Transcript matveev
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