(精品)05_第4章_3.pptx

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1、第四章 微波混频器和检波器物理电子学院 贾宝富 教授14.7 微波集成检波器混频器(超外差)类型的接收机能够实现-100 dBm或更高的灵敏度，但是检波器(“视频晶体”)类型的接收机只能达到大约-50 dBm。微波检波器的应用自动增益控制(AGC)微波信号源的自动电平控制(ALC)环路接收机中的常用调幅解调对数检波视频放大器(DLVA)接收机对数示波器，通常用于显示微波滤波器随频率的衰减监测发射机设备的微波功率电平以及调制包络波形测量系统的零信号检测 六端口网络分析仪的功率检波器超宽带接收机虚拟电池2检波的功能原理框图3(a)检波功能原理框图(b)由于调制信号m产生的具有调幅边带的输入RF信号

2、R频谱；(c)理想输出频谱；仅有所谓的视频信号组成4.7.1 检波器的工作原理用于检波的非线性器件 检波用的重要器件是pn结和肖特基势垒二极管，也用Mott二极管、隧道二极管、反向二极管、RTD以及平面掺杂势垒(PDB)二极管。微波检波器原理图4微波检波器工作原理频率为R的入射RF功率Pinc通过一个匹配网络，这样Pinc被在二极管阻抗的电阻部分Rv=Rj+Rs吸收。旁路电容CL短路RF输出电路，并且阻止Pinc进入视频电阻负载RL(这里将变得多余)。一个外部偏置Idc可以加到二极管；RF扼流圈(RFC)提供直流回路，在视频频率m上可以忽略电抗的大隔直电容CB，将Idc与视频放大器隔离。5小信

3、号检波器理论正弦波小信号分析：当外加一小的交流电压V时，二极管的电流可以用Taylor级数展开式中，V0是直流偏压；I0是直流或平均偏流；V是二极管结两端的交流电压。当 ，且忽略高于二阶项时，有式中，c是载波频率；Vp是载波电压幅度。6小信号检波器理论(续)二极管电流包含由外加偏压引起的直流项、c项以及由下式给出的二阶整流项：该项由一个直流分量和一个高频分量组成，它们正比于输入信号的电压平方值，即功率，而直流分量大小通过定标即可表征微波信号功率大小。调制波小信号分析：把下述电压带入电流的 Taylor表达式。并乘以 就可以得到各输出分量的真实幅度。式中，Vs(t)是瞬时信号电压，c是载波频率，

4、Vp是载波电压幅度，m是调制信号频率，m是调制指数，一般为01。7调制波的输入输出频谱：调幅信号解调：(a)输入频谱；(b)假设m=0.5，VP=2.0时的平方律检波器输出频谱8调制波的输出频谱94.7.2 检波器主要技术指标低电平检波器的灵敏度依赖检波效率、输出阻抗和二极管的噪声特性。输入阻抗、带宽依赖于二极管的视频放大器噪声特性，以及RF匹配网络。检波效率由电压灵敏度或电流灵敏度表示。以下的技术指标主要与PN结和肖特基检波器有关。电流灵敏度检波器电流灵敏度的定义为：式中，id是检波器输出端为短路时的检波电流；Ps是加在二极管上的微波信号功率。10电流灵敏度在微波小信号情况下，输入信号电压为

5、Vs，但实际加到二极管结上的电压将受分布参数的影响。如果检波管的Ls，和 Cs足够小，而且电路元件Lp和Cp足够大，加到检波管结上的电压Vj只受到Rs降压和Cj分流的作用。实际加到二极管结上的微波信号是其中，检波输出的电流为其中，。11电流灵敏度（续）考虑到Rs的影响后，二极管整流出的短路直流为二极管吸收的微波信号功率是式中，Yd是二极管对微波信号的导纳；Vs是外加微波信号电压幅度。根据定义，检波器电流灵敏度i又称短路电流灵敏度，其表达式如下式所示，单位为AW。12电压灵敏度检波器的电压灵敏度定义为式中，VL是检波负载电阻上的电压：Ps是加在二极管上的微波信号功率。根据短路电流灵敏度可以算出负

6、载电阻RL近似为无限大时的开路电压灵敏度v0；13电压灵敏度(续)负载RL不是无限大时，实际电压灵敏度v是当RsR j时，电压灵敏度近似为电压灵敏度v的单位是mV/W。14视频电阻检波器的视频电阻是二极管对低频信号，即检波器输出的视频信号所呈现的阻抗。当把二极管作为检波器使用时，视频电阻就是后级放大器输入阻抗的设计依据。应使后级视频放大器输入端与检波器视频电阻呈现最佳匹配。在较低的视频情况下，二极管视频电阻可以近似为：常用的检波二极管视频电阻在零偏置附近时大约是13 K。15品质因数对于小信号检波的情况，在检波器后面通常要加低频放大器。检波器的品质因数是反映探测接收机的灵敏度与噪声特性的参数。

7、对于半导体检波器的品质因数或称Q值定义为：或者式中，v是电压灵敏度；i是电流灵敏度；Rv是检波管视频电阻；Ra是检波器后级放大器的等效噪声电阻。16最小可检测功率由于检波二极管的噪声，使检波器可检测的最小信号受到限制。当被检测信号输出电压等于二极管噪声等效电压时，检波器输入端的被测信号功率就是最小可检测功率。检波管的噪声有电阻热噪声、电流散弹噪声和闪烁噪声。电阻热噪声电阻热噪声是由电阻Rs产生，由下式给出：式中，f为频带宽度。电流散弹噪声电流散弹噪声电压由下式给出：17最小可检测功率（续1）闪烁噪声闪烁噪声随1/f变化，可近似表示为式中，fL是测量带宽f的频率下限；A是由二极管闪烁噪声决定的常

8、数，取决于二极管质量。当闪烁噪声等于结电阻上散弹噪声时的频率称为拐角频率fc，并且I0很小时，近似得代入上式得18最小可检测功率（续2）后级放大器引入噪声实际应用中，小信号检波器的后级放大器也引入噪声，放大器等效噪声电阻为Ra时，放大器产生的热噪声为 综合上述4项噪声来源，可得放大器后面输出总噪声为式中，等效电阻R为19最小可检测功率（续3）检波以后的信号电压经放大器放大后为从而得到检波系统的电压信号噪声比为当闪烁噪声很小时有 由于二极管优质因数是 ，I0=0时有20最小可检测功率（续4）代入式(4.110)得当信噪比为1时的信号功率就是最小可检测功率Psmin，即由式(4.113)可见最小可

9、检测功率主要取决于检波器的品质因数Q和工作带宽f。21正切信号灵敏度(TSS)切线灵敏度常用英文缩写TSS表示，有时直译为正切灵敏度。它被定义为骑在检波电压输出VL上负噪声峰值等于无信号时的正噪声峰值对应的功率。当被测微波信号为方波调制信号或是矩形高频脉冲信号时，检波输出电压波形如图445所示。22在噪声峰值相切的情况下，电压之间的关系是式中，Vnp是噪声电压峰值；Vn是峰值所对应的电压有效值。根据电压灵敏度的定义上式可写成，正切信号灵敏度(TSS)（续）当二极管闪烁噪声不大时，上式中的Ps就是切线灵敏度所对应的功率，简称切线灵敏度TSS：近似的切线灵敏度为切线灵敏度大约是最小可检测功率的28

10、倍，用分贝表示近似值是4dB。23动态范围与烧毁能量检波器在输入信号很小时，检波特性呈平方律曲线。也就是说，输出电压正比于输入电压的平方，即正比于输入功率。当输入功率增大时，检波器呈线性工作状态，输出电压正比于输入电压。检波输出电压与输入微波功率的关系曲线如图446所示。24压缩点动态范围与烧毁能量（续）平方律检波区和线性检波区的转变点通常称为压缩点，见图446中的A点。增加直流偏置可以提高压缩点来扩展平方律检波特性范围。检波信号功率大于切线灵敏度TSS、小于压缩点这两者之问的功率范围称为动态范围。随着工作偏流的增加，压缩点提高，。TSS也升高。但由于压缩点提高得更快，所以动态范围有所增加。当

11、输入微波功率增大到二极管上的反向偏压达到击穿点时，反向电流出现，它将抵消一部分正向检波电流，使输出电压下降，这就是饱和现象的原因。见图446中曲线B点以上的弯曲线段，输入信号功率进一步增强，过大的电流损耗将使二极管结温上升。由于检波管结面积较小，通常直径为120 m，过高的功率密度将使二极管烧毁。二极管能承受的最大电过载能量称为抗烧毁能量，单位常用尔格，也有的检波器抗烧毁能力用所承受的最大脉冲功率来表示，这是由于用脉冲进行抗烧毁能力测量，在工程实用上比较方便。这时往往要同时注明烧毁时的脉冲功率、脉宽和重复频率。254.7.3 检波器电路高灵敏度窄带检波器这种检波器采用匹配电路把二极管阻抗变换至

12、50Q，这些匹配电路都属于无损耗电抗网络，所以必然是窄带检波器(典型带宽小于1 0)，在窄带宽范围内可获得高灵敏度和低驻波比。26宽带检波器作为通用的微波检测部件时，需要使用倍频程以上的宽频带检波器。用大失配的设计方法可以获得倍频程量级的检波，这时灵敏度将大大降低，输入驻波比也较大。此外，由于VSWR很高，检波器对信号源阻抗的变化很敏感。一种宽频带检波器采用有损电路，即在检波管之前并联一个阻值为50 左右的电阻RM。电路原理如图447所示。27宽带检波器(续1)通常检波管在工作频率上的阻抗都比较高，所以从图447的A面向右视入阻抗很接近50 。再经过适当的匹配电路即可获得几个倍频程带宽的检波器

13、。在全频带内驻波比接近1，灵敏度也平坦。但主要缺点是灵敏度可能要下降一两个数量级。改变电阻RM可以对频带宽度和灵敏度两个指标进行折衷设计。为了获得多倍频程的检波器，要考虑采用较复杂的补偿电路。检波二极管在弱信号时输出电流的直流分量与输入电压成平方关系，但在Ls和Cj构成的串联谐振时，在二极管结上出现很大的谐振电压，使检波管阻抗降低。这些因素都造成灵敏度与驻波比的大幅度变化。图448给出了一种较好的补偿电路。在谐振频率附近，并联支路的匹配电阻RM和补偿电感Lc构成分流，而串接的补偿电阻Rc将有一定降压，从而保持全频带内的灵敏度和驻波比的均匀度。28宽带检波器(续2)将此种补偿后的检波管再经过适当

14、的匹配电路可获得性能很好的宽频带检波器。各种补偿元件和匹配电路需要用计算机辅助设计软件进行优化设计。29检波二极管等效电路串联补偿电阻并联补偿电感和电阻温度补偿检波器微波检波器灵敏度和平方律特性都直接和反向饱和电流Is以及理想系数n有关，根据检波电流公式可知，温度改变必将使检波特性有相当大的漂移。温度增加时，正向导通降低，方向电流加大。为改善温度特性，可以采用恒温，但恒温电路复杂，只在作为功率指示器要求严格的情况下采用。另一种方法是采用温度补偿电路，如图449所示。图中D1是检波管，D2是作为温度补偿用的二极管。D2的特性和放大器工作点调配合适时可获得较好的互补偿作用。必要时再加恒温装置可得到

15、更好效果。30检波管补偿管毫米波微带检波器图450是一个Ka频段微带检波器的电路图，该检波器可直接检测Ka频段毫米波信号功率大小，输出直流信号。整个电路主要由波导到微带的过渡、输入阻抗匹配网络和低通滤波器三部分组成，在匹配网络和低通滤波器之间加装检波二极管，其整体电路形式如图450所示。31波导-微带转换毫米波微带检波器（续）在检波器的设计中，为了获得较高的检波灵敏度，其一是选用高灵敏度的检波管，其二是设计良好的匹配电路。在检波二极管选定后，输入匹配网络的好坏将直接影响驻波的大小和检波灵敏度的高低。在图450中，检波管的相对位置，即检波管与高低阻抗滤波器第1节高阻线之间的50 微带线的长度L对

16、检波灵敏度的影响非常32 大，可通过仿真优化确定L的值。该检波器信号由8mm标准矩形波导口输入，通过SMA头输出，整个电路制作在 Duriod 5880基片上，基片厚度为0.254mm，介电常数为2.22，腔体材料为硬铝，加工后的实物外形如图4.5 1所示设计举例：宽带检波器设计一个61 2 G H z平面检波器设计步骤：1选择二极管。对高灵敏度检波电路，一般要求二极管的截至频率大于最高工作频率的10倍。即根据上面的思路，选择根据，假设，Rs的典型值为15，利用公式 算出Cj33设计举例：宽带检波器（续1）由于是宽带应用，取2二极管阻抗。因为要求倍频程，二极管与一个由四分之一波长开路辐射短截线

17、形成的低Q阻抗并联。这样形成了与频率有关的Z1的轨迹，如图所示。一个小电流偏置()提高了二极管阻抗的实部，这样改善了匹配；见Z2的轨迹。34设计举例：宽带检波器（续2）3匹配电路。将Z2匹配到5 0 ，需要以下步骤：使用了在9 G H z时 Z0=8 5 和电长度为44度的一段串联线将Z2转到使导纳Y3在边带等于电纳。一段短路截线用来降低边带电纳至接近零。所需短截线阻抗是一串联线在频带内补偿VSWR。特性阻抗为43 ，以及电长度为90度。(在9GHz)的短截线 如图1111所示的Z5阻抗轨迹。频带内反射系数幅度l l0.44(VSWR26)。35设计举例：宽带检波器（续3）36设计举例：宽带检波器（续4）37