[发明专利]基于肖特基二极管精确电路模型的混频器参数确定方法

摘要

基于肖特基二极管精确电路模型的混频器参数确定方法，先建立四种情况下的二极管三维模型，计算得到对应的四组S参数矩阵；再建立四种情况下的二极管等效电路模型，计算得到对应的四组S参数矩阵，用这四组S参数矩阵依次拟合建立的四种情况下的三维模型的S参数矩阵，得到完整的二极管等效电路模型的各个参数值；然后比较由等效电路模型得到的嵌入阻抗值与由三维模型得到的嵌入阻抗值来确定集总等效参数是否收敛，建立完整的二极管等效电路模型；最后将该等效电路模型代入混频器模型，确定混频器，实现对太赫兹频率大气传播特性及衰减特性的成像探测。

主权项

基于肖特基二极管精确电路模型的混频器参数确定方法，其特征在于步骤如下：(1)根据肖特基二极管的砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层的物理尺寸、材料特性和介电常数参数，在三维电磁场仿真软件HFSS中建立微带线到二极管焊盘的三维模型，将微带线到二极管焊盘的三维模型中的微带线一端和肖特基二极管焊盘一端设置为波端口，在波端口处馈入信号能量，利用有限元方法对微带线到二极管焊盘的三维模型的电磁场分布进行求解，计算得到微带线到二极管焊盘的三维模型对应的S参数矩阵；(2)在电路仿真软件ADS中，建立微带线到二极管焊盘的等效电路模型，该模型包括第一电感(Lsp1)和第一电容(Csp1)、第一负载端口(PORT1)和第二负载端口(PORT2)，第一负载端口(PORT1)的一端接地，第一负载端口(PORT1)的另一端一路连接第一电容(Csp1)的一端，另一路连接第一电感(Lsp1)的一端，第一电容(Csp1)的另一端接地，第一电感（Lsp1）的另一端通过第二负载端口(PORT2)接地，给两个负载端口(PORT1)和(PORT2)馈入信号能量，利用微波网络分析方法计算得到一组S参数矩阵，并将该组S参数矩阵与步骤(1)获得的S参数矩阵进行比较，通过调整第一电感(Lsp1)和第一电容(Csp1)的值，用步骤(2)获得的S参数矩阵来拟合步骤(1)获得的S参数矩阵，从而得到第一电感(Lsp1)和第一电容(Csp1)的初值；(3)根据肖特基二极管的砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层具体的物理尺寸、材料特性和介电常数参数，在三维电磁场仿真软件HFSS中建立去除空气桥的肖特基二极管管对的三维模型，将去除空气桥的肖特基二极管管对的三维模型中的微带线两端设置为波端口，在波端口处馈入信号能量，利用有限元方法对去除空气桥的肖特基二极管管对的三维模型的电磁场分布进行求解，计算得到去除空气桥的肖特基二极管管对的三维模型对应的S参数矩阵；(4)在电路仿真软件ADS中，建立去除空气桥的肖特基二极管管对的等效电路模型，该模型包括第一电感(Lsp1)和第二电感(Lsp2)，第一电容(Csp1)、第二电容(Cpoc)、第三电容(Cpp)、第四电容(Cpac)和第五电容(Csp2)，第一负载端口(PORT1)和第二负载端口(PORT2)，第一负载端口(PORT1)的一端接地，第一负载端口(PORT1)的另一端一路连接第一电容(Csp1)的一端，另一路连接第一电感(Lsp1)的一端，第一电容(Csp1)的另一端接地，第一电感(Lsp1)的另一端一路连接第二电容(Cpoc)的一端，另一路连接第三电容(Cpp)的一端，第二电容(Cpoc)的另一端接地，第三电容(Cpp)的另一端一路连接第四电容(Cpac)的一端，另一路连接第二电感(Lsp2)的一端，第四电容(Cpac)的另一端接地，第二电感(Lsp2)的另一端一路连接第五电容(Csp2)的一端，另一路通过第二负载端口(PORT2)接地，第五电容(Csp2)的另一端接地，第二电感(Lsp2)的电感值等于第一电感(Lsp1)的电感值，第五电容(Csp2)的电容值等于第一电容(Csp1)的电容值；将步骤(2)获得的第一电感(Lsp1)和第一电容(Csp1)的初值代入去除空气桥的肖特基二极管管对的等效电路模型中，给两个负载端口(PORT1)和(PORT2)馈入信号能量，利用微波网络分析方法计算得到一组S参数矩阵，并将该组S参数矩阵与步骤(3)获得的S参数矩阵进行比较，通过调整第二电容(Cpoc)、第三电容(Cpp)和第四电容(Cpac)的值，用步骤(4)获得的S参数矩阵来拟合步骤(3)获得的S参数矩阵，从而得到第二电容(Cpoc)、第三电容(Cpp)和第四电容(Cpac)的初值；(5)根据肖特基二极管的砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层具体的物理尺寸、材料特性和介电常数参数，在三维电磁场仿真软件HFSS中建立短路的肖特基二极管管对的三维模型，将短路的肖特基二极管管对的三维模型中的微带线两端设置为波端口，在波端口处馈入信号能量，利用有限元方法对短路的肖特基二极管管对的三维模型的电磁场分布进行求解，计算得到短路的肖特基二极管管对的三维模型对应的S参数矩阵；(6)在电路仿真软件ADS中，建立短路的肖特基二极管管对的等效电路模型，该模型包括第一电感(Lsp1)、第二电感(Lsp2)、第三电感(Lf1)和第四电感(Lf2)，第一电容(Csp1)、第二电容(Cpoc)、第三电容(Cpp)、第四电容(Cpac)和第五电容(Csp2)，第一负载端口(PORT1)和第二负载端口(PORT2)，第一负载端口(PORT1)的一端接地，第一负载端口(PORT1)的另一端一路连接第一电容(Csp1)的一端，另一路连接第一电感(Lsp1)的一端，第一电容(Csp1)的另一端接地，第一电感(Lsp1)的另一端第一路连接第二电容(Cpoc)的一端，第二路连接第三电感(Lf1)的一端，第三路连接第四电感(Lf2)的一端，第四路连接第三电容(Cpp)的一端，第二电容(Cpoc)的另一端接地，第三电感(Lf1)的另一端、第四电感(Lf2)的另一端和第三电容(Cpp)的另一端一路连接第四电容(Cpac)的一端，另一路连接第二电感(Lsp2)的一端，第四电容(Cpac)的另一端接地，第二电感(Lsp2)的另一端一路连接第五电容(Csp2)的一端，另一路通过第二负载端口(PORT2)接地，第五电容(Csp2)的另一端接地，第二电感(Lsp2)的电感值等于第一电感(Lsp1)的电感值，第五电容(Csp2)的电容值等于第一电容(Csp1)的电容值，第四电感(Lf2)的电感值等于第三电感(Lf1)的电感值；将步骤(2)获得的第一电感(Lsp1)、第一电容(Csp1)的初值和步骤(4)获得的第二电容(Cpoc)、第三电容(Cpp)和第四电容(Cpac)的初值代入短路的肖特基二极管管对的等效电路模型中，给两个负载端口(PORT1)和(PORT2)馈入信号能量，利用微波网络分析方法计算得到一组S参数矩阵，并将该组S参数矩阵与步骤(5)获得的S参数矩阵进行比较，通过调整第三电感(Lf1)和第四电感(Lf2)的值，用步骤(6)获得的S参数矩阵来拟合步骤(5)获得的S参数矩阵，从而得到第三电感(Lf1)和第四电感(Lf2)的初值；(7)根据肖特基二极管的砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层具体的物理尺寸、材料特性和介电常数参数，在三维电磁场仿真软件HFSS中建立开路的肖特基二极管管对的三维模型，将开路的肖特基二极管管对的三维模型中的微带线两端设置为波端口，在端口处馈入信号能量，利用有限元方法对开路的肖特基二极管管对的三维模型的电磁场分布进行求解，计算得到开路的肖特基二极管管对的三维模型对应的S参数矩阵；(8)在电路仿真软件ADS中，建立开路的肖特基二极管管对的等效电路模型，该模型包括第一电感(Lsp1)、第二电感(Lsp2)、第三电感(Lf1)和第四电感(Lf2)，第一电容(Csp1)、第二电容(Cpoc)、第三电容(Cpp)、第四电容(Cpac)、第五电容(Csp2)、第六电容(Cfp1)和第七电容(Cfp2)，第一负载端口(PORT1)和第二负载端口(PORT2)，第一负载端口(PORT1)的一端接地，第一负载端口(PORT1)的另一端一路连接第一电容(Csp1)的一端，另一路连接第一电感(Lsp1)的一端，第一电容(Csp1)的另一端接地，第一电感(Lsp1)的另一端第一路连接第二电容(Cpoc)的一端，第二路连接第三电感(Lf1)的一端，第三路连接第七电容(Cfp2)的一端，第四路连接第三电容(Cpp)的一端，第二电容(Cpoc)的另一端接地，第三电感(Lf1)的另一端连接第六电容(Cfp1)的一端，第七电容(Cfp2)的另一端连接第四电感(Lf2)的一端，第六电容(Cfp1)的另一端、第四电感(Lf2)的另一端和第三电容(Cpp)的另一端一路连接第四电容(Cpac)的一端，另一路连接第二电感(Lsp2)的一端，第四电容(Cpac)的另一端接地，第二电感(Lsp2)的另一端一路连接第五电容(Csp2)的一端，另一路通过第二负载端口(PORT2)接地，第五电容(Csp2)的另一端接地，第二电感(Lsp2)的电感值等于第一电感(Lsp1)的电感值，第五电容(Csp2)的电容值等于第一电容(Csp1)的电容值，第四电感(Lf2)的电感值等于第三电感(Lf1)的电感值，第七电容(Cfp2)的电容值等于第六电容(Cfp1)的电容值；将步骤(2)获得的第一电感(Lsp1)、第一电容(Csp1)的初值，步骤(4)获得的第二电容(Cpoc)、第三电容(Cpp)和第四电容(Cpac)的初值和步骤(6)获得的第三电感(Lf1)和第四电感(Lf2)的初值代入开路的肖特基二极管管对的等效电路模型中，给两个负载端口(PORT1)和(PORT2)馈入信号能量，利用微波网络分析方法计算得到一组S参数矩阵，并将该组S参数矩阵与步骤(7)获得的S参数矩阵进行比较，通过调整第六电容(Cfp1)和第七电容(Cfp2)的值，用步骤(8)获得的S参数矩阵来拟合步骤(7)获得的S参数矩阵，从而得到第六电容(Cfp1)和第七电容(Cfp2)的初值；(9)根据肖特基二极管的砷化镓层、二氧化硅层、N型砷化镓层、N++型砷化镓层和欧姆接触层具体的物理尺寸、材料特性和介电常数参数，在三维电磁场仿真软件HFSS中建立完整的肖特基二极管管对的三维模型，将完整的肖特基二极管管对的三维模型中的微带线两端和肖特基结接触处设置为波端口，在波端口处馈入信号能量，利用有限元方法对完整的肖特基二极管管对的三维模型的电磁场分布进行求解，计算得到完整的肖特基二极管管对的三维模型对应的S参数矩阵，通过S参数矩阵与Z参数矩阵的转换关系，最终得到完整的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值；(10)在电路仿真软件ADS中，建立完整的肖特基二极管管对的等效电路模型，该模型包括第一电感(Lsp1)、第二电感(Lsp2)、第三电感(Lf1)和第四电感(Lf2)，第一电容(Csp1)、第二电容(Cpoc)、第三电容(Cpp)、第四电容(Cpac)、第五电容(Csp2)、第六电容(Cfp1)和第七电容(Cfp2)，第一负载端口(PORT1)、第二负载端口(PORT2)、第三负载端口(PORT3)和第四负载端口(PORT4)，第一负载端口(PORT1)的一端接地，第一负载端口(PORT1)的另一端一路连接第一电容(Csp1)的一端，另一路连接第一电感(Lsp1)的一端，第一电容(Csp1)的另一端接地，第一电感(Lsp1)的另一端第一路连接第二电容(Cpoc)的一端，第二路连接第三电感(Lf1)的一端，第三路连接第七电容(Cfp2)的一端，第四路连接第三电容(Cpp)的一端，第二电容(Cpoc)的另一端接地，第三电感(Lf1)的另一端连接第六电容(Cfp1)的一端，第三负载端口(PORT3)并联连接在第六电容(Cfp1)的两端，第七电容(Cfp2)的另一端连接第四电感(Lf2)的一端，第四负载端口(PORT4)并联连接在第七电容(Cfp2)的两端，第六电容(Cfp1)的另一端、第四电感(Lf2)的另一端和第三电容(Cpp)的另一端一路连接第四电容(Cpac)的一端，另一路连接第二电感(Lsp2)的一端，第四电容(Cpac)的另一端接地，第二电感(Lsp2)的另一端一路连接第五电容(Csp2)的一端，另一路通过第二负载端口(PORT2)接地，第五电容(Csp2)的另一端接地，其中，第一电感(Lsp1)等于第二电感(Lsp2)，第一电容(Csp1)等于第五电容(Csp2)，第三电感(Lf1)等于第四电感(Lf2)，第六电容(Cfp1)等于第七电容(Cfp2)；将步骤(2)获得的第一电感(Lsp1)、第一电容(Csp1)的初值，步骤(4)获得的第二电容(Cpoc)、第三电容(Cpp)和第四电容(Cpac)的初值，步骤(6)获得的第三电感(Lf1)和第四电感(Lf2)的初值和步骤(8)获得的第六电容(Cfp1)和第七电容(Cfp2)的初值代入完整的肖特基二极管管对的等效电路模型中，给四个负载端口(PORT1)、(PORT2)、(PORT3)和(PORT4)馈入信号能量，利用微波网络分析方法计算得到一个肖特基二极管管对的嵌入阻抗值，并将该肖特基二极管管对的嵌入阻抗值与步骤(9)获得的完整的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值进行比较，从而确定完整的肖特基二极管管对的等效电路模型中的通过步骤(2)、(4)、(6)和(8)获得的第一电感(Lsp1)、第二电感(Lsp2)、第三电感(Lf1)和第四电感(Lf2)，第一电容(Csp1)、第二电容(Cpoc)、第三电容(Cpp)、第四电容(Cpac)、第五电容(Csp2)、第六电容(Cfp1)和第七电容(Cfp2)是否收敛；若步骤(10)得到的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值与步骤(9)获得的完整的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值相差大于5％，则判断为不收敛，返回步骤(1)重新开始，依次调整步骤(2)中的第一电感(Lsp1)和第一电容(Csp1)的值、步骤(4)中第二电容(Cpoc)、第三电容(Cpp)和第四电容(Cpac)的值、步骤(6)中第三电感(Lf1)和第四电感(Lf2)的值、步骤(8)中第六电容(Cfp1) 和第七电容(Cfp2)的值直到收敛为止；若步骤(10)得到的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值与步骤(9)获得的完整的肖特基二极管管对的嵌入阻抗值相差小于等于5％，判断为收敛，则进行步骤(11)；(11)将步骤(10)获得的完整的肖特基二极管管对的等效电路模型代入183GHz分谐波混频器的模型中，该混频器模型包括射频、本振、中频和反向并联管对四大部分，其中射频部分包含WR5波导、减高波导、探针过渡和射频匹配电路，本振部分包含WR10波导、减高波导、本振中频双工、本振低通滤波和本振匹配电路，中频部分包含中频低通滤波和SMA接头，反向并联管对部分是步骤(10)获得的完整的肖特基二极管管对的等效电路模型，根据该等效电路模型的第一电感(Lsp1)、第二电感(Lsp2)、第三电感(Lf1)、第四电感(Lf2)，第一电容(Csp1)、第二电容(Cpoc)、第三电容(Cpp)、第四电容(Cpac)、第五电容(Csp2)、第六电容(Cfp1)和第七电容(Cfp2)的值，通过调整混频器模型中的射频减高波导、射频匹配电路、本振减高波导、本振低通滤波、本振匹配电路和中频低通滤波电路的参数来获得混频器的低变频损耗性能，从而确定了混频器的各个参数。