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
Fвх= 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 < 2φт
 U1  U 0  U m (1  m cos t ) sin 0t ;

U 5 R2
U2  U0 
;

R
4

R
2

 Um1 1 

 T  1;
U 3  E  Z 3ik1  E  Z 3i01  e





U 4  E;

 U3mU15 

 U 5  iЭ 2 R5  i02  e T  1  R5;



~

U5  U5  U5;

U 6  U~5 ;



Ik – ток коллектора;
io – тепловой ток перехода;
Упрощенная модель
Эберса-Молла
Принципиальная схема
детектора
 U  
I К  iO  exp  БЭ   1
  Т m1  
Анализ проводился по входному СВЧ сигналу с гармонической
амплитудной модуляцией:
U вх  U m (1  m cos t ) sin 0t
Два разных масштаба времени: T1 = 2π/ω << T2 = 2π/Ω
φТ
– температурный потенциал;
UБЭ – напряжение база-эмиттер;
m1 – поправочный коэффициент;
ωo – частота несущего колебания;
Ω – частота модулирующего колебания;
m
– индекс модуляции;
Для решения системы используется метод «Галеркина».
В качестве базисных функций используются - cosΩt.
Решение ищется в виде ряда:

U вых (t )  U O   an cos( nt )
n 1
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)


m2  

 
RиPВХ  2 
2
U 3 Rи
m


 .

PВХ 1 2
2
2 
m

2 m1T 
m
2
 8T m1 1 
1
 


2
2



2. Тангенциальная чувствительность
Передаточная характеристика
(теория)
m2
1
kT 1m1T
2 .
Ptg 
m1T
C 3U R 3
Rи m
80
60
3.
Динамический диапазон
квадратичного детектирования
мощности
T m1C 3U R 3
1.65m
Dквд 
.
kT 1

m2 
 2 

2


Uâûõ, äÁìÂ
40
20
0
20
шум
40
60
80
75
70
65
60
55
50
45
Ptg
40
35
30
25
20
15
6
Ðâõ, äÁìÂò
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»)
Экспериментальное исследование и оптимизация характеристик
транзисторного СВЧ детектора мощности
1. Ошибка квадратичного детектирования, при различных значениях коэффициента передачи цепи обратной связи
(измерение, моделирование)
4
B=B_op tim (D=49dB)
B<B_op tim (D=45.5dB)
B>B_op tim (D=44dB)
simulate: B=B_op tim
simulate: B<B_op tim
Ptg : B=B_op tim
Ptg : B<B_op tim
Ptg : B>B_op tim
3
2
D = 49dB
Error, dB
1
Ptg = -67dBm
0
1
2
3
4
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Inp ut Power, dBm
2. Амплитудно-Частотная характеристика, КСВН (измерение, моделирование)
4
6
M easurement Amplitude Response (B=B_optim)
Simulate Amplitude Response (B=B_optim)
Simulate VSWR (B=B_optim)
M easurement VSWR (B=B_optim)
3
5
1
4.5
0
4
1
3.5
2
3
3
2.5
Fcp = 1.35GHz
4
2
VSWRmax = 1.7
5
1.5
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
1.7
1.8
1.9
1
2
VSWR
Frequency response, dB
2
5.5
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»
Опытный образец
Детекторная
камера М33402
Параметр детектора
8174D
М33402
Опытный
образец
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
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