（物理电子学专业论文）直接检波式毫米波接收前端的研究.pdf

摘要 摘要 本论文是中国电子科技集霞公司第十研究的一个预研顼譬。论文主要研究的 内容是，通过理论分析、建模仿真、实物测试等环节研究出一种大动态直接检波 式毫米波接收前端。 接收前端一般可分为超外差式和直接检波式，与超外差接收机相比，直接检波 式接收机其有系统噪声低、不需要本振、直流功耗低和结构简攀等优点。同时， 直接检波式接收机也有囱身的缺点，它的灵敏度一般比超外差式接收机低3 5 d b 4 0 d b 。因此，如何来提高直接波式接收机的灵敏度、动态范围一直是研究的热点， 这也是本文研究的主要内容。这样，离灵敏度检波器、大动态平方律检波器将是 本文研究的重点，也是基础；在完成高灵敏度检波器、大动态平方律检波器的研 究后，将利用它们完成双通道直接检波式接收前端的研究，从而使整个接收前端 实现5 0 d b 以上的工作动态范围，这种实现大动态工作范围的方式也是本文的创新 之处。 本文第一章为绪论，第二章介绍毫米波肖特基二极管理论，第三章介绍毫米 波检波器理论和设计，第四章介绍双通道直接检波式毫米波接收前端的设计。 在通过理论分析、建模仿真、实物测试等环节后，本文的直接检波式毫米波 接收前端达到了预期指标，并且具有灵敏度高、直流功率低和结构简单等优点。 关键词：毫米波、接收前端，检波器，大动态，嵩灵敏 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i s 文s s e 纛鑫i i sab e 董碱l 鑫藏dr e s e a r c h f u li t e mo ft h el 萨i n s t i t u t eo fc h i n a e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yg r o u pc o r p o r a t i o n t h r o u g la c a d e m i ca n a l y s e 、m o d e ls i m u l a t i o n 、 p r a c t i c a lt e s t ，t h i sd i s s e r t a t i o ni st oo b t a i nt h ef e a s i b l em e t h o do f aw i d e d y n a m i c r a n g e d i r e c td e t e c t i o nm i l l i m e t e r - w a v er e c e i v e rf r o n t - e n d 。 t h er e c e i v e ri n c l u d e s ：h e t e r o d y n er e c e i v e ra n dd i r e c td e t e c t i o nr e c e i v e r c o m p a r e d 、析mh e t e r o d y n er e c e i v e r t h ed i r e c td e t e c t i o nr e c o v e rh a sm a n ya d v a n t a g e s ， f o re x a m p l e ，s i m p l i c i t y 、n o tn e e dl o c a lo s c i l l a t o r 、u s eal i t t l ep o w e ra n de t c ，b u t , i t s t y p i c a l l y3 5 4 0d bl e s ss e n s i t i v et h a nah e t e r o d y n er e c e i v e r 。s ot h ek e y s t o n eo ft h i s d i s s e r t a t i o ni sh o wt oi n c r e a s et h es q u a r e - l a wd y n a m i cr a n g ea n dt h es e n s i t i v i t yo ft h e d i r e c td e t e c t i o nr e c e i v e r t h eb a s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st or e s e a r c ht h ed y n a m i cr a n g e a n d s 躐s 主耄主惦移a b o u tt h ed e t e c t o r ；t h e n ，谢也t h ed e t e c t o r s ，t h es q u a r e - l a wd y n a m i c r a n g eo ft h er e c e i v e rf r o n t - e n dc a nr e a c h5 0 d b ，a n dt h i sa l w a y si st h ei n n o v a t i o no ft h i s d i s s e r t a t i o n c h a p t e rl i st h ep r o l e g o m e n o n ；c h a p t e r2i n t r o d u c e st h et h e o r yo ft h es c h o t t k y d i o d e ；c h a p t e r3i n t r o d u c e st h et h e o r ya n dt h ed e s i g no ft h em i l l i m e t e r - w a v ed e t e c t o r ； a n dt h el a s tc h a p t e ri n t r o d u c e s t h ed e s i g no ft h ed o u b l e c h a n n e ld i r e c td e t e c t i o n m i l l i m e t e r - w a v er e c e i v e rf r o n t e n d t h r o u 曲a c a d e m i ca n a l y s e 、m o d e ls i m u l a t i o n 、p r a c t i c a lt e s t , t h ed i s s e r t a t i o nr e a c h i t sp r e c o n c e r t e dp u r p o s e k e y w o r d s ：m i l l i m e t e rw a v e r e c o v e rf r o n t e n d ，d e t e c t o r ，w i d e d y n a m i c r a n g e ，h i g h s e n s i t i v i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导筛指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书丽使用过的材料垂 与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 么 签名： 受塞。e t 期：铆慕年多胃霉 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部| 、l 或桃构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阕和借阙。本人授投电子科技大学可以将学位论文 麓全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 重量：。导师签名：堑盛蔓 匿期：劲岩年多男万e t 第一章绪论 。 毫米波及其特点 第一章绪论 1 8 6 4 年麦克斯韦( m a x w e l l ) 用组方程概括了前人关于电磁理论的全部知识， 预言了电磁波的存在，1 8 8 7 年赫兹( h e r t z ) 用实验实现了电磁波的辐射、传播和 接收，从两开拓了从低频到微波、到光波、到x 射线整个电磁频谱资源。以后1 0 0 年里，电磁频谱的各个频段逐步得到开发和利用。通常，把电磁频谱分为长波、 中波、短波、超短波、微波、毫米波、贬毫米波、红夕卜和光波，其对应的频率如表 f 1 1 ) 所示“。 表( 1 1 ) 电磁频谱的划分 名称长波中波短波超短波微波毫米波旺毫米波 频率 1 5 l o o 戳 z1 0 0 m1 5 0 0 k l zl 。s 3 蕊 l z3 0 3 0 蕊啜zo 。3 3 0 g l z3 0 3 0 0 g 鞋z0 。3 3 t h z 微波频段并没有一个严格的界限。通常，微波是指1 - - - 3 0 g h z 的厘米频段，其 波长为3 0 c m 至l c m 。把波长介于1 l o m m 的一段电磁频谱称为毫米波段，它所对 应的频率范围为3 0 - - 一3 0 0 g h z 。波长从l m m 至3 0i lm 称为亚毫米波段。但一些豳际 会议也把毫米波和亚毫米波统称为毫米波段。 在电磁频谱中，毫米波介于微波和光波之间，低端与微波相连，而高端则和 红外、光波相接，其领域兼容微波、光波两门技术学科的理论和技术，并逐渐发 展成为一门知识密集和技术密集的综合性分支学科，它的发展也必然同时为信息 科学、微电子技术、大气物理和材料科学等方面的研究提供重要手段，从而进一 步促进这些学科的发展。 毫米波的发展由其本身的固有特点所确定。短波长，宽频带以及与大气的相 应作用，是促进毫米波发震的三个基本因素。在毫米波频段，电磁麓量在大气中 传播时与大气中气体、悬浮微粒以及含水物质的相互作用要比微波能量与它们的 相互作用强的多，这些相互作用通过三种机理，即吸收、散射和折射产生。 毫米波的大气传输特性，决定了各频率的用途。毫米波频段有四个低损耗大 气“窗口 i l l , 见图卜l ，它们的中心频率在3 5 ，9 4 ，1 4 0 和2 2 0 g h z 附近，其对应 波长分别为8 6 ，3 2 ，2 1 和1 4 m m ，一般地面与卫星通信系统大都工作于这些“窗 霹频率，其可用带宽分别为1 6 ，2 3 ，2 6 和7 0 g h z ，任何一个毫米波“窗隧的 电子科技人学硕七学位论文 可用带宽几乎都可以把包括微波频段在内的所有低频频段容纳在内。这些带宽特 性，在雷达中可用窄脉冲和宽带调频技术获得目标的细部特征。在通信系统中能 传送更多的信息，大大拓宽已十分拥挤的通信频谱，为更多用户提供甄不干扰的 通道。宽带特性也能为各种系统提供高质量的电磁兼容特性。同样，对应的中心 频率为2 2 ，6 0 ，1 2 0 和1 8 3 g h z 这些大气高衰减区频段成为保密通信的首选工作频 率。 波长瘫米 一 i ，、 飞一 ；参 r 铽 k- ， r 气： f1 扎“ 。 。 二 h 。 fn _ _ 一一 气 k 糸 爿c _ 。 l 氛 鬟 一 j 。“ _ ， l 采 频率g h z 圈1 - 1 毫米波酶大气衰减特性 相对于微波，毫米波波长短，可用频带宽，天线口径小，抗干扰能力强，多 普勒效应灵敏度高，以及设备尺寸小，重量轻，机动性好。近年来，随着毫米波 元、器件水平的提高，毫米波系统在精确制导、电子对抗、通信技术、无线电遥 感、仪器与测量等方面得到了很大的发展。 1 。2 本课题研究任务及背景 1 2 1 课题研究背景 由于雷达、电子对抗、无线通信等电子信息技术的飞速发展，人们对空间各 传输频段的开发需求越来越迫切，微波频段( 3 0 0 m h z - 3 0 g h z ) 已经交得拥挤不堪， 这样就迫使我们选用更高的频率。其中，毫米波( 波长1 0 m m i m m ，对应频率为 3 0 g h z 3 0 0 g h z ) 甚至亚毫米波和光波段都备受关注。世界主要大国在这些频段都 徽了很多研究，也做出了不少成就。导弹制导、电子对抗、电子情报、雷达技术 2 溅罅篝；拇。：， 泓鲇蝴俐泓嫩揪 喜2减d潞 。o 。 第一章缝论 等领域迫切需要毫米波方面的竣备。 毫米波技术是当今微波技术界最为敏感的课题。2 0 多年前开始的“毫米波热” 曾经在国内外学术界和电子工程界掀起过一股来势凶猛的浪潮。毫米波技术的研 究主要溺绕军焉系统的研制震开。毫米波低端与微波鬻接，离端与红外、光波福 连，毫米波兼容微波、光波两门技术学科的理论、研究方法和技术，逐渐发展成 为门知识密集和技术密集的综合性分支学科。毫米波的特点是波束窄、保密和 抗干扰能力强、频带宽、容量大。毫米波已广泛应用于通信、雷达、制导、电子 对抗等多个领域乜卜【3 】。 检波器是微波、毫米波技术中常规部件之一，在微波毫米波信号检测、自动 增益控制、功率探测、稳幅的应用中是关键部件，被广泛应用于矢量网络分析仪、 六端露麴络、微波湃时接收祝、徽波遥感探头等整机系统中。在毫米波频段离子 信号功率非卷有限，对检波器的性筢，翔灵敏度、驻波冼、工作繁宽、动态范围 等提出了更高的要求。 本文的研究内容是鲞接检波式毫米波接收前端，它的核心部件就是毫米波检 波嚣。 。2 。2 国内穸| 、研究现状及发震趋势 1 2 2 1 国内研究现状 在1 9 9 5 年，张治平渊提出的宽频带晶体检波器采用混合集成工艺，其指标见 表 一重。检波器的输入疆配毫路采麓一个r - l 并联支路和“t 挣蔓延配网络，见 图董2 。此匹配电路在0 0 1 1 8 g h z 起到了较好的匹配。 表l l 检波器指标 l频带范疆驻波院频率响应莛伏 l 0 。0 1 g h z - 1 8 g h z至5 土0 ，5 d b 图1 - 2 群t ”型碾配阏络微带电路 电子科技大学颈七学位论文 镑景华弼研割了一耪利嗣低势垒舞特基二极管制作戆大动态检波器，萁指标 为，频带范鼹：0 0 1 一- 1 8 g h z 、驻波比：1 5 、频率响皮起伏：土0 2 d b ( o 0 1 8 g h z ) 土0 5 d b ( 0 0 1 - 1 8 g h z ) 、最大输入功率：+ 2 6 d b m ；藏切灵敏度：5 5 d b m 。 邓建华潮研制了一种通过对极鲮线实现波导徽带过渡薛检波器，其指标为，频 率范蚕：1 8 筠，5 a 电、正切灵敏度：5 0 d b m 。 胡皓全h 3 等在2 0 0 6 年发表了k a 波段微带检波器设计，文中介绍了一种中 心频率为3 5g h z ，带宽为2 g h z 的混合集成检波器。 王家璋和冯正和潮提出的宽带检波器不需调节短路活塞，检波管上也不需嬲德 置，使髑很方便，必了达到此疆的，文中采用波导微带转换器构成宽带检波，见 图1 3 。其指标见表l 一2 。 表l 一2 检波器指标 频带藏匿驻波院昃敏度起伏 8 3g h z - 9 3g h z 23 圈l 毒器调谐3 t m 宽带裣波器缝擒錾 从以上文献可以看避，慰内微波毫米波检波电路以二极管直接检波电路为主， 其中，微波频段的检波器研究融经较为成熟；而毫米波频段的检波器研究还较少。 1 2 2 2 国外研究现状 在圈外，低于1 8 g h z 的检波技术已比较成熟，其中采用混和集成电路( 聃i c ) 较少，焉比较多的是采用了单片微波集成电路( 粼王) 。 一、二极管直接检波 s z e n t epa 聆1 等介绍了利用5 0 q 左右的电阻与二极管并联实现有损宽带匹配 4 第一章绪论 的检波器，其原理图见图卜4 ： 图l q 有损匹配宽带检波器原理图 英指标可以达到觅衰至一3 ： 袭l 一3 检波器指标 频带范围驻波比频率响应起伏电压灵敏度 o 。3 m v u w 睨。当它们紧密接触后，费米能级就要统一，这时电子就要 从1 3 型半导体流向金属，接触处的半导体表面层失去电子，由施主离子形成正空 间电荷区。金属一侧因德到电子，形成负空间电蘅层。由于半导体的杂质浓度比 金属的电子浓度低得多，所以半导体表面的空间电荷区宽度也比金属一边大得多。 正负空间电荷形成的内建电场( 圪为内建电势差) ，使半导体表面能带向上弯曲， 形成势垒。无外加电压时，处于稳定状态；当外加正向电压时( 金属端接难) ，因 外电压与内建电场方向相反，势垒高度降低，大量电子从半导体流向金属，从两 形成金属到半导体的正向电流；如果外加反向电压，则势垒增高，只存在很小的 反向饱和电流。 图2 - 1 给出了袋邀特基二极管豹削面示意图秘铃： 1 0 第二章毫米波检波二二极管理论 垒属接触 图2 - 1 肖特基二极管的剖面示意图 金属电极与低掺杂n 型半导体层相接触，后者是由外延生长在高掺杂+ 基底 上的。设定外延层是理想介质，即箕电导率为零。电流一电压特性盘方程( 2 一1 ) 疆司 描述： i = t ( e 肠打- 1 ) ( 2 一1 ) 其中： ，是二极管中流过的电流， 。是反向饱和电聪， e 电子电荷， 矿是二极管两端的电压， 咒是v - i 特性理想因子， k 波尔兹曼常数， r 是结溢。 其电流一电压特性如图2 2 所示， 电子科技大学硕士学位论文 。 蜷c 鸯毫 哥 f 电压v 图2 - 2 肖特基二极管电流一电压特性网 2 2 等效电路和主要参数 肖特基二极管对应的小信号等效电路模型是图2 - 3 ，在这个电路中，可以注意 到结电阻霞；是与编置电流有关的，正如二极管的串联电隰它由外延屡电阻和基底 电阻合成) 。其涟接线的电感是固定的，其近似值的量级为t = o 1 槲。结电容c j 可出式( 2 2 ) n 7 3 表示。由于有串联电阻r ，实际的结电压等于外加电压减去在二极 管串联电阻上的电莲降。 c ! ，2 趣焘】三( 2 - 2 ) 其中： 么：金属面诿积； q ：电荷； 占：介电常数； 峨：n 型半导体中施主浓度； 吃：肖特基阻挡层电势； 圪：外加电压。 1 2 第二章毫米波检波二极管理论 图2 3 肖特基二极管小信号等效毽路模銎 把电流一电压特性方程( 2 - 1 ) 围绕静态或工作点圪展开，就可找出小信号结电 容和结电阻。这意味着二极管总电压被写成直流偏麓电压和一个交流信号载波 频率分量磁： v = 圪+ 匕 ( 2 3 ) 把式( 2 - 3 ) 代入式( 2 - 1 ) ，就得n - i = l ( e 矿7 埽一1 ) = ( p 7 脚e v d7 一1 ) ( 2 4 ) 把上式对q 点佟泰勒展开，保留前二项，得到： 职) 如+ 多l r ev a l = 岛+ 豢( 2 - 5 ) 这里的袁，等于： r ：n k t e( 2 6 ) j i o + l s 从圈2 - 1 和鹜2 - 3 可以看出，在肖特基二极管小信号模型中，还有二极管的 封装寄生参数，其中丘是二极管的串联电感，足是二极管的串联电阻，是二极 管的封装电容。 1 3 电予科技火学硕士学位论文 第三章毫米波检波器理论与设计 3 1 检波器的工作原理和主要性能参数 微波检波器是微波设备中常用的器件，其电路元件少，电路结构简单。有时 集成在其他电路之中，也有诲多单独出售的商菇，作为单独豹监视设备部件。其 主要用途为： ( 1 ) 信号强度指示器。作为功率计使用，例如用于六端口测量仪。检波式功率 计的特点是时闻常数短，速度快。在这方瑟远优于热敏式功率探头。检波器对功 率线性度要求严格读数要经过精密校淮。 ( 2 ) 状态监视器。用于监视微波系统的工作状态，例如在微波发射机中用定向 耦合器分离出一部分功率，用检波器监视发射功率的变化。这时无益精密校正功 率值，只要求稳定检波即可。 ( 3 ) 自动增益控制。用于微波设备的自动增益控制( a g c ) 或自动电平控件jj j ( a l c ) 时，只得有一定的线性度和稳定性即可。少量的偏差可由反馈环路补偿。 秘) 测试指示。般微波测量仪表系统中用予微波信号的相对指示，例如开槽 测量线等。只需要一定的灵敏度，其他指标要求均低于前几种应用。微波信号常 用方波调制，以便检波出低频调制信号再加以放大，提高指示灵敏度。 ( 5 ) 视频控制。检波器可用来检出调幅信号熬视频分量相脉冲。 在各种监视电路应用中，大都需要较好的滤波装置或羼接低频放大器。 3 。1 1 检波原理 一个典型的检波电路如图3 1 。其工作原理还是缀简单的。首先定性地分析一 下检波电路工作原理n 8 1 。 1 4 第三章毫米波检波器理论与设计 箨p o r t 匿3 - 1 典型的检波电路原理匿 当射频输入后，经过匹配网络刘达检波器，由于二极管韵非线性，检波器输 出将由直流项、基本项、二次谐波项等组成。对于射频信号而已，旁路电容g 对 射频短路，同时r f i i 对射频开路。聪船f i l t e r 是经过优化使信号源阻抗与二极管 射频阻抗在一定带宽下匹配，这祥理想情况下，所有豁信号功率都被抟输到：极 管。简而畜之，检波器的射频通路如图3 2 ： ld e t e c t o r _ r 搴 l d i o d e r v 、一 且-j i 一 f 张盯e r i 砷一i 个 赢搬d | 红毒宁镛 魏蔗磁驺燕| 嘻e l 扣 乍轴罐黼翻蓬r 4 矗l 2 摹 磐p o r t 匿3 - 2 检波器射频豳路 弱辩，检波器输卷的盔流信号经盘视频负载r l 、r f l z 、二缀管形戒直流圈路， 如图3 。3 ： l r f p o r t 图3 - 3 检波器直流网路 1 5 电子科技大学硕士学位论文 偏置电流由蛊流电源出发透过删：到达检波二极管，再遥过嬲，最后又回 到直流电源，形成环路，图中来画出。 3 。1 2 主要性能参数 3 。 。2 电流灵敏度 检波器的电流灵敏度n 钔定义为： 孱= 吾 上f ( 3 - 1 ) 其中： 岛：检波器输邀端为短路时的检波电流； 露：加在二极管上的微波信号功率。 根据定义，检波器电流灵敏度层，又称短路电流灵敏度，其表达式也可以写 出： 虞2 磕霹a 两2 ( 3 - 2 ) 其中：瑾= 8 ，n k t 电流灵敏度露的单位是a w 。 通常r ，足，所以式( 3 - 2 ) 可以近似写成： 层2 丽瓦o f 万丽 3 3 ) , - a 看出，二极管菲线性指数g 越大，则痿越大；工作点电流越大时，足，越 小，屈也越大。 3 。1 2 ，2 电压灵敏度 检波器的电餍灵敏度雏霹定义为： 孱= 告( 3 - 4 ) 其中： 砟：检波电路负载电阻上的电篚； 只：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载电阻肆近似为无限大时的开路电压灵敏度 1 6 第三章毫米波检波器理论与设计 是： 凤= 孱面高 口i + n ， 但是实际上，琏不是无限大，则电压灵敏度是： 反= 燕 一_ _ _ - - _ _ _ - _ - 。- 。- 。- _ _ _ - _ _ _ _ _ - 。_ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。 _ h h _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- 。- 。_ _ _ 。_ _ _ 。_ _ _ - _ 。_ _ _ 。- 。：；- h h - _ - _ _ - _ - _ _ - - - _ - - _ - - 。_ 。_ _ _ _ _ 。_ _ _ 。_ _ 。- _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ h - _ - _ - _ - - 。_ _ - 。_ _ - 。_ _ _ _ _ 一 见2 ( t + 乇) ( 吃+ 曩+ r j ) ( 1 + 惫) 瞰+ 惫) + ( 氓c ) 2 r , r j 通常r ，墨，所以式( 3 - 6 ) 可以近似写成： ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 鼠：笋堕( 3 - 7 ) 旺+ 乇) ( 1 + ) 【l + ( 嗽g ) 2 墨马】 2 k 电隘灵敏度屁的单位是m v p w 。 当检波器的输出指示器采用高输入阻抗的示波器时，用开路电压灵敏度比较 方便。 从以上电压灵敏度的表达式中可以看出，电压灵敏度要受至g 频率、偏置电流、 温度等因素的影响。 出于结电容的旁路作用，电压灵敏度随频率增高而下降。，现举一个具体实例。 有一个二极管，参数是e ，= o 1 3 p f ，墨= l o f 2 ，霆= l 掰q ，t = l x l 0 - 7 a 。当不 加正向偏置电压，而且高频信号为小信号时，如0 。此时屈随频率的变化如图 3 4 所示。 装加正向偏置，当如2 0 t a 时，电压灵敏度下降。这是由于电流如健结电阻 霆，下降，导致结两端电压降低的结果。可以看如，低频端灵敏度降低更大因而 灵敏度特性更为平坦，有利于宽频带检波工作。为了在宽领带检波应用中特性更 平坦，还需要加匹配电路或校正电路加以补偿。 溢度变化时，电压灵敏度要下降，如图3 5 。这是因为菲线性指数掰和温度有 关，从式( 3 8 ) 可以看出： r ：n k t e ：8 1 6 7 x 1 0 - s n t( 3 8 ) n= 、o n ， 3 i q 七isi 卺七l ； 根据式( 3 7 ) 、式( 3 - 8 ) ，可得频率为i o g h z 时的电压灵敏度与温度的关系如 图3 5 所示。二极管的参数与图3 - 4 中二极管的参数相同。 1 7 唾i 子科技大学硪士学位论文 麓专 图3 - 4 敷压灵敏度随频率变纯图图3 - 5 电压灵敏度随溢度变化图 由圈3 5 可以看出，有适当的编饕亳流时，虽然灵敏度有些降低，但温度特性 更为平坦。 电压灵敏度在很大程度上取决于偏置电流和结电容但c ，。但是与电流灵敏度 眈较，由于实际电流灵敏度受负载影响缀大，尤其鲞受载孛存在电抗分量时，还 与工作领率有很大关系。两电压灵敏度在实际应用中可以采用很高输入阻抗的示 波器等高阻抗设备因丽能在很宽频带范围内给出比较稳定且一致的读数。 3 ，2 。3 视频阻抗 检波器的视频电阻是二檄管对低频信号，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。应使落级视频藏大器输入糍与检波嚣视频窀阻璺最佳匹配。 在较低的视频情况下，二极管视频电阻可近似为： r = 愿+ r ， ( 3 9 ) 常用的检波二檄管视频电阻在零偏置附避时大约是l 3 k q 。在较离视频时， 还要考虑电撬分壁穰其缝参数影响，需要另行测量。 3 。1 2 4 优震因素 检波器豹优矮因数n 9 3 或称q 僮定义为： q 2 面l 面( 3 - 1 0 ) 或者写成： 1 8 第三章毫米波检波器理论与设计 p ：墼 ( 3 一1 1 ) 心r 。r ； 其中： r ，：检波管视频电阻； 置：放大器后级放大器的等效噪声电阻。 对予小信号检波情况，在检波器后面通常要加低频放大器，以提高指示数值， 如图3 - 6 所示。优质因数是反应探测接收机的灵敏度与噪声特性的参数。q 值越大， 信号噪声比s n 也越大，接收机灵敏度就越高。 s i s o 图3 6 检波器视频放大 3 1 2 5 最小可检测功率 由于检波二极管的噪声，使裣波器可检测的最小信号受到限制。当被检测信 号输出电愿等于二极管嗓声等效电压时，检波器输入端的被测信号功率就是最小 可检测功率n 钔。 检波管的噪声有电阻热噪声、电流数弹噪声和闪烁噪声。电流散弹噪声是： t 2 = 2 8 心+ 2 , ) a f ( 3 1 2 ) 由于检波管中的反向饱和电流以及抵消反向饱和电流的正电流，二者都产生 噪声，所以式中把这两部分噪声用2 丘表示，鲈是频带宽度。i 2 在结电阻r j 上的 噪声电匿是： k ：2 n 慨( 警) 鲈( 3 - 1 3 ) q 。j 热噪声是由二极管串联电阻足产生，由下式给如： v 2 一酝t ra y(3-14) 闪烁噪声随1 厂变化，可近似表示为： 1 9 电子科技大学硕士学位论文 v ：a l n ( 1 + 掣) 1 3l 其中： 五：测量带宽矽的频率下限； 彳：由二极管闪烁噪声决定的常数，彳取决于二极管质量。 当闪烁噪声等于结电阻上散弹噪声时的频率称拐角频率z ， ( 3 1 5 ) ，当乞很小时，近似得： z 2 面a 代入式( 3 1 5 ) ，得： ( 3 - 1 5 ) 由式( 3 - 1 3 ) 和式 ( 3 - 1 6 ) 吒：2 咒k t r j h 1 ( 1 + 竽) ( 3 - 1 7 ) 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 为咒时( 参见图3 6 ) ，放大器产生的热噪声是： 吃= 4 k t r 。a f ( 3 1 8 ) 综合上述四项噪声来源，可得放大器后面输出总噪声是： 谚= 4 k t g a f n 弓( 狰 l n ( 1 + 等 1 9 ) 式中，等效电阻尺是： r：rr百iq+2i,+足+咒(3-20)2 i o + is 。u 检波以后的信号电压经放大器放大后是： 圪= 屈只g ( 3 - 2 1 ) 从而得到检测系统的电压信号噪声比为： 曼：皂：丝三一 ( 3 2 2 ) n i 、t 4 k t a f r + r s ( n f - - - ) l n ( 1 + f f ) 当闪烁噪声很小时，信噪比是： 曼：些 ( 3 2 3 ) n 4 4 k t a f r 由于二极管优质因数是： q ：售( 3 - 2 4 ) r 在厶= 0 时，有 第三章毫米波检波器理论与设计 坌。赤 ( 3 - 2 5 ) 代入斌( 3 2 3 ) 得 曼= 磐( 3 2 6 ) n 4 4 k t 鲈 当信噪毙为i 时的馐号功率就是最小可检测信号功率屯： o = 迹掣( 矿) ( 3 - 2 7 ) s m m n 、， g 置妇：l 。l o 敷竺学) 勰驴( 3 - 2 8 ) z 最小可检测功率主要取决于检波器优质因数q 和工作频带宽度。 在实际使用情况下，微波信号若等于曲，将 艮难观测，往往由于噪声把信 号淹没嚣无法判刹信号。所以工程上还使用另一种描述捡溪l 弱信号熬指标，称为 正切灵敏艘。 3 1 2 。6 正切灵敏度 锈线灵敏度常用英文缩写乏表示，有时直译为正切灵敏度。切线灵敏度定 义是圪在检波电压圪上的负噪声峰值等于无信号时的噪声峰值。当被测微波信号 为方波调制信号或是矩夥高频脉冲信号时，检波输出电压波形如图3 7 所示。 簧 坦 脚 翦 壤 图3 7 切线灵敏度豕憩图 在噪声峰值相切情况下，电压之间的关系是： 鼍= 2 = 2 4 2 v 3 2 9 ) 其中： 吃：噪声电压峰值； 致：噪声电压峰值掰对应的电题有效值。 2 1 电予科技大学硕士学位论文 裰据公式( 3 4 ) 可得： 吒= 屈， ( 3 3 0 ) 当二极管闪烁噪声不大时，上式的只就是切线灵敏度所对应的功率，简称切 线灵敏度霉，： 瓦= 警= 坐乒 3 1 ) 近似得到切线灵敏度： 东= 2 。旺豳 ( 3 3 2 ) 由此式可见，切线灵敏度大约是最小可检测功率的2 - 8 倍，用分贝表示近似是 4 d b 。 j a m e st s u i 啪3 根据 2 1 2 2 】【2 3 给出了一辫直接捡波式接收枧毛的计算公式： ( 1 ) 绋域2 b 咒= k t f r 3 。1 5 b r + 2 5 4 2 b r b v 一研+ 爿b yi ( g r f r ) 2 x 1 0 6 ( w a t t s ) ( 3 3 3 ) 瓦= 一1 1 4 + 1 0 1 0 9 弓+ 1 0 1 0 9 3 1 5 缘+ 2 5 , 2 b b , 一g + 么易i ( g r f r ) 2 ：i ( d b m ) ( 3 3 4 ) ( 2 ) 乓2 岛 瓦= k t f r 3 3 1 b y + 2 5 4 2 b r b r 一霹+ a b ri ( g r f r ) 2 x 1 0 6 ( w a t t s ) ( 3 3 5 ) 瓦= 一l1 4 + 1 0 1 0 9 墨+ 1 0 1 0 9 6 3 1 岛+ 2 5 4 2 b b v 一霉+ 么彤( g ) 2 】( 招搬) ( 3 3 6 ) 其中： 群：从接收机输入到检波器所有的噪声系数； 玩：3 d b 视频信号带宽( m h z ) ； 戤：3 d b 射频信号带宽( m n z ) ； 繇：从接收机输入到检波器所有的增益； r ：室温2 9 0 。k ； k ：b o l t z m a n 系数1 。3 8 x 1 0 啪渺口k ； - 11 4 d b m = 1 0 l o g ( k t b ) b 为l 蹴。 4 = 丽4 f 1 0 嘶 ，是视频放大器的噪声 肚意舶电压灵敏度驴二极馘动态褪 根据式( 3 - 3 3 ) 式( 3 3 6 ) ，并带入各参数就可以很容易地估算出接收机的疋。 第三章毫米波检波器理论与设计 3 1 2 7 动态范围和烧毁缝量 检波器在输入信号很小时，检波特性里呈平方律曲线。也就是说，输出电压 正比于输入电压的平方，即正比子输入功率。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 如匿3 8 所示。 平方律检波区的延长线和直线性检波区的输出直线压缩l d b 时，此点输入功率 称为平方律检波输入l d b 压缩点，见图3 8 中的a 点。增加直流偏置可以提高压缩 点，来扩震平方律检波特性范围。 检波信号功率大予切线灵敏度磁、小于平方律检波输入l d b 压缩点，这两者 之问的功率范围称平方律动态范围。 随着工作偏置电流的增加，平方律检波输入l d b 压缩点提高，东也升离，但 由于平方律检波输入l d b 压缩点提嵩得更快，所以动态范围有所增加。 当输入微波功率增大n - 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 3 8 孛鼗线3 点以上的弯益线段，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，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。 p j , t 胁u 图3 - 8 检波器输入输出响应曲线 2 3 电子科技大学硕士学位论文 3 。2 检波器的基本电路形式 3 2 1 检波器的一般电路形式 以邀特基二极管构成的微波毫米波检波器中，其电路形式主要有两种形式： 串联型检波电路和并联型检波电路泓3 。 串联型检波电路的原理图如图3 9 ： 图3 - 9 串联型检波电路原理图 在图3 - 9 中，c c 是充电电容，戽是并联电感，用于提供直流回路。 而在毫米波频段，由于电路元件寄生参数影响大，如果采用并联型检波电路， 那么检波管的接地效果更好，其原理图如图3 1 0 ： 图3 - 1 0 并联型检波电路原理图 蚕3 1 0 所示电路中，如果信号输入端或匹配咆路本身是隔壹的，那么隔直电 容g 可以略去，由于二极管并联在传输线和地之间，容易实现高频可靠接地。 第三章毫米波检波器理论与设计 3 2 2 平方律检波器的基本电路形式 平方律检波器是指检波输出电流或电压与输入电压成平方关系，也就是说， 输出电流或电压对输入功率成线性关系。平方律检波器是一种很好的功率计量部 件，主要用于微波六端翻反射计或双六端口测试仪的功率检测；也常用在微波系 统中的功率指示器。其主要优点是螭应速度快、结构简单，比常规热敏类功率探 头速度快几个量级。这就是微波六端门自动测量设备或微波扫频仪功率指示与稳 幅装置中只能采用快速响应的平方律二极管检波器的基本原因。 常规的低势垒肖持基检波管在弱信号时是平方律特性。二极管的伏一安特性 是： i = t ( e 脚一1 ) = f ( v ) ( 3 3 7 ) 当外加微波信号必v = f c o s w t 时，代入上式并展成级数可褥出： 江【等严) + 丢尸+ 】+ k 广+ 孚广) + c o s w t ( 3 - 3 8 ) 其中蛉= 等2 ) - 挚，以此类推，代表各阶偏导数。式中第一 项是检波厩的直流分量。当微波信号幅度k 很小时，嘭以后各离次项可以忽略， 这时检波器将呈现平方律特性。一般的低势垒肖持基检波管在输入功率为2 0 d b t n 以下时可具有较好的平方律特性： 3 2 ，3 宽带检波器的基本电路形式 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褥倍频程量级的检波，这时灵敏度将大大降低，输入驻波比 也很大。此外，由于v s w r 高，检波器对信号源阻抗的变化很敏感。 另外一种宽频带检波器电路采用有损电路，即在检波管之前并联一个阻值为 5 0 q 左右的电阻足掰。电路原理如图3 1 l 所示。 通常检波管在工作频率上的阻抗都比较高，所以从图3 一l l 的a 面向右看入阻 抗很接近5 0 f l 。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。在全 频带内驻波比接近于l ，灵敏度也平坦。其主要缺点是灵敏度可能要下降一两个数 量级。改变电阻霆拼可以对频带宽度翻灵敏度两个指标进行折衷设计。 电子科技入学硕士学位论文 售 丁 源 图3 - 1 1 宽带检波电路原理图 3 2 4 温度补偿检波器的基本电路形式 微波检波器灵敏度和平方律特性都直接和反向饱和电流，。以及理想系数n 有 关。，和n 对温度变化相当敏感。 根据二极管的伏一安特性公式( 2 - 1 ) ：式中的，、咒、t 同时改变必将使检波 特性有相当大的漂移。为改善温度特性，基本措施是采用恒温，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3 1 2 所示。 信 号 源 图3 - 1 2 温度补偿检波电路原理图 图中巧。是检波管，巧：是作为温度补偿用的二极管。巧：的特性和放大器工作 点调配合适时可获得较好互补偿作用。 3 3 大动态检波器研究 3 3 1 大动态检波器理论 检波器的动态范围受偏置电流、工作温度等因素的影响。文献中 2 5 给出了 第三章毫米波检波器理论与设计 直流偏置对检波器的作用，文献 2 6 给出了一种提高检波器平方律动态的方法， 郎给检波器提高几十毫安的偏置电流，这样提高检波器的灵敏度，从而扩宽检波 器的平方律动态范围。 3 。3 1 。1 检波器平方律动态范围 输出电压( d b v ) t s s p l n 输入功率( d b m ) 图3 一1 3 二极鬈楚菠特髋图 图3 1 3 给出了二极管检波特性图。正切灵敏度( z 。) 是输入脉冲调制信号时， 检波器检波视频信号在脉内的噪声下沿与脉间噪声上沿相切对应的输入信号峰值 功率。是捡波器工作区从平方律区进入到线性区时，输出幅度相对平方律特性 压缩i d b 时对应的输入功率。检波器平方律动态范圈瞄( 定义为口) 是： q = 露船一瓦 ( 3 3 9 ) 3 。3 。1 2 电路工作原理 图3 1 4 给出了一个平方律检波电路的原理图，、圪、形分别是射频源、二 极管直流偏置源、低阻抗平衡源。 巧与v o 等值反向，这样使电路点为虚拟零点，从而使电路平衡工作。由于巧 的存在，运算放大器的虚拟零点和二极管的偏置嚷压都不会受到影响，这样电路 的输出电压为r ，【1 2 】。 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 1 4 一种平方律大动态温度补偿检波电路原理图 3 。3 。3 射频源阻撬与平方律动态范围的关系 根据二极管的电流一电压特性公式( 2 1 ) 和文献【1 2 】可以得到另一个归一化的 电流一电压特性： e = l n ( i + 1 ) + p i ( 3 4 0 ) 其中： 形= k ( n k t e ) ； i = ( l c ) p 一鬏s | r j 4 l 是射频源k = o 时的二极管输出电流，定义此时二极管的工作点为( ，v o ) ， 尼是二极管的动态电阻。 把薅一他酶二极篱结电压取成； v r ec 丽o s ( w t ) = ec o s ( w t ) ( 3 - 4 1 )n k t e 其中： 嚣是二极管结电压的峰值电篷； e ，。e ( n k t 由。 把式( 3 4 0 ) 展成在( l ，圪) 点的f 对杉的泰勒级数： e ：l z ! l z d ：+ 霉去詈破+ e 确6 1 1 5 6 d 。+ e 镰s 1 1 2 8 3 5 d 。 ( 3 咆) + a d 。e o s ( w t ) + b d 2 c o s ( 2 w t ) + c d 3c o s ( 3 w t ) + i 从式( 3 - 4 2 ) n - 以看出，检波器输如信号由两部分组成：直流部分和交流部分。 交流部分都被检波电路的充放电电容耦合至地，流入负载的电流只有直流部分。 直流部分由二极管结电压的二次、四次、六次等偶次项组成，而平方律检波器理 想情况下需要的是二次项，这样只要使其它项趋于零，检波器的平方律特性将最 好。盔、破、反的值可以根据泰勒级数隐踊数展开方法得到： 第三章毫米波检波器理论与设计 盔=j1(3-43) 畋2 南( 3 - 4 4 ) 如= 器 4 5 ) 以一百1 - 8 p + 6 p a ( 3 4