制作方法

本发明涉及微波测试技术领域，具体涉及一种多功能宽带检波电路。

背景技术：

宽带功分检波电路广泛应用于信号源、矢量网络分析仪等仪器和设备中，用来完成信号发射通路的功率监测、自动增益控制等功能，对于检波电路的工作带宽、传输损耗、体积等提出了很高的要求。

随着测试技术的不断发展，对于微波测试仪器的要求是工作频率越来越高，工作频段越来越宽，目前采用同轴输出的微波测试仪器的工作频率高端要求已经达到70GHz，频段低端要求也达到250kHz，全波段输出功率要求达到+20dBm以上(低频的输入功率可达+30dBm)，信号通路的谐波要求达到60dBc以上，信号稳幅范围50dB，如此宽频带的射频信号难以直接产生和处理，必须通过先分段后合成的方式来实现宽带信号合成，然后还需要宽带检波电路来完成环路的稳幅，最终高效率的输出频率250kHz～70GHz的宽带信号。如何找到一种新的方法，既可以完成宽带频段的大功率合成又能以较小的检波损耗传输到输出端，是目前存在的技术难题。

现有技术采用电子开关完成宽带信号的输出合成，再单独使用宽带功分检波电路实现信号的传输和功分检波，从而完成整个宽带信号的频段合成及稳幅功率输出，由于需要两个电路才能完成这样的功能，不可避免的会造成电路尺寸偏大、功率损耗较大、电路实现难度大、难以实现宽带应用的缺点，在频率较高、放大器输出功率有限的情况下遇到了难以解决的困难。

宽带频段合成和功分检波技术是实现宽带稳幅信号发生的关键技术，多用于合成信号源、矢量网络分析仪等测试仪器中，如何在信号通路的后端将分频段处理的信号合成为宽频段稳幅输出信号、尽量少的减少功率损耗，是频段合成和功分检波技术面临的主要问题。

现有技术主要是通过频段合成电路和功分检波电路两个电路来实现，其实现原理框图如图1所示：其中频段合成电路有两种实现方式：

(1)场效应管MMIC开关实现，其工作原理是采用多个场效应管的通断来实现频段合成，它的特点是受制于场效应管的半导体自身特性，压缩点一般，工作带宽也难以做的很宽，要达到250KHz-70GHz全频段工作带宽，管子的尺寸和寄生参数要做的很小，工艺水平要求极高，但是过小的管子尺寸会降低其承受功率，带宽和功率指标难以兼容。现在仅有美国是德公司的1CG6-8054一款开关芯片达到了250kHz～70GHz带宽要求，其余最高频率仅工作到50GHz，该开关的1dB压缩点(P_-1dB)在100MHz～70GHz频段为+15dBm，50GHz的传输损耗为2.6dB，70GHz的传输损耗未给出。该技术可以满足低功率下的宽带频段合成。

(2)采用PIN二极管实现的MMIC开关实现，该技术采用了PIN二极管串并联方式来扩展带宽，其承受功率主要由串联的二极管烧毁功率决定，功率特性稍好于场效应二极管开关，其实现的难度也是带宽不够，承受功率有限，要达到70GHz的使用频率，PIN二极管必须要有很小的寄生参数才能实现，对半导体工艺的要求也极高，但是随着管子使用频率的提高，必然会带来尺寸的减小和管子的功率容量的降低，难以同时满足目前的实际需求。目前最好的宽带PIN开关为MA-COM公司的产品，为了获得良好的宽带特性，此开关采用了特殊的砷化铝钾工艺，覆盖了50MHz～50GHz的工作频率范围，频率上限可以扩展到70GHz，但性能指标不能保证；最大烧毁功率(远大于P-1dB)为+23dm，承受功率一般。该技术方式可以满足50MHz～50GHz的低功率频段合成。

功分检波电路有两种实现方式；

(1)电阻网络功分检波，其电路图如图2所示，端口一为信号输入端口，端口二为信号传输端口，端口三为功分检波端口，该类电路工作带宽很宽,但是传输通路损耗较大，一般情况下，为了避免从端口二的反射信号进入到端口3，从而影响端口一功分到端口三通路传输信号的检波电压，直通通路上电阻至少为50欧姆，仅直通电阻带来的插入损耗就大于3dB，加上功分损耗和信号通路的介质损耗，整个电阻宽带功分检波电路的损耗更大，以直通电阻50欧姆，功分损耗18dB为例，其仿真结果如图3所示，其中a为直通通路损耗，b为电阻功分通路损耗，直通损耗约为5dB。

(2)耦合器功分检波，其电路图如图4所示，端口一为信号输入端口，端口二为信号传输端口，端口三为功分检波端口，由于传输通路没有电阻等有耗器件，传输通路损耗较小；功分检波工作带宽和耦合线的长度、宽度和缝隙有关，带宽无法做的很宽。电路仿真结果如图5所示，其中a为耦合器传输通路损耗，b为耦合器功分通路损耗，从图中可以看出，端口一到端口三的功分信号(用于检波)带宽约为1个倍频程(23GHz-41GHz)，无法满足超宽带应用。

通过频段合成电路和功分检波电路完成了宽带频段合成和宽带功分检波，可以完成宽带信号稳幅输出功能，但是存在以下缺点：

(1)承受功率小，频段合成的压缩点比较低。

采用场效应管MMIC开关和PIN二极管MMIC开关实现频段合成，虽然其频率范围基本满足250kHz～70GHz的频段合成要求，但是其缺点是压缩点比较低(小于+20dBm)，频率高端损耗较大。当输入功率接近+20dBm时，会带来谐波特性急剧恶化，因此只能用于小功率宽带频段合成的场合。

(2)需要两个电路共同实现，电路功率损耗大。

现有技术采用频段合成和功分检波两种电路来实现宽带高频信号的稳幅输出，第一会增加电路的复杂度，第二是频段合成电路承受功率比较低、宽带电阻功分检波电路的插入损耗比较大，耦合器结构带宽的功分检波电路带宽又不能满足频段合成后的带宽要求，采用现有技术都无法全部满足250kHz～70GHz频段合成稳幅电路对于输入功率和功率损耗的要求，难以在宽带高频的情况下高效率的输出功率。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种工作频带宽、多功能集成和高频损耗低的多功能宽带检波电路。

本发明具体采用如下技术方案：

一种多功能宽带检波电路，包括直通通路、高频通路和耦合通路，所述直通通路与高频通路通过耦合通路实现频段合成，直通通路上设有低频段输入端口和频段合成输出端口，高频通路上设有高频段输入端口和宽带检波输出端口，高频通路靠近宽带检波输出端口的一端设有斜率衰减器和宽带检波器；

输入信号经低频段输入端口输入，频率较低的输入信号会以较小的传输损耗传输到频段合成输出端口，频率较高的输入信号会耦合到耦合通路的输出端，使直通通路仅能传输频率较低的信号，作为多功能宽带检波电路的低频段通路；

输入信号经高频段输入端口输入，频率较高的输入信号大部分经耦合通路后耦合到直通通路，频率较高的输入信号小部分直通输出后进入宽带检波输出端口，通过斜率衰减器完成宽带频率响应补偿，将与高频通路传输信号大小相关的信号传输到检波二极管中，完成对高频段信号的宽带检波，作为多功能宽带检波电路的高频段通路；

高频段信号与低频段信号在频段合成输出端口完成合成。

优选地，所述耦合通路的工作频带带宽为250KHz～70GHz。

优选地，所述耦合通路由耦合微带线组成，耦合微带线宽度为0.08mm～0.15mm，耦合微带线之间耦合缝隙为0.1mm～0.2mm；所述直通通路和高频通路的输入输出部分由微带线组成，微带线宽度为0.127mm。

优选地，所述微带线、耦合微带线、斜率衰减器和宽带检波器介质基片由陶瓷片或白宝石片制成，介质基片的厚度为0.127mm，介电常数为9.0-9.9。

本发明具有的有益效果是：

(1)多功能集成：只需要一个电路即可实现宽带大功率频段合成和宽带功分检波，在高频应用时优势明显。

(2)工作频带宽：能够实现250KHz～70GHz测试仪器超宽带频段合成功能和高频段检波功能，频段合成的频率分段点可通过耦合微带的长度和耦合缝隙进行调整。

(3)具有很低的高频功率损耗：宽带检波功能未引入新的插入损耗，整个电路的损耗仅为频段合成功能电路损耗，并且在高频段损耗随频率的升高而减小，在宽带输出时可以获得较大的输出功率。

(4)承受功率大：由于耦合通路中的微带耦合结构未采用有源电路，其承受功率主要由组成电路的微带电路实现，承受功率优于宽带PIN开关和场效应管开关，很难恶化输出信号的谐杂波，信号的频谱纯度经过该电路后能够得到保持；检波二极管承受的是耦合输出和斜率衰减后的功率，能够承受较大的输出功率和具有良好的线性范围。

附图说明

图1为宽带信号输出原理图；

图2为电阻网络功分检波电路图；

图3为电阻网络功分检波电路仿真图；

图4为耦合器功分检波电路图；

图5为耦合器功分检波电路仿真结果；

图6为频段合成功分检波电路结构示意图；

图7为频段合成电路性能指标特性图；

图8为高频段输入端口到频段合成输出端口和检波端口的传输损耗仿真图；

图9为检波端口斜率衰减器仿真图。

其中，1为直通通路，2为高频通路，3为耦合通路，4为低频段输入端口，5为频段合成输出端口，6为高频段输入端口，7为宽带检波输出端口，8为斜率衰减器，9为宽带检波器，10为检波二级管，11为检波电压输出端，12为耦合缝隙，13为耦合长度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图6所示，一种多功能宽带检波电路，包括直通通路1、高频通路2和耦合通路3，直通通路1与高频通路2通过耦合通路3实现频段合成，直通通路1上设有低频段输入端口4和频段合成输出端口5，高频通路2上设有高频段输入端口6和宽带检波输出端口7，高频通路2靠近宽带检波输出端口7的一端设有斜率衰减器8和宽带检波器9；

输入信号经低频段输入端口4输入，频率较低的输入信号会以较小的传输损耗传输到频段合成输出端口5，频率较高的输入信号会耦合到耦合通路的输出端，使直通通路1仅能传输频率较低的信号，作为多功能宽带检波电路的低频段通路；

输入信号经高频段输入端口6输入，频率较高的输入信号大部分经耦合通路后耦合到直通通路1，频率较高的输入信号小部分直通输出后进入宽带检波输出端口7，通过斜率衰减器8完成宽带频率响应补偿，将与高频通路传输信号大小相关的信号传输到检波二极管10中，完成对高频段信号的宽带检波，作为多功能宽带检波电路的高频段通路；

高频段信号与低频段信号在频段合成输出端口完成合成。

如图7所示，给出了频段合成部分电路的仿真指标曲线，其中a为低频段输入端口到频段合成输出端口损耗，b为高频段输入端口到频段合成输出端口损耗，耦合通路的工作频带带宽为250KHz～70GHz，耦合通路的频带交叉点为39GHz，耦合通路的频带较叉点可以小范围调整，频率交叉点可通过改变耦合微带线的耦合长度13和耦合缝隙12的大小来实现，耦合长度13越长、耦合缝隙12越小，频率交叉点的频率越低，反之频率交叉点的频率越高，从而实现了频段合成电路分段点的可调。高频段信号与低频段信号的最大传输损耗为3.4dB，高频段信号在70GHz的传输损耗仅为0.7dB，优于开关方式实现的频段合成电路，在同等输入功率的情况下可有效提高高频输出功率。

耦合通路中包括耦合微带线，耦合微带线宽度为0.08mm～0.15mm，耦合微带线基片厚度为0.127mm，介电常数为9.0-9.9，耦合微带线之间耦合缝隙12为0.1mm～0.2mm。直通和高频通路上输入输出微带传输线宽度为0.127mm。

耦合微带线、斜率衰减器8和宽带检波器9由陶瓷片或白宝石片制成。如图8所示，给出了高频段输入端口到频段合成输出端口和检波端口功率分配的仿真曲线，其中a为高频段输入端口到频段合成输出端口损耗，b为高频段输入端口到检波端口损耗，从图中可以看出，高频段有输出功率传输到宽带检波输出端口，能够为宽带检波器提供射频检波信号，本发明正是利用了这部分耦合信号进行检波，不用在频段合成后单独加功分检波电路，从而提高了输出功率。

如图9所示，给出了斜率衰减器的传输损耗曲线，高频段输入端口到检波端口的输出功率频率响应较差，因此本发明在检波端口和检波电路之间增加了斜率衰减器，从图中可以看出，斜率衰减器的频率响应能够满足输入功率的补偿要求，经过补偿后检波电路能够获得较为平坦的输入功率，从而满足宽带检波的要求。

本发明采用的多功能宽带检波电路具有宽带频段合成和高频段检波一体化实现功能，高频段检波不引入任何功率损耗，相对于其他检波方式功率衰减大为减少；电路未采用任何有源器件，它的承受功率主要由微带线的承受功率决定，而微带线的功率容量取决于填充介质的电击穿强度、耐热能力以及微带导体因电流密度过大发热烧融几个因素，一般可以承受+40dBm的输入功率，其值远大于宽带FET、PIN二极管开关。本发明能够解决250KHz～70GHz超宽带测试仪器端口输出的频段合成和宽带检波难题，能够减少频率高端的功率损耗，节约宝贵的高频输出功率。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。