ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Чувствительность диода по току . Она определяется отношением приращения выпрямленного тока в режиме короткого замыкания выходной цепи детекторного диода по постоянному току к мощности входного

сигнала :

,

где – ток в рабочей точке при наличии нагрузки при СВЧ сигнале;

I_КЗ– ток через диод при коротком замыкании.

Для повышения чувствительности по току, которая зависит от выбора рабочей точки, иногда используют прямое смещение диода током I₀=20–50мкА от внешнего источника (рисунок 11).

На частотах до сотен мегагерц максимальную чувствительность по току можно определить по параметрам статической ВАХ диода. На СВЧ сказывается вредное влияние тока барьерной ёмкости перехода, а именно, вызванное этим током падения напряжения на сопротивление r_б уменьшает приложенное к

переходу напряжение. Поэтому чувствительность по току на СВЧ ниже и имеет значение

=1–5 А/Вт для ТКД, =3–10А/Вт для ДБШ.

Выходное сопротивление R_ВЫХ. По сопротивлению в рабочей точке или выходному сопротивлению диоды делятся на низко- и высокоомные. Выходное сопротивление низкоомных диодов составляет 0.2–0.4кОм, а высокоомных – 1–20кОм. Зависимость R_ВЫХ от прямого тока смещения показана на рисунке 11. Как видим, при I₀ 20мкА имеет место приемлемое для согласования диода с усилителем значения R_ВЫХ (примерно 1кОм).

Относительная температура шума t_ш. Качество работы детекторных СВЧ диодов характеризуют относительной температурой шума t_ш. Она равняется отношению мощности шумов данного диода в рабочем режиме к мощности шумов эквивалентного сопротивления при той же температуре и одинаковой полосе частот.

Минимальная мощность, которую можно обнаружить детекторным СВЧ диодом, составляет 10^-8–10^-9Вт. Этот предел определяется шумовыми характеристиками диода и шумами последующего низкочастотного усилителя. Шумы диода состоят из теплового (белого) шума, мощность которого не зависит от частоты, а также частотно-зависимой составляющей, называемой обычно фликкер-шумом. Мощность белого шума

,

где t_Ш – относительная температура шума;

Df – полоса частот усилителя;

k – постоянная Больцмана;

Т – температура диода (в номинальном режиме Т=Т₀=290⁰К (+17⁰С).

При воздействии на диод СВЧ мощности в нём наряду с появлением постоянной составляющей тока I возбуждается шумовой ток . Появление шумового тока связано с тепловыми флуктуациями сопротивления, а также с флуктуациями электронного тока I в диоде.

Собственные шумы диода превосходят шумы чисто активного линейного сопротивления того же значения. Мощность флуктуационных шумов активного сопротивления в диапазоне частот Df определяется соотношением

,

где Т₀ – температура, при которой производится сравнение диода с эквивалентным сопротивлением.

При некоторой более высокой температуре Т₁ шумы эквивалентного сопротивления становятся равными шумам диода (имеется в виду диод в

рабочем режиме):

.

Отношение этих температур и принято называть относительной температурой шума: t_Ш=Т₁/Т₀.

За стандартную температуру принято принимать t_Ш=29K. Обычно t_Ш=2–3. Зависимость t_Ш от I₀ приведена на рисунке 12.

Параметр относительная температура шума t_Ш не имеет размерности и название “температура” является в определенной степени условным.

Коэффициент качества М. Основным параметром одного из видов СВЧ диода – видеодетектора является коэффициент качества диода:

Вт^-1/2, (2)

где R_ВЫХ – сопротивление диода в рабочей точке,

R_Ш – эквивалентное шумовое сопротивление на входе видео усилителя (обычно 1кОм).

На рисунке 12 показана типичная зависимость М от прямого тока смещения . Как видим, при »2 мкА имеется максимум М.

Здесь также приведена зависимость t_Ш от I₀.

Коэффициент качества лучших типов детекторных диодов лежит в пределах от 50 до 100Вт^-1/2.

Коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН)– . Зависимость сопротивления диодов от выпрямленного и постоянного тока, а также от сопротивления по постоянному току нагрузки затрудняет их согласование с СВЧ трактом. Особенно трудно добиться согласования в широком диапазоне частот, так как диод представляет собой комплексное сопротивление, сложно зависящее от частоты. Поэтому важным параметром диода является коэффициент стоячей волны напряжения , характеризующий согласование диода с СВЧ трактом, нагрузкой которого является детекторная секция. Характерное значение =1.3–2. /См. Приложение А/.

Граничная мощность Р_ГР. Детекторные диоды, используемые для измерительных целей, должны иметь широкий диапазон изменения входной мощности, при котором сохраняется квадратичное детектирование. В этом случае не требуется калибровать детекторный диод для измерения коэффициента передачи L (ослабления или усиления) устройств СВЧ, поскольку L=10lg(P_ВХ/Р_ВЫХ)=10lg(I₁/I₂), где I₁ и I₂– выпрямленный ток детекторного диода, соответствующий мощности на входе и выходе устройства СВЧ. Входная мощность, выше которой нарушается квадратичная зависимость тока от мощности, называется граничной Р_ГР. Обычно отклонение характеристики диода от квадратичной в зависимости от типа диода наступает при мощности Р_ГР 50–200мкВт.

Электрическая прочность диодов в области отрицательных напряжений характеризуется нормируемым обратным напряжением U_{НОРМ.ОБР}, (рисунок 13), при котором обратный ток достигает определенного значения, например, для ДБШ I_ОБР=10мкА. Для германиевого ТКД U_{НОРМ.ОБР} 1–3В, для ДБШ U_{НОРМ.ОБР} 3–10В, причём меньшие значения относятся к более высокочастотным диодам, у которых толщина эпитаксиального слоя меньше.

Электрическая прочность диодов в области прямых токов характеризуется энергией "выгорания" – той минимальной энергией W_ВЫГ импульса длительностью не более 10^-8с, после воздействия которого параметры диода необратимо ухудшаются на заданное значение. Обычно W_ВЫГ 10^-8–10^-7Дж, поэтому диоды необходимо защищать от перегрузок, а перед их сменой следует обязательно коснуться рукой корпуса аппаратуры для снятия с тела статического заряда, энергии которого обычно достаточно для вывода перехода из строя в случае разряда через диод.

Допустимая рассеиваемая СВЧ мощность Р_РАС. При работе в непрерывном режиме допустимая рассеиваемая СВЧ мощность Р_РАС для германиевых ТКД составляет Р_РАС 10–40мВт, для кремниевых ТКД и ДБШ Р_РАС 10–100мВт. При детектировании сигналов больших амплитуд детекторные диоды должны обладать более высоким значением напряжения пробоя, что несколько противоречит требованию уменьшения r_б. В этих случаях используются преимущественно ДБШ.

11 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Рассмотрим условное обозначение (маркировку) детекторного СВЧ диода 2А201БВП-2.

Первая цифра означает материал, из которого изготовлен диод: 1 – германий, 2 – кремний, 3 – арсенид галлия (соответственно буквы Г, К, А). Следующая после цифры буква А означает: диод СВЧ. Третий элемент – цифра, указывающая классификационную группу: 1 – смесительный, 2 – детекторный, 4 – параметрический, 5 – регулирующий (переключательный или ограничительный), 6 – умножительный или настроечный, 7 – генераторный. Последующие две цифры указывают номер разработки. Следующая за ним буква А,Б или В означает модификацию по электрическим параметрам. Последняя цифра указывает конструкцию выводов. Например, 2 означает, что выводы ленточные.

12 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ В КАЧЕСТВЕ ДЕТЕКТОРОВ СЛАБЫХ СИГНАЛОВ

Полупроводниковые диоды успешно используются для индикации слабых сигналов. Детектирование осуществляется благодаря нелинейности ВАХ электронного прибора. В полупроводниковых интегральных схемах детектирование осуществляется на СВЧ транзисторах. В тех случаях, когда детекторный диод используется в качестве детектора слабых сигналов, его выходные зажимы соединяются с прибором постоянного тока или входом усилителя низкой частоты или видеоусилителя в зависимости от вида применяемой модуляции. С точки зрения основных характеристик совершенно безразлично, какой индикаторный прибор используется после детектора. Для простоты рассуждений представим себе схему, состоящую из сопротивления нагрузки и прибора постоянного тока, включённых последовательно с детектором. Под действием СВЧ сигнала в цепи нагрузки появляется постоянный ток, величина которого будет зависеть от ВАХ детектора, полного сопротивления источника высокой частоты и сопротивления нагрузки по постоянному току. Если смотреть со стороны выходных зажимов, то детектор действует как генератор тока с определённым сопротивлением.

Различают диодные индикаторы поля трёх видов:

- с непосредственным отсчётом;

- с усиление детектированного сигнала;

- с гетеродинированием.

Рассмотрим первые два вида.

Наиболее простым, хотя и мало чувствительным, является диодный индикатор с непосредственным отсчетом (рисунок 14). Электромагнитное поле наводит в петле, ориентированной соответствующим образом, высокочастотный ток. Этот ток детектируется (рисунок 15) и подаётся на чувствительный прибор, зашунтированный конденсатором С. Размеры петли не должны превосходить половину длины волны. Для повышения чувствительности индикаторов целесообразно усиливать сигнал, получаемый с детекторного диода. Просто и надёжно это можно сделать, если промодулировать амплитуду напряжённости высокочастотного поля. В измерительных схемах часто применяется импульсная модуляция со скважностью 2 (режим меандра) и с периодом порядка 1мс. Сигналы с детекторного диода, имеющие вид прямоугольных импульсов, подаются на усилитель. К выходу усилителя присоединяется индикаторный прибор, показания которого зависят от напряжённости исследуемого поля.

Определим минимальную мощность, которую можно обнаружить, используя схему с прямым усилением детекторного сигнала. Предположим, что детекторный диод работает на квадратичном участке ВАХ, что оправдывается, если токи, проходящие через диод, не превышают20мкА.

На рисунке 16 дана эквивалентная схема детектора слабых сигналов.

Детектор представлен в виде генератора постоянного тока с внутренним динамическим сопротивлением R_ВЫХ. Ток сигнала i, создаваемый детекторным диодом, определяется выражением

(3)

где Р – мощность СВЧ-сигнала, подаваемая на диод.

Напряжение сигнала

, (4)

а напряжение шумов, создаваемое комбинацией эквивалентного сопротивления шумов усилителя R_Ш и сопротивления R_ВЫХ, определяется зависимостью

. (5)

Запишем отношения указанных напряжений:

, (6)

где . (7)

Последнее выражение аналогично формуле (2) при t_Ш=1.

Минимальный уровень мощности, который можно обнаружить по такой схеме, определяется из условия:

. (8)

Если положить , , , то расчёт по формуле (6) дает минимально различимую мощность Р_{РАЗ.МИН}=2,5*10^-8Вт.

При подключении к усилителю осциллографа или самописца можно наблюдать огибающую амплитудно-модулированных и частотно-модулированных сигналов.

13 АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР

Для включения в СВЧ тракт детекторный диод помещают в высокочастотный держатель – детекторную секцию или детектор. Детектор может быть

амплитудным или фазовым. Амплитудным детектором называют устройство, предназначенное для преобразования СВЧ-сигналов в сигналы постоянного тока, т.е. для выделения огибающей колебаний СВЧ. Они являются составной частью фазовых и частотных демодуляторов СВЧ, используются в устройствах контроля и автоматического регулирования уровня мощности, частоты, контроля формы сигналов, а также в широкополосных детекторных приемниках.

Детектор состоит из элемента связи с СВЧ-трактом (согласующего устройства), диода, фильтра нижних частот (ФНЧ) и вывода сигнала на НЧ (рисунок17).

Детектор обеспечивает трансформацию высокочастотного сопротивления диода в сопротивление, равное волновому сопротивлению входной передающей линии. Это необходимо, чтобы избежать нежелательных отражений.

Детекторная секция должна обеспечивать поглощение СВЧ мощности без просачивания её при этом на выходные зажимы.

К амплитудным детекторам предъявляются следующие требования:

­ высокая чувствительность и ее равномерность в рабочей полосе частот;

­ квадратичность характеристики преобразования (при контроле мощности) или линейность (при контроле формы сигналов);

­ хорошее согласование по входу ( );

­ надежность конструкции и удобство в эксплуатации;

­ малые габаритные размеры и масса.

На рисунке 18 представлен коаксиальный вариант амплитудного детектора. Диод 1 ввинчивается в держатель 2, заканчивающийся НЧ разъемом 3.

Другим фланцем диод входит в цангу центрального проводника 4 коаксиала, который закорочен проволочкой 5 на корпус секции 6. Таким образом, замыкается цепь диода по постоянному току, для СВЧ же сигнала проволочка 5 представляет собой большое индуктивное сопротивление. Диэлектрическая шайба 7 СВЧ разъема 8 центирует проводник 4. Поглощающая диэлектрическая вставка 9 препятствует просачиванию СВЧ мощности на НЧ выход 3. Таким образом, диод является нагрузкой СВЧ тракта и поглощает СВЧ мощность, преобразуя её в постоянный ток.

Ранее в детекторах использовались точечно-контактные диоды, выпускаемые и ныне для измерительной аппаратуры; в новых разработках применяются ДБШ.

ФАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР

Назначение фазового детектора (ФД) состоит в получении постоянного тока, пропорционального разности фаз j двух когерентных колебаний СВЧ. Они применяются в фазовых демодуляторах, фазометрах, цепях фазовой синхро- низации систем фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) и т. п.

Рассмотрим принцип действия ФД. Пусть входные колебания U₁ (t) = U₁sin(wt +j) и U₂(t) = U₂sinwt имеют неизменные амплитуды, причем U₂³U₁. Обычно, U₂(t) называют опорным напряжением, U₁(t) –напряжением сигнала. В ФД используется зависимость амплитуды суммы U_S (t) =U₁(t) + U₂(t) когерентных колебаний от разности фаз j между ними:

U_S= U₁²+U₂²+2U₁U₂cosj .

Поэтому фазовые детекторы состоят из сумматора S (схемы сложения) входных колебаний и амплитудного детектора (АД), а общие требования к ним аналогичны требованиям к АД.

Основная характеристика фазового детектора – нормированная амплитудно-фазовая характеристика (АФХ)

U_вых / U_{вых max} = F(j), рад,