Детекторы СВЧ диапазона

Размещено на http://allbest.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Ивановский государственный химико-технологический университет

Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники

Реферат

«Детекторы СВЧ диапазона»

Выполнила: Гроза Н.С.,

Преподаватель Холодков И.В.

Иваново 2018



Содержание

Введение

Детектирование

Детекторные диоды с барьером Шоттки (ДБШ)

Синхронные детекторы

Амплитудные детекторы

Фазовый детектор

Основные характеристики детекторов

Заключение

Список используемой литературы



Введение

В настоящее время наблюдается интерес к диапазонам сверхвысоким частотам (СВЧ) от 300 МГц до 300 ГГц. Переход в эту часть диапазона связан с тем, что с увеличением частоты увеличивается возможность концентрации электромагнитного излучения в узкий луч.

Если длина волны много меньше размеров объекта, то использование остронаправленных лучей обеспечивает снижение взаимных полей одновременно работающих радиолокаторов, увеличивает дальность действия радиосистем, позволяет достичь высокой точности определения координат лоцируемых объектов.

В электронных системах СВЧ диапазона применяются полупроводниковые и вакуумные приборы. Однако, улучшенные массогабаритные, стоимостные, технологические показатели, низковольтность схем питания твердотельных активных элементов позволяют предпочесть их вакуумным приборам СВЧ. Таким элементом является полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении - диод с барьером Шоттки (ДБШ).

Современные ДБШ имеют высокие технические характеристики, высокую устойчивость к воздействию электростатических разрядов, а также весьма малое прямое падение напряжения (0,2 - 0,4 В) и очень высокое быстродействие, которое определяется только барьерной емкостью, что делает ДБШ весьма перспективными в областях детектирования СВЧ.

Детектор, демодулятор -- электронный узел устройств, отделяющий полезный (модулирующий) сигнал от несущей составляющей.

Детектор радиоприёмного устройства, или демодулятор, восстанавливает информацию из радиосигнала, заложенную в него модулятором.

Например, приём радио- или телепередач возможен за счёт демодуляции высокочастотного сигнала, поступившего на антенну устройства [1].

Цель работы: ознакомиться с конструкцией, принципом работы и основными характеристиками детекторов СВЧ диапазона.



Детектирование

Детектирование -- процесс выделения модулирующего сигнала из модулированного колебания или сигнала. Детектирование может осуществляться при когерентном и некогерентном приеме сигналов. При когерентном приеме, при детектировании, используются данные о начальной фазе сигнала. При некогерентном приеме, при детектировании, не используются данные о начальной фазе сигнала [1].

Детектирование осуществляется в устройствах -- детекторах. Условное графическое обозначение детектора представлено на рис. 1:

(а) (б)

Рис.1 Условное графическое обозначение детектора: а) при когерентном приеме, б) при некогерентном приеме

В зависимости от амплитуды входного сигнала и вида характеристики нелинейного элемента различают два режима детектирования: квадратичный (режим слабых сигналов) и линейный (режим больших сигналов).

В первом режиме работа детектора происходит в пределах нелинейного участка его характеристики, аппроксимируемой полиномом второй степени. Во втором режиме работа детектора происходит на линейном участке характеристики, что позволяет применить кусочно-линейную аппроксимацию.

Квадратичное детектирование. При малом входном сигнале (десятки милливольт) работа детектора происходит в пределах нижнего сгиба вольт-амперной характеристики нелинейного элемента (рис. 2, а), которая с достаточной для практики точностью аппроксимируется полиномом второй степени i=a₀+a₁u+a₂u.

Рис. 2. Квадратичное (а) и линейное (б) детектирование

Если на вход детектора в этом режиме поступает амплитудно-модулированный сигнал вида u(t)=U(t)cosщ₀t, то ток нелинейного элемента равен:

(1)

Высокочастотные составляющие с частотами щ₀ и 2щ₀ не проходят через низкочастотный фильтр на выходе детектора.

Полезная информация содержится в низкочастотной составляющей, равной .

Пропорциональность данной составляющей квадрату огибающей амплитудно-модулированного сигнала определило название детектора в этом режиме - квадратичный детектор.

При детектировании квадратичным детектором сложного сигнала спектр тока нелинейного элемента будет содержать комбинационные частоты в низкочастотной части спектра, которые будут пропускаться полосовым фильтром низкой частоты. Это приведет к увеличению искажений полезного сигнала.

Линейное детектирование. Нелинейные искажения, свойственные квадратичному детектору, могут быть уменьшены, если детектор будет работать с использованием линейной части характеристики диода. При этом принципиальная схема линейного детектора ничем не отличается от схемы квадратичного детектора. Только амплитуда входного напряжения должна быть такой (порядка 1…1,5 В), чтобы рабочий участок располагался на линейном участке характеристики нелинейного элемента (рис. 2, б). При этом можно воспользоваться кусочно-линейной аппроксимацией характеристики диода.

Как видно из рисунка, ток диода представляет собой периодическую последовательность импульсов, модулированных по амплитуде. Напряжение на выходе детектора создается только постоянной составляющей тока, которая в данном случае не будет постоянной в полном смысле этого слова. Она будет изменяться по закону модуляции входного сигнала. Таким образом, выходной сигнала детектора будет равен:

(2)

(3)

Учитывая, что входной АМ-сигнал равен u_вх(t)=U(t)cosщ₀t и u_вых(t)=U(t)cosи при условии, что угол отсечки и является постоянной величиной, получаем:



, (4)

или . (5)

Таким образом, выходное напряжение детектора в этом режиме линейно зависит от амплитуды входного сигнала, если угол отсечки и - постоянная величина. Отсюда и название детектора - линейный детектор [2].

Детекторные диоды с барьером Шоттки (ДБШ)

Для детектирования СВЧ сигналов в сигналы более низких частот или в постоянный ток обычно применяют детекторные диоды.

Детекторный СВЧ диод - это полупроводниковый прибор с одним переходом и двумя выводами, предназначенный для преобразования модулированных высокочастотных колебаний в постоянный ток или ток низкой частоты.

В диапазоне СВЧ применяют диоды, у которых отсутствует инжекция неосновных носителей и барьерная ёмкость очень мала, а нелинейность вольтамперной характеристики сохраняется на высоких частотах.

Структура диода с барьером Шоттки представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структура диода с барьером Шоттки

Благодаря малой толщине эпитаксиального n-слоя, образующего переход с металлом, сопротивление потерь перехода меньше, а крутизна ВАХ и электрическая прочность выше, чем у точечно-контактного перехода.

Особенности физических процессов в ДБШ заключаются в отсутствии инжекции неосновных носителей в базу. Запирающий слой образуется в результате обеднения приконтактного слоя полупроводника основными носителями зарядов.

Поэтому при подключении прямого напряжения U прямой ток возникает в результате движения основных носителей зарядов из полупроводника в металл через пониженный потенциальный барьер перехода.

Таким образом, в базе диода (n - Si) не происходит накапливания и рассасывания неосновных носителей. Основным фактором, влияющим на длительность переходных процессов, является процесс перезаряда барьерной ёмкости C_бар.

Значение C_бар весьма мало (не более 1 пФ), очень малы также и омические сопротивления электродов: металла и n⁺-Si. Вследствие этого время перезаряда ёмкости C_бар, а, следовательно, и длительность переходных процессов также очень малы и составляют десятые доли нс. Эти свойства позволяют использовать ДБШ на рабочих частотах вплоть до 300 ГГц.

Статическую ВАХ p-n-перехода аппроксимируют выражением:

(6)

где I_S - ток насыщения при обратном смещении на диоде, e - заряд электрона, U - напряжение на диоде, m - коэффициент неидеальности ВАХ, k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура.

При подаче на переход обратного напряжения ток быстро достигает насыщения. Значение тока насыщения I_S определяется параметрами материала базовой области; обратный ток резко возрастает с повышением температуры.

Характеристики прямого тока смещаются влево с ростом температуры. Пробивное напряжение обычного p-n-перехода достаточно велико благодаря высокой электрической прочности обеднённых слоёв полупроводника. На рис. 4 представлена ВАХ диода.

Рис. 4. Вольтамперные характеристики диодов.

Эквивалентная схема детекторного СВЧ диода показана на рис. 5.

Рис. 5. Эквивалентная схема СВЧ диода

Здесь переход представлен дифференциальными параметрами: сопротивлением перехода r_пер = ?u / ?i и барьерной ёмкостью C_бар. Потери в базе диода, омических переходах и выводах отображены последовательным сопротивлением потерь r_б, индуктивность выводов и контактной пружинки - L_к, конструктивная ёмкость между выводами при отсутствии контакта с диодной структурой - C_к. Из - за падения напряжения на r_б и L_к приложенное к переходу напряжения оказывается меньше, чем подведённое к диоду, а ёмкость C_к шунтирует его. Эти параметры называют паразитными. Типичные значения L_к - десятые доли нГн и C_к - десятые доли пФ, r_б - десятые доли или единицы Ом.

Инерционность электрических процессов в диоде зависит от постоянной времени ф = r_б•C_бар, поэтому для повышения частотного предела в большинстве СВЧ диодов используют переходы с малыми поперечными размерами, барьерная емкость C_бар которых не превышает десятых долей пикофарад, а последовательное сопротивление потерь r_б - единиц Ома.

Параметры схемы можно определить путём измерений на низких частотах или приближенно на основе процесса выпрямления. Эквивалентная схема используется для расчёта характеристик детекторного диода на высоких частотах [3].

Синхронные детекторы

Синхронное детектирование - это детектирование, при котором используется опорное колебание с частотой и фазой соответствующими частоте и фазе несущего колебания.

Структурная электрическая схема синхронного детектора представлена на рис. 6.

Рис. 6. Структурная электрическая схема синхронного детектора



На входы балансного или кольцевого модулятора поступают сигнал S_АМ(t) и опорное колебание от генератора u_г(t):

(7)

(8)

На выходе модулятора формируется сигнал u₁(t):

, (9)

. (10)

ФНЧ на выходе модулятора подавляет высокочастотные и постоянную составляющие и выделяет составляющие модулирующего сигнала:

, (11)

Для получения опорного колебания с частотой и фазой несущего колебания используется блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Блок ФАПЧ выделяет несущее колебание из поступившего сигнала и подстраивает под его параметры генератор.

Свойством и основным достоинством синхронного детектора является сохранение отношения сигнал-помеха на выходе детектора. Это объясняется тем, что данный детектор представляет собой преобразователь частоты, который переносит спектр сигнала в область низких частот без изменения формы сигнала и соотношений между составляющими спектра. Это свойство детектора позволяет применять последетекторную обработку сигнала.

Синхронный детектор позволяет также детектировать балансно-модулированные и однополосно-модулированные сигналы. Однако в данном случае возникают трудности с получением информации о частоте и фазе несущего колебания, т. к. составляющая несущего колебания в спектре этих сигналов отсутствует. Поэтому для детектирования этих сигналов применяют два технических решения:

1) при детектировании используют пилот-сигнал, который представляет собой остаток несущего колебания и передается вместе с сигналом, а на приеме выделяется системой ФАПЧ;

2) при детектировании на приемной стороне используется высокостабильный опорный генератор, который вообще не синхронизируется. Для детектирования используется местная несущая отличающаяся от передаваемой на ДЩ. При этом возникает сдвиг частот в канале связи (рис. 7). Если этот сдвиг не превышает 10 Гц для телефонного сигнала, то получатель его не ощущает [1].

Рис. 7. Процесс сдвига частот в канале связи.

Амплитудные детекторы

Для включения в СВЧ тракт детекторный диод помещают в высокочастотный держатель - детекторную секцию или детектор. Детектор может быть амплитудным или фазовым. Амплитудным детектором называют устройство, предназначенное для преобразования СВЧ-сигналов в сигналы постоянного тока, т.е. для выделения огибающей колебаний СВЧ. Они являются составной частью фазовых и частотных демодуляторов СВЧ, используются в устройствах контроля и автоматического регулирования уровня мощности, частоты, контроля формы сигналов, а также в широкополосных детекторных приемниках.

Детектор состоит из элемента связи с СВЧ-трактом (согласующего устройства), диода, фильтра нижних частот (ФНЧ) и вывода сигнала на НЧ (рис. 8).

Рис. 8. Схема амплитудного детектора

Детектор обеспечивает трансформацию высокочастотного сопротивления диода в сопротивление, равное волновому сопротивлению входной передающей линии. Это необходимо, чтобы избежать нежелательных отражений.

Детекторная секция должна обеспечивать поглощение СВЧ мощности без просачивания её при этом на выходные зажимы.

К амплитудным детекторам предъявляются следующие требования:

· высокая чувствительность и ее равномерность в рабочей полосе частот;

· квадратичность характеристики преобразования (при контроле мощности) или линейность (при контроле формы сигналов);

· хорошее согласование по входу ( с ? 1,3? 2 );

· надежность конструкции и удобство в эксплуатации;

· малые габаритные размеры и масса.

На рис. 9 представлен коаксиальный вариант амплитудного детектора. Диод 1 ввинчивается в держатель 2, заканчивающийся НЧ разъемом 3.

Рис. 9. Коаксиальный вариант амплитудного детектора

Другим фланцем диод входит в цангу центрального проводника 4 коаксиала, который закорочен проволочкой 5 на корпус секции 6 Таким образом, замыкается цепь диода по постоянному току, для СВЧ же сигнала проволочка 5 представляет собой большое индуктивное сопротивление.

Диэлектрическая шайба 7 СВЧ разъема 8 центирует проводник 4 Поглощающая диэлектрическая вставка 9 препятствует просачиванию СВЧ мощности на НЧ выход 3

Таким образом, диод является нагрузкой СВЧ тракта и поглощает СВЧ мощность, преобразуя её в постоянный ток.

Ранее в детекторах использовались точечно-контактные диоды, выпускаемые и ныне для измерительной аппаратуры; в новых разработках применяются ДБШ.

Волноводный амплитудный детектор (рис. 10) представляет собой отрезок волновода 1 с фланцем 2, дающий возможность присоединить детектор к волноводному тракту, торцовой стенки 3, двух втулок 4, припаянных к широким стенкам волновода и устройством для крепления диода.

Втулка 4 имеет резьбу, что даёт возможность фиксировать положение пробки 5 при завинчивании гайки 6 Пробка 7 удерживает резьбой диод 8, прижата гайкой 9 и обеспечивает электрический контакт между диодом и массой волновода.

Второй фланец диода входит в цангу 10, которая изолирована от волновода шайбой 11 и 12 Гнездо 13 служит для соединения детекторной секции с прибором (индикатором). 14 - поглотитель просачивающейся за диод мощности [3].

Рис. 10. Волноводный вариант амплитудного детектора

Фазовый детектор

Назначение фазового детектора (ФД) состоит в получении постоянного тока, пропорционального разности фаз ? двух когерентных колебаний СВЧ. Они применяются в фазовых демодуляторах, фазометрах, цепях фазовой синхронизации систем фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) и т. п.

Рассмотрим принцип действия ФД. Пусть входные колебания:

, (12)

(13)

имеют неизменные амплитуды, причем U2?U1.

Обычно, U2(t) называют опорным напряжением, U1(t) -напряжением сигнала. В ФД используется зависимость амплитуды суммы U_У(t)=U₁(t)+U₂(t) когерентных колебаний от разности фаз ? между ними:

. (14)

Поэтому фазовые детекторы состоят из сумматора У (схемы сложения) входных колебаний и амплитудного детектора (АД), а общие требования к ним аналогичны требованиям к АД.

Основная характеристика фазового детектора - нормированная амплитудно-фазовая характеристика (АФХ):

, рад, (15)

крутизна и линейность которой зависят от соотношения амплитуд колебаний, режима работы амплитудного детектора и схемы фазового детектора.

Простейшая небалансная (однотактная) схема ФД с сумматором У на синфазном кольцевом делители мощности приведена на рис. 11.



Рис. 11. Структурная схема небалансного синфазного детектора

АФХ такого ФД изображена на рис. 12. В режиме квадратичного детектирования АД (U_вых ~ U²_У при U_У ? ? 0,2..0,3 В) АФХ представляет собой косинусоиду 1 (для случая U₁<U₂) и косинусоиду 2 (для случая U₁=U₂) [3].

Рис. 12. АФХ фазового детектора

Основные характеристики детекторов

Характеристиками детектора являются: детекторная, частотная характеристики и коэффициент передачи.

Детекторная характеристика представляет собой зависимость постоянной составляющей напряжения на выходе детектора от изменения информационного параметра несущей, подводимой к нему.

При амплитудной модуляции информационным параметром является амплитуда, при частотной модуляции - частота, при фазовой модуляции - фаза.

Идеальная характеристика является линейной, проходя через начало координат под углом a к оси абсцисс (рис. 13).

Реальная характеристика имеет отклонения, которые приводят к нелинейным искажениям модулирующего сигнала.

Рис. 13. Детекторная характеристика детектора.

Частотная характеристика представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения Um_u детектора от частоты модулирующего гармонического сигнала. Реальная характеристика имеет линейный характер и постоянна для Um_u на всех частотах (рис. 14).

Отклонение реальной характеристики от идеальной приводит к частотным искажениям модулирующего сигнала. Также как и для модуляторов, по частотной характеристике определяют полосу пропускания детектора [5]. свехвысокочастотный диод шоттки детектирование



Рис. 14. Частотная характеристика детектора.

Коэффициент передачи детектора определяется для гармонического модулирующего сигнала и равен отношению амплитуды гармонического сигнала Um_u к амплитуде приращения информационного параметра несущей

К_д = Um_u/Um. (16)

Коэффициент передачи детектора можно определить из детекторной характеристики:

К_д = ktg, (17)

где k -- масштабный коэффициент пропорциональности [2].



Заключение

Детекторы мощности широко используются в различных радиотехнических системах, могут выступать как отдельные измерительные блоки для контроля мощности источников сигналов, а также в составе различных устройств. Нередко детекторы применяются в качестве основных преобразовательных элементов ваттметров СВЧ. Помимо этого, детекторы включают в системы контроля мощности генераторов и синтезаторов СВЧ.

Детекторы высокочастотных сигналов используются для построения измерительных комплексов, в лабораторных исследованиях, для радиометрии, в приборостроении, включая системы подстройки мощности. Кроме того, они находят применение в приемниках предупреждения об облучении, в амплитудных пеленгаторах, в приемниках обнаружения сигналов для радиомониторинга и радиоконтроля, поэтому их изучение является актуальным.

В России производством детекторов СВЧ занимаются АО НПП «Исток», АО «Микран», ННИПИ «Кварц», АО «Салют», АО «Контакт» и ряд других предприятий. За рубежом еще больше фирм производят детекторы СВЧ. Перечислим только некоторые из них: «Agilent» (Avago), ВНИИРИП (Вильнюс), МНИПИ (Минск), Elisra (Израиль), Skyworks (США), Linwave Technology, Anritsu, Linear Technology, Teledyne Microwave Solution [5].

В ходе работы мной были разобраны: Виды детектирования; Детекторные СВЧ диоды с барьером Шоттки; Виды, конструкции и принцип работы детекторов СВЧ диапазона; Основные характеристики детекторов. Были приведены области применения и производители детекторов.



Список используемой литературы

1. Дробахин О. О. Техника и полупроводниковая электроника СВЧ: учеб. пособие / О. О. Дробахин, С. В. Плаксин, В. Д. Рябчий - Севастополь: Вебер, 2013. - 322 с.

2. Балакший В. И. Амплитудное детектирование: учеб. пособие / В. И. Балакший, А. А. Белов - М.: изд. физического факультета МГУ, 2006. - 19 с.

3. Нойкин Ю. М. Полупроводниковые приборы СВЧ: учеб. пособие / Ю. М. Нойкин, Т. К. Нойкина, А. А. Усаев - Ростов-на-Дону: Южный Федеральный университет, 2014. - 250 с.

4. Детекторы мощности сигналов СВЧ компании «Микран»: [Электронный ресурс] / НПФ «Микран». - micran.ru (Дата обращения: 2.12.2018).

5. Бутков В. П. Серийные детекторы СВЧ (обзор) / В. П. Бутков, Д. Е. Губарев, А. Н. Зикий // Электронный вестник Дона. - 2017. - №1. - С. 100 - 113.

Размещено на Allbest.ru