крутизна и линейность которой зависят от соотношения амплитуд колебаний, режима работы амплитудного детектора и схемы фазового детектора.

Простейшая небалансная (однотактная) схема ФД с сумматором S на синфазном кольцевом делители мощности приведена на рисунке 19.

U₁(t) S

U _SU_вых

U₂(t)

Рисунок 19 - Структурная схема небалансного фазового детектора

АФХ такого ФД изображена на рисунке 20. В режиме квадратичного детектирования АД ( U_вых ~ U²_S при U_S £ £ 0,2..0,3 В) АФХ представляет собой косинусоиду 1 (для случая U₁ < U₂) и косинусоиду 2 (для случая U₁ = U₂ ).

Рисунок 20 - АФХ фазового детектора

15 ИЗУЧАЕМАЯ КОНСТРУКЦИЯ

15.1 Конструкция детекторного СВЧ диода

Изучаемый диод является серийным диодом Д403Б, имеет конструкцию, рассчитанную на включение в волноводный тракт. На рисунке 21 показан разрез детекторного диода: 1 –металлическая игла; 2 – кристалл полупроводника; 3 –керамический корпус; 4 – металлические фланцы – выводы. Вследствие малой междуэлектродной емкости такой диод может с успехом использоваться на частотах вплоть до десятков гигагерц.

15.2 Конструкция волноводного амплитудного детектора

Волноводный амплитудный детектор (рисунок 22) представляет собой отрезок волновода 1 с фланцем 2, дающий возможность присоединить детектор к волноводному тракту, торцовой стенки 3, двух втулок 4, припаянных к широким стенкам волновода и устройством для крепления диода. Втулка 4 имеет резьбу, что даёт возможность фиксировать положение пробки 5 при завинчивании

гайки 6. Пробка 7 удерживает резьбой диод 8, прижата гайкой 9 и обеспечивает электрический контакт между диодом и массой волновода. Второй фланец диода входит в цангу 10, которая изолирована от волновода

шайбой 11 и 12. Гнездо 13 служит для соединения детекторной секции с прибором (индикатором). 14 – поглотитель просачивающейся за диод мощности.

Таким образом, детекторный СВЧ диод устанавливают параллельно узкой стенке волновода вдоль электрических силовых линий в максимуме электрического поля.

Согласование детекторной секции с внешним трактом достигается подбором положения диода относительно торцовой стенки (или поршня). Так, при перемещении диода в поперечном сечении волновода меняется активная составляющая проводимости, вносимой диодом, а при перемещении задней стенки меняется реактивная составляющая. Расстояние между диодом и торцовой стенкой подбирается так, что реактивности диода и торцовой стенки компенсируют друг друга. Поскольку реактивная составляющая проводимости, вносимой диодом, мала, то это расстояние близко к .

16 ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Для экспериментального изучения физического принципа действия детекторного диода и его характеристик используется лабораторная установка, структурная схема которой приведена на рисунке 23.

На этом рисунке обозначены:

G1 – генератор сигналов высокочастотный Г4-114;

Р1 – измеритель отношений напряжения В8-6;

Р2 – блок индикаторный Я2М-69 ваттметра М3-42;

Р3 – линия измерительная Р4-29;

РА1 – измерительный прибор М82;

А1 – изучаемый волноводный детектор;

W1 – вентиль ферритовый Э6-45;

W2 – аттенюатор волноводный постоянный 10дБ;

W3 – переключатель волноводный;

W4 – полупроводниковый преобразователь ПП-03 ваттметра М3-42;

XW1 – переход волноводный с сечениям 11 5,5мм на 16 8мм;

XW2– волновод прямоугольный сечением 17 8мм;

XW3– переход волноводный с сечения 17 8мм на сечение 16 8мм;

Х1,Х2 – штеккеры;

А,В– кабели соединительные;

Б – провода соединительные.

Сигнал от генератора G1 поступает через ферритовый вентиль W1, обеспечивающий необходимую развязку между СВЧ трактом и генератором, в измерительную линию Р3. Измерительная линия используется для измерения КСВН, характеризующего степень согласования детекторной секции А1 с основным трактом. Поскольку сигнал, поступающий с зонда измерительной линии, мал, используется селективный измерительный усилитель Р1. Измерения КСВН проводятся в режиме амплитудной модуляции генератора СВЧ. При работе с измерительной линией усилитель должен быть настроен на частоту модуляции СВЧ-сигнала.

С помощью волноводного переключателя W3 сигнал, идущий от генератора, может поступать либо в ваттметр Р2 (положение 1), либо в детекторную секцию А1 (положение 2). Индикатором детектора служит стрелочный прибор РА1. Мощность измеряется ваттметром Р2 в режиме непрерывной генерации.

Аттенюатор W2 понижает уровень мощности в тракте, чтобы обеспечить квадратичный режим работы детекторного диода.

18 УКАЗАНИЕ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ

ВНИМАНИЕ!

При подготовке рабочего места и выполнении работы необходимо руководствоваться правилами, изложенными в «Инструкции по технике безопасности для студентов при работе в учебной лаборатории».

Изучить раздел «Указание мер безопасности» в «Техническом описании и инструкции по эксплуатации » (ТО и ИЭ) к каждому прибору, входящему в установку, и руководствоваться им при работе.

18 ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ

Ознакомиться с прибором по «ТО и ИЭ». Включить приборы в сеть и подготовить их к работе согласно инструкциям.

Генератор должен работать сначала в режиме внутренней модуляции, т.е. переключатель РЕЖИМ ГЕНЕРАТОРА необходимо поставить в положение ВНУТР. МОД.

19 ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

ВНИМАНИЕ! Следите, чтобы в процессе измерений стрелка прибора М82 не выходила за пределы шкалы. Пользуйтесь переключателем пределов.

Убедиться, что переключатель прибора М82 стоит в положении 0,15мА, ручка УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ находиться в крайнем левом положении, что соответствует частоте 16,48ГГц. Измерительная линия настроена на эту же частоту.

Для того чтобы провести измерения, необходимо проделать следующее:

- нажать кнопку НГ РЕЖИМА ГЕНЕРАТОРА;

- поставить переключатель УСТАНОВКА ГЕНЕРАЦИИ в положение;

- поставить волноводный переключатель W3 в положение1;

- установить на генераторе максимальную выходную мощность, выставив деление 45 ручкой МОЩНОСТЬ;

- настроить генератор по ваттметру на максимальную выходную мощность ручкой УСТАНОВКА ГЕНЕРАЦИИ ПЛАВНО;

- измерить уровень мощности, поступающей в ваттметр (порядка 300 мкВт);

- нажать кнопку ВНУТР;

- измерить КСВН В тракте, нагруженном на ваттметр;

- поставить волноводный переключатель W3 в положение2;

- измерить КСВН в тракте, нагруженном на детекторную секцию;

- нажать кнопку НГ;

- настроить генератор ручкой УСТАНОВКА ГЕНЕРАЦИИ ПЛАВНО на максимальную мощность;

-измерить зависимость тока диода от мощности сигнала, подавая последовательно с помощью волноводного переключателя сигнал, то на детекторную секцию, то на ваттметр;

- выключить приборы по окончании работы.

20 УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ

При оформлении результатов необходимо выполнить сле­дующее:

а) Рассчитать по формуле (6) минимальный уровень мощности, который можно обнаружить детекторным диодом, для схемы с прямым усилением для параметров, взятых из таблицы (номер указывает преподаватель).

Таблица 1 Данные для расчета минимального уровня мощности

Номер задания
	1,20	1,15	1,10	1,05	1,00	0,95	0,90	0,85	0,80	0,75
	1,40	1,44	1,48	1,52	1,56	1,60	1,64	1,68	1,72	1,76

б) Вычислить полную мощность, отдаваемую в тракт генератором, с учетом КСВН в тракте

где – мощность падающей (от генератора) волны;

– мощность, выделяемая в потребляющем устройстве (ваттметре);

– КСВН в тракте, нагруженном на ваттметр.

в) Вычислить величину мощности, поступающей на детекторный диод, с учетом КСВН в тракте

где определяется по предыдущей формуле,

– КСВН в тракте, нагруженном на детекторную секцию.

г) Построить график зависимости тока диода от мощности, поступающей на диод:

д) Рассчитать максимальную токовую чувствительность (отношение тока детектора к мощности, вызвавшего этот ток) в [А/Вт].

21 УКАЗАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать:

а) все пункты задания;

б) структурную схему лабораторной установки;

в) результаты работы, представленные в виде таблиц, графиков и расчетов;

г) выводы по работе и оценку полученных результатов (письменно).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Для чего предназначается детекторный диод?
2. Какие диоды используются для детектирования?
3. Какие физические процессы происходят на границе металла с полупроводником?
4. Вольт-амперные характеристики различных типов диодов?
5. В чём выражаются нелинейные свойства диодов?
6. В каком случае можно представить диод в виде эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами?
7. Как оцениваются выпрямляющие свойства диода?
8. Условие эффективной работы диода.
9. Основные параметры детекторного диода.

10.Схема индикации слабых сигналов.

11.Условие минимально различимой мощности.

12.Что такое амплитудный детектор?

13.Какова конструкция изучаемого диода и детекторной секции?

14.В чём заключается методика измерений?

15.Объясните график и результаты расчёта.

16.Объясните принцип работы измерительных приборов, входящих в установку.

Приложение А

Коэффициент стоячей волны напряжения

При распространении энергии от генератора к нагрузке часть энергии отражается от нагрузки. Результирующее распределение напряжения вдоль линии получается при суммировании высокочастотного напряжения падающей (U_ПАД) и отражённой (U_ОТР) волн. В линии устанавливается режим стоячей волны. Отношение максимального значения напряжения стоячей волны U_МАКС к минимальному напряжению U_МИН, называется коэффициентом стоячей волны по напряжению (КСВН) и обозначается :

.

КСВН является доступным для измерения параметром и может быть непосредственно определён, например, с помощью измерительной линии. U_МАКС и U_МИН – показания индикаторного прибора, соответственно при положениях зонда в максимуме и минимуме напряжения стоячей волны в линии.

Учитывая, что характеристика детекторного диода при малых токах (порядка 100мкА и менее) является квадратичной, практически следует пользоваться формулой .

Величина КСВН связана с величиной коэффициента отражения Г следующим образом

.

Пределами изменения КСВН является 1 и поскольку величина может

изменяться в пределах от 0 до 1. Полному отражению от нагрузки соответствует бесконечно большая величина КСВН. Режим идеального согласования с нагрузкой характеризуется величиной КСВН, равной 1.

Обеспечение согласования в линиях передачи является одной из наиболее

распространенных и важных задач в технике СВЧ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гинзтон Э.Л. Измерения на сантиметровых волнах /Под ред. Г.А.Ремеза, - М.:Издательство иностранной литературы, 1960. -620 с.
2. Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах: Справочное руководство. – М.:Государственное издательство физико-математической литературы, 1963.-367 с.
3. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов, ­3-е изд., перераб. и допол. -М.: Высшая школа, 1981.-431 с.­­­­
4. Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот: Учебное пособие для вузов- М.: Атомиздат, 1980.- 464 с.
5. Дулин В.Н. Электронные приборы: Учебник для студентов, обучающихся по специальности «Радиотехника». - М.: Энергия, 1977.- 464 с.
6. Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы: Характеристики, применение, тенденции развития. – М.: Радио и связь, 1981.- 272 с.
7. Специальный физический практикум, ч.3. – М.:Издательство Московского университета, 1977. – 272 с.
8. Электронные приборы СВЧ: Учебное пособие для вузов по специальности «Электронные приборы» /Березин В.М., Буряк В.С., Гутцайт Э.М., Марин В.П. – М.: Высшая школа, 1985. –296 с.
9. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи / Л.Г.Гассанов, А.А.Липатов, В.В.Марков, Н.А.Могильченко. – М.: Радио и связь, 1988. –288 с.