基于肖特基二极管精确电路模型的混频器参数确定方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，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。【专利说明】
本专利技术涉及，属于微波器 件参数确定
。
技术介绍
在太赫兹频段，工作波长和肖特基二极管的尺寸相比拟，二极管结构上的不连续 性带来的特征阻抗Z0的不连续会导致太赫兹波在二极管焊盘、接触指等部分发生反射，对 二极管的电场分布造成了很大影响，要对肖特基二极管在太赫兹下的特性进行准确的分析 就必须考虑以上特性，所以传统的仿真电路等效模型、SPICE参数等已经不能准确地描述 二极管在太赫兹频段下的工作特性，应当对二极管的分布参数进行进一步的分析。为了获 得更精确的二极管电路模型，需要提取详细的模型参数，通常有两种手段：利用测试手段获 得；利用等效电路方法获得。该频段在片测试平台较难获得，且去嵌入方法也不成熟，因此 可实现性不高。传统的等效电路模型仅适合二极管单管管芯的直流/低频性能模拟，无法 覆盖频率需求范围。目前，建立反映二极管高频特性的等效电路模型的普遍做法就是直接 通过一个二极管近似三维模型去建立等效电路模型。一是由于二极管的近似三维模型太过 简化，无法准确反映实际二极管的高频特性，二是由于肖特基二极管等效电路模型的参数 较多，若直接通过拟合唯一一组S参数矩阵文件来获得的各个集总参数值会存在较大的不 确定性，从而导致建立的肖特基二极管的等效电路模型不够准确，最终影响混频器参数的 确定。 在公开刊物及公开渠道上了解到的关于基于肖特基二极管电路模型的混频器参 数确定方法主要有： 比如《基于TRL去嵌入方法的二极管建模》，对非线性肖特基结和周围的无源结构 进行了基于石英介质的TRL去嵌入建模分析，采用TRL算法，通过拟合初始二极管S参数曲 线和TRL测试参数确定芯片电路模型中各集总参数元件数值。该文献所描述的方法基于测 试手段，重点对去嵌入方法进行了探索说明，对于工作频段在W波段以上时，由于测试平台 较难获得，且去嵌入方法不够成熟，所以很难建立二极管的等效电路模型。综上，上面文献 与本文所述方法有本质上的不同。 比如《太赫兹GaAs肖特基二极管电路模型研究》，建立一个肖特基二极管的整体 三维模型，对非线性肖特基结以外的无源结构部分进行了电磁场全波分析，得到一组S参 数，然后利用ADS软件，通过拟合这唯一一组S参数矩阵文件来确定二极管电路模型的各个 集总参数元件数值。该文献所述方法的缺陷在于两个方面：一是由于无法获得肖特基二极 管的详细物理结构参数，导致建立的肖特基二极管的三维模型只是一个简化的三维模型， 不够准确；二是肖特基二极管等效电路模型的参数较多，若直接通过拟合唯一一组S参数 矩阵文件来获得的各个集总参数值会存在较大的不确定性，从而导致建立的等效电路模型 不够准确，最终影响混频器的确定。上述文献所描述的方法与本文所述方法有本质区别，且 根据该方法建立的等效电路模型无法满足高性能亚毫米波混频器的要求。 专利《一种肖特基二极管的等效电路》，申请公布号CN102520753A，公开了一种肖 特基二极管的等效电路，包括：二极管的阳极与电压控制电流源的正极连接，二极管的阴极 与电压控制电流源的负极连接，二极管的阳极与电压控制电流源的正极的连接点作为肖特 基二极管的等效电路的阳极，二极管的阴极与电压控制电流源的负极的连接点作为肖特基 二极管的等效电路的阴极。该专利技术的肖特基二极管的等效电路能够在仿真中作为肖特基二 极管的等效电路，提高包含肖特基二极管的电路的仿真精度，但是它只适用于较低频段，在 毫米波频段及以上难以准确描述二极管的高频特性，更无法满足确定太赫兹频段混频器的 要求。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供基于肖特基二极管精确电路 模型的混频器参数确定方法，该方法能够建立肖特基二极管的精确电路模型，利用该精确 电路模型可以准确确定183GHz分谐波混频器，实现对不同海拔地区太赫兹频率大气传播 特性及具体区域的太赫兹大气衰减特性的成像探测。 本专利技术解决的技术方案为：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（如图3(a)所示），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Lspl和第一电容Cspl、第一负载端口 P0RT1和第二负载端口 P0RT2,第一负载 端口 P0RT1的一端接地，第一负载端口 P0RT1的另一端一路连接第一电容Cspl的一端，另 一路连接第一电感Lspl的一端，第一电容Cspl的另一端接地，第一电感Lspl的另一端通 过第二负载端口 P0RT2接地，给两个负载端口 P0RT1和P0RT2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Lspl和第一电容Cspl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Lspl和第一电容Cspl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（如图3(a)所示），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Lspl和第二电感Lsp2,第一电容Cspl、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 P0RT1和第二负载端口 P0RT2,第一负 载端口 P0RT1的一端接地，第一负载端口 P0RT1的另一端一路连接第一电容Cspl的一端， 另一路连接第一电感Lspl的一端，第一电容Cspl的另一端接地，第一电感Lspl的另一端 一路连接第二电容Cpoc的本文档来自技高网...

【技术保护点】
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...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓阳，徐辉，张波，王毅，吕游，郑飞腾，黄齐波，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61