1

«Разработка и исследование транзисторных детекторов СВЧ мощности для

радиоастрономических приемников»

Иванов С.И., Лавров А.П., Матвеев Ю.А.

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

кафедра радиофизики

III Пулковская молодежнаяастрономическая конференция – 2010

СПб - 2010

2

Цель работы: теоретический анализ, разработка и исследование транзисторного СВЧ детектора мощности для широкополосного модуляционного радиометра, с расширенным диапазоном квадратичного детектирования

Передаточная характеристика радиометра

Функциональная схема радиометра

Тх, Тг – точки калибровки

3

Роль детектора в формировании передаточной характеристики радиометра

Основным элементом в составе радиометра вызывающим искажения сигнала и определяющим величину динамического диапазона является квадратичный детектор

В общем случае калибровка радиометра производится по двум точкам (Тх, Тг), поэтому для точного измерения яркостной температуры источника сигнала важна

линейность передаточной характеристики радиометра

В большинстве современных радиометров в качестве нелинейного элемента квадратичного детектора используется полупроводниковый диод

1. Диодный детектор:

основной недостаток – малая величина динамического диапазона квадратичного детектирования (не более 30дБ)

Иногда, для повышения крутизны преобразования, в качестве нелинейного элемента квадратичного детектора радиометра используют биполярный транзистор

2. Транзисторный детектор:

основной недостаток – параметры детектора подвержены значительному влиянию температуры окружающей среды, а также влиянию нестабильности источника питания

4

Функциональная схема транзисторного СВЧ детектора мощности

Тр.1 – СВЧ транзистор, детектирование и усиление СВЧ колебаний;

Тр.2 – НЧ транзистор, согласование выходного сопротивления Тр.1 (эмиттерный повторитель)

β – отрицательная обратная связь по напряжению

Fвх= 50МГц - 1500МГц ∆Ωвых= 50кГц

Основная идея работы схемы:

- на Тр.1 осуществляется детектирование и усиление СВЧ колебаний;

- через цепь отрицательной обратной связи β происходит стабилизация рабочей точки Тр.1 по постоянному току, в результате чего повышается стабильность работы детектора и происходит линеаризация передаточной характеристики.

5

Теоретический анализ транзисторного СВЧ детектора мощности

Система уравнений для потенциалов узловых точек схемы;

Um < 2φт

;~;~

;515

;

;1

;24

2;sin)cos1(

56

555

1

53

0225

4

1013133

502

001

1

UU

UUU

ReiRiU

EU

eiZEiZEU

RR

RUUU

ttmUUU

m

UU

Э

m

U

k

m

T

T

Принципиальная схема детектора

Ik – ток коллектора;io – тепловой ток перехода;

φТ – температурный потенциал;UБЭ – напряжение база-эмиттер;

m1 – поправочный коэффициент;

ωo – частота несущего колебания;Ω – частота модулирующего колебания;

m – индекс модуляции;

Упрощенная модель Эберса-Молла

1

1exp

Т

БЭOК m

UiI

Анализ проводился по входному СВЧ сигналу с гармонической амплитудной модуляцией:

ttmUU mвх 0sin)cos1(

Два разных масштаба времени: T1 = 2π/ω << T2 = 2π/Ω

Для решения системы используется метод «Галеркина».

В качестве базисных функций используются - cosΩt.Решение ищется в виде ряда:

1

)cos()(n

nOвых tnaUtU

6

2. Тангенциальная чувствительность

.21

m13

1m1kTPtg

и

2

3 mR

m

UC TR

T

1. Передаточная характеристика (зависимость амплитуды напряжения первой гармоники на выходе детектора от мощности входного сигнала)

.

2118

22

-1

2112

U2

2T

2

223

ВЫХ(эфф)

mm

mRиP

Pm

m

m

RиUВХ

ВХ

T

Теоретический анализ транзисторного СВЧ детектора мощности

Получены выражения для основных характеристик транзисторного детектора:

.1

31

2m

2

1.65mDквд 3

2 kT

UCm RT

3. Динамический диапазон квадратичного детектирования мощности

Передаточная характеристика(теория)

80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 1060

40

20

0

20

40

60

80

Ðâõ, äÁìÂò

Uâû

õ, ä

ÁìÂ

шум

Ptg

Разработка транзисторного СВЧ детектора мощности

Внешний вид детектора со снятым защитным кожухом Внешний вид детектора в защитном кожухе

Выполнено моделирование работы транзисторного СВЧ детектора мощности (использовался пакет программ “Microwave Office”), в ходе которого исследовались: - передаточная характеристика; - амплитудно-частотная характеристика; - КСВН (коэффициент стоячей волны напряжения по входу детектора); - уровень внутренних шумов. - проведена оптимизация коэффициента передачи цепи обратной связи «β» по критерию максимального значения динамического диапазона квадратичного детектирования

Разработано два опытных образца транзисторного детектора

(в качестве нелинейного элемента в образцах используются биполярный и полевой транзисторы)

Экспериментальное исследование и оптимизация характеристик транзисторного СВЧ детектора мощности

Вид измерительной установкиИзмерение спектральной плотности собственного шума транзисторного

детектора,(анализатор спектра «Agilent MXA»)

Используемые приборы:

- анализатор спектра “MXA” (“Agilent”) - генератор сигналов высокочастотный E8257D (“Agilent”) ,- генератор сигналов низкочастотный SM300 (“Rohde & Schwarz”) - векторный анализатор электрических цепей E5071C (“Agilent”)

Экспериментальное исследование и оптимизация характеристик транзисторного СВЧ детектора мощности

70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 04

3

2

1

0

1

2

3

4B=B_optim (D=49dB)B<B_optim (D=45.5dB)B>B_optim (D=44dB)simulate: B=B_optimsimulate: B<B_optimPtg : B=B_optimPtg : B<B_optimPtg : B>B_optim

B=B_optim (D=49dB)B<B_optim (D=45.5dB)B>B_optim (D=44dB)simulate: B=B_optimsimulate: B<B_optimPtg : B=B_optimPtg : B<B_optimPtg : B>B_optim

Input Power, dBm

Err

or,

dB

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 26

5

4

3

2

1

0

1

2

3

4

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6Measurement Amplitude Response (B=B_optim)

Simulate Amplitude Response (B=B_optim)

Simulate VSWR (B=B_optim)

Measurement VSWR (B=B_optim)

Measurement Amplitude Response (B=B_optim)

Simulate Amplitude Response (B=B_optim)

Simulate VSWR (B=B_optim)

Measurement VSWR (B=B_optim)

Fo, GHz

Fre

quen

cy r

espon

se, d

B

VS

WR

D = 49dB

Ptg = -67dBm

Fcp = 1.35GHz

VSWRmax = 1.7

1. Ошибка квадратичного детектирования, при различных значениях коэффициента передачи цепи обратной связи (измерение, моделирование)

2. Амплитудно-Частотная характеристика, КСВН (измерение, моделирование)

10

Сравнение результатов моделирования, теоретического анализа и экспериментального исследования

11

Сравнение основных параметров современных диодных СВЧ детекторов с параметрами опытного образца

Опытный образецДетекторная камера 8471D фирмы «Agilent

Technologies»

Детекторная камера М33402

Параметр детектора 8174D М33402 Опытныйобразец

Ширина полосы частот СВЧ сигнала (по уровню 3дБ), МГц 2000 5000 1350

Неравномерность АЧХ в рабочей полосе, дБ ±0,3 ±0,5 ±0,7

Тангенциальная чувствительность, дБм -52 -46 -67

Граничная мощность дБм -22 -16 -18

Динамический диапазон квадратичного детектирования мощности, дБ

30 30 49

Температурная нестабильность UВЫХ при ΔТ=100 С % 6,7 8,3 4,4

КСВН по входу детектора не более 1,23 1,4 1,7

12

ВЫВОДЫ:

1. Проведен теоретический анализ работы транзисторного СВЧ детектора мощности. На основе упрощенной модели транзистора «Эберса-Молла», а также используя проекционный метод «Галеркина», была составлена и решена система нелинейных уравнений для основных характеристик детектора. Получены аналитические выражения, описывающие основные характеристики транзисторного детектора.

2. Выполнено моделирование работы транзисторного детектора, где были учтены частотные свойства транзисторов. В ходе моделирования проведена оптимизация цепи ООС по критерию максимального значения динамического диапазона квадратичного детектирования.

3. Осуществлена практическая разработка транзисторного СВЧ детектора мощности. Проведены широкие экспериментальные исследования его основных характеристик.

4. Результаты экспериментального исследования, теоретического анализа и схемотехнического моделирования находятся в хорошем согласии, что говорит о правильности выбранных моделей и методики эксперимента.

5. Использование в составе радиометра транзисторного СВЧ детектора мощности с обратной связью позволяет улучшить характеристики радиоастрономических приемников, в первую очередь по динамическому диапазону

13

СПАСИБО

ЗА

ВНИМАНИЕ !!!