III Пулковская молодежная астрономическая конференция – 2010

«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

СПб - 2010

1

Цель работы

:

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

Функциональная схема радиометра Передаточная характеристика радиометра Тх, Тг – точки калибровки

2

Роль детектора в формировании передаточной характеристики радиометра В общем случае калибровка радиометра производится по двум точкам (Тх, Тг), поэтому для точного измерения яркостной температуры источника сигнала важна линейность передаточной характеристики радиометра Основным элементом в составе радиометра вызывающим искажения сигнала и определяющим величину динамического диапазона является квадратичный детектор 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

3

Функциональная схема транзисторного СВЧ детектора мощности

F вх= 50МГц - 1500МГц ∆Ωвых= 50кГц

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 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.

4

Теоретический анализ транзисторного СВЧ детектора мощности Система уравнений для потенциалов узловых точек схемы; Um < 2 φт

            

U

 

U

3 1  

U E

0

U

  2

U



Z

3

i k

1

m

(

U

0 1 

U

5 

i Э

2

R

5

U

5 

U U



i

6 4  02 

E

  5

m R



U

4

Z

5

R

2  3

i R

01   2

e

;

U

1 

T m

1

e E U

3 

U



T m

1 5  cos 5 ;

U

; 5 ; 

t

 ) 1 sin    0

R

5 ;

t

; 1   ;

I k –

ток коллектора;

i

o

–

тепловой ток перехода;

φ

Т

U

БЭ

–

температурный потенциал;

–

напряжение база-эмиттер;

m1

–

поправочный коэффициент; ω o

–

частота несущего колебания; Ω

–

частота модулирующего колебания;

m

–

индекс модуляции;

Упрощенная модель Эберса-Молла

I

К 

i

O     exp    

U

БЭ Т

m

1     1   

Анализ проводился по входному СВЧ сигналу с гармонической амплитудной модуляцией:

U вх



U m

( 1 

m

cos 

t

) sin

Принципиальная схема детектора

 0

t

Два разных масштаба времени: T1 = 2π/ω << T2 = 2π/Ω Для решения системы используется метод «Галеркина». В качестве базисных функций используются Решение ищется в виде ряда:

U вых

(

t

) 

U O



n

   1

a n

cos(

n



t

)

cos Ωt.

5

Теоретический анализ транзисторного СВЧ детектора мощности

Получены выражения для основных характеристик транзисторного детектора: 1.

Передаточная характеристика

(зависимость амплитуды напряжения первой гармоники на выходе детектора от мощности входного сигнала)

U ВЫХ(эфф)  2

U

 3

Rи m

1 

T

 2

m

1 

m

2 2

P ВХ

    1  -

RиP ВХ

  2  8   T

m

1  2   1 

m

2 2

m

2 2         .

 2. Тангенциальная чувствительность Ptg  kT  1m1 

T

m1 

T C

3

U R

3 1 

m

2

R

и

m

2 .

3. Динамический диапазон квадратичного детектирования мощности Dквд  1.65m

  2  m 2 2   

T m

1

C

3

U R

3

kT

 1 .

Передаточная характеристика (теория)

80 60 40 20 0 20 шум 40 60 80 75 70 65 Ptg 60 55 50 45

Ðâõ, äÁìÂò

40 35 30 25 20 15

6

10

Разработка транзисторного СВЧ детектора мощности 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)

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

Экспериментальное исследование и оптимизация характеристик транзисторного СВЧ детектора мощности Используемые приборы:

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

Вид измерительной установки Измерение спектральной плотности собственного шума транзисторного детектора , (анализатор спектра «Agilent MXA»)

3

Экспериментальное исследование и оптимизация характеристик транзисторного СВЧ детектора мощности

4

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

1 2 3 2 1 0

D = 49dB Ptg = -67dBm

4 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 Inp ut Power, dBm

2. Амплитудно-Частотная характеристика, КСВН (измерение, моделирование) 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1 1.1

Fo, GHz

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

5

1.7

1.8

1.9

0

6 5.5

5 4.5

4 3.5

3 2.5

2 1.5

2 1 Fcp = 1.35GHz

VSWRmax = 1.7

Сравнение результатов моделирования, теоретического анализа и экспериментального исследования

10

Сравнение основных параметров современных диодных СВЧ детекторов с параметрами опытного образца

Детекторная камера 8471D фирмы «Agilent Technologies »

Параметр детектора

Детекторная камера М33402 Ширина полосы частот СВЧ сигнала (по уровню 3дБ), МГц Неравномерность АЧХ в рабочей полосе, дБ

8174D

2000 ±0,3 Тангенциальная чувствительность, дБм Граничная мощность дБм Динамический диапазон квадратичного детектирования мощности, дБ Температурная нестабильность

U

ВЫХ при ΔТ=10 0 С % КСВН по входу детектора не более -52 -22 30 6,7 1,23 Опытный образец

М33402

5000 ±0,5 -46 -16 30 8,3 1,4

Опытный образец

1350 ±0,7 -67 -18 49 4,4 1,7 11

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 12

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !!!

13