（无线电物理专业论文）微波晶体检波二极管定标方法的研究及实现.pdf

原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进 行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明的法律责任由本人 承担 论文作者签名 么骂超 日期 竺竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅 和借阅 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 4n 论文作者签名 么纠 良导师签名 日期 竺丝墨 山东大学硕士学位论文 中文摘要 在常规微波测量系统中 晶体二极管检波器是一种最简单 最常用的微波 检测装置 其常用于驻波参数 网络参数和功率参数的测量中 众所周知 无 论是测量线和检波器中的晶体检波二极管 还是六端口技术中作为幅值检测的 检波器中的晶体二极管 二极管的非线性将会大大的影响到测量精度 因此晶 体检波二极管定标准确与否至关重要 微波晶体检波二极管的定标方法 主要分为驻波法和衰减法两种 驻波法 常用于测量线中晶体检波二极管的定标 衰减法一般用于终端检波器中和六端 1 3 技术中晶体检波二极管的定标 特别对六端口网络分析仪中晶体二极管的定 标 衰减法可以实现直接校准来消除二极管非线性的影响 论文第一章前言部分主要概括介绍微波测量的重要性 特点和任务 以及 微波测量的发展概况 阐述了论文的研究目标 方法及目前完成的主要工作 第二章 概述晶体检波二极管和晶体检波器的基本结构和特性 论述晶体检波 二极管驻波法定标理论 在介绍图解法求解检波律的基础上 应用线性回归方 程获得晶体检波律的精密数值解 并利用微波c a t 系统实现了晶体检波二极管 整段平均检波律和分段平均检波律的定标 第三章 论述晶体检波二极管衰减 法定标的理论 并借助微波c a t 系统分别对测量线和终端检波器中的二极管进 行了定标 并将它们的检波律精密数值解加以比较 其结果令人满意 第四章 论述直接校准法消除二极管非线性影响的理论 并应用最小二乘法 线性回归 理论得到晶体二极管校准检波值的精确解 借助v i s u a lb a s i c 语言程序实现对 二极管非线性影响的修正 并对校准结果进行比较分析 从而证实该方法的正 确性 第五章 简要介绍微波c a t 系统的组成 功能 工作原理和特点 借助 于该微波c a t 系统 不仅将大量繁琐的数据采集 处理和计算工作交给微波 c a t 系统完成 并且在提高测量精度的基础上极大地提高了测量速度 从而方 便 快速 直观 准确地得到测量结果 大量的试验结果证实 在不同场合下 采用不同方法都可对晶体检波二极管定标 而借助微波c a t 系统不仅可以提高 工作效率 且可使实验结果与实际值吻合较好 山东大学硕士学证论文 提高测量结果的精确度 不仅需要提高晶体检波二极管的定标精度来实现 而且需要研究整个系统误差的校正方法以提高准确度 由于时间所限 本论文 未对其它系统误差的校正做深入分析 有待于今后进一步研究 关键词 微波晶体检波二极管 驻波法 衰减法 计算机辅助测试 c a t 线性回归理论 山东大学硕士学位论文 i a b s t r a c t i nt h eg e n e r a lm i c r o w a v em e a s u r e m e n ts y s t e m t h em i c r o w a v ec r y s t a ld i o d e d e t e c t o ri sak i n do fs i m p l e s t m o s tf r e q u e n t l yu s e dm i c r o w a v em e a s u r i n gd e v i c e t h a ti so f t e nu s e di nt h em e a s u r e m e n to ft h ep a r a m e t e r s s u c ha ss t a n d i n gw a v e p a r a m e t e r n e t w o r kp m a r n e t e ra n dp o w e rp a r a m e t e r a sw ea l lk n o w b o t ht h e d e t e c t o rd i o d eu s e di nm e a s u r e m e n tl i n ea n dc r y s t a ld e t e c t o r a n dt h ec r y s t a ld i o d e d e t e c t o ru s e da sm e a s u r i n gv o l t a g ei ns i x p o r tt e c h n i q u e t h en o n l i n e a ro fd i o d e i n f l u e n c e st h ep r e c i s i o no fm e a s u r i n gg r e a t l y s ot h ea c c u r a c yo fc a l i b r a t i o no f c r y s t a ld e t e c t o r d i o d ei sv e r ye s s e n t i a l t h ec a l i b r a t i o nm e t h o do fm i c r o w a v ec r y s t a ld e t e c t o rd i o d ei sd i v i d e di n t o s t a n d i n gw a v em e t h o da n da t t e n u a t i o nm e t h o dm a i n l y s t a n d i n gw a v em e t h o di s o r e nf o rc a l i b r a t i n gd i o d eu s e di nm e a s u r e m e n tl i n e a t t e n u a t i o nm e t h o di su s u a l l y u s e di nt h et e r m i n 且ld e t e c t o ra n di ns i x p o r tt e c h n i q u e e s p e c i a l l yc a l i b r a t i o no ft h e c r y s t a l d i o d eu s e di n s i x p o r t n e t w o r ka n a l y z e r s t h i sm e t h o dc a ne l i m i n a t e n o n l i n e a ri n f l u e n c i n go fd i o d e t h ef i r s tc h a p t e ro ft h et h e s i s t h ep r e f a c e m a i n l ys u m m a r i z e sa n di n 仃o d u c e s t h e i m p o r t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s t a s k a n d t h e d e v e l o p m e n t o ft h em i c r o w a v e m e a s u r e m e n t b o t ht h er e s e a r c hg o a la n dm e t h o do ft h et h e s i sa n dt h em a i n l y c o m p l e t e dw o r k a tp r e s e n ta r ed i s c u s s e d i nt h es e c o n dc h a p t e rt h eb a s i cs t r u c t u r e a n dc h a r a c t e r i s t i c so f c r y s t a ld e t e c t o rd i o d ea n dc r y s t a ld e t e c t o ra r es u m m a r i z e d i n t h em e a n w h i l et h e s t a n d i n g w a v ec a l i b r a t i o n t h e o r y i sd i s c u s s e d b a s eo n i n t r o d u c i n g t h e g r a p h i c s o l u t i o no fd i s c i p l i n a r i a n p a r a m e t e r l i n e a rr e g r e s s i o n m e t h o di s a p p l i e d t oo b t a i ni t s p r e c i s e s o l u t i o n t h ew h o l es e t j t i o n a v e r a g e c a l i b r a t i o na n ds u b s e c t i o na v e r a g ec a l i b r a t i o no f c r y s t a ld e t e c t o rd i o d ea r er e a l i z e d b yc a ts y s t e m i nt h et h i r dc h a p t e rt h ea t t e n u a t i o nc a l i b r a t i o nt h e o r yi sa n a l y z e d w i t ht h e c o m p u t e ra i d e dt e s t c a t s y s t e mt h e c a l i b r a t i o no fd i o d ei nt h e m e a s u r e m e n tl i n ea n dt e r m i n a ld e t e c t o ra r eo b t a i n e dt h r o u g hs e p a r a t e l yt om e a s u r e 山东大学硕士学位论文 i i i i i i 一 c o m p a r i n gt h e s et w or e s u l t sg e t t i n gm o r es a t i s f a c t o r yr e s u l t i nt h ef o u r t hc h a p t e r t h et h e o r yo fd i r e c tc a l i b r a t i o nm e t h o du s e di ne l i m i n a t i n gn o n l i n e a r i n f l u e n c i n go f t h ed i o d ei s e x p o u n d e d s t u d y i n gu s e sl e a s ts q u a r em e t h o da n dl i n e a rr e g r e s s i o n t h e o r y t og e t p r e c i s es o l u t i o no f d i s c i p l i n a r i a np a r a m e t e r w i t h v i s u a lb a s i c l a n g u a g e p r o g r a mt h er e v i s i o nn o n d i n e a ri n f l u e n c i n go f t h ed i o d ei sr e a l i z e d a n dc a r r yo n c o m p a r a t i v ea n a l y s i st ot h er e s u l to fc o r r e c t i o n t h u sc o r t f i r mt h ec o r r e c t o c s so f t h i s t h e o r y 1 1 l ef i f t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ec a ts y s t e ma n di t sc o m p o n e n t s f u n c t i o n s a n dc h a r a c t e r i s t i c si nb r i e f n ec a t s y s t e mn o to n l yc o m p l e t e s t o n so f f u s s yd a t a c o l l e c t i n g p r o c e s s i n g c o m p u t i n g a n d d i s p l a y i n gw o r k b u t a l s oe n h a n c e s m e a s u r e m e n tv e l o c i t yg r e a t l yt o g e t h e r v i t hk e e p i n ge v e ni n c r e a s i n gt h en t 疆柚咒n 蜀瞳 m a m m y t e s t t m u l l s c a n b e g o t e x p e d i e n t l y f l e e t l ya n dv i v i d l y i th a sb e e np r o v e db yl o t s o fe x p e r i m e n t st h a tt h ep r e c i s i o no fd i s c i p l i n a r i a np a r a m e t e rc a nb eo b t a i n e db y u s i n gd i f f e r e n tc a l i b r a t i o nm e t h o d i nd i f f e r e n ts i t u a t i o n w i t hc a t s y s t e mn o to n l y t h ee f f i c i e n c yc a nb e i m p r o v e d b u t a l s ot h er e s u l ta g r e e dw e l lw i mt h ea c t u a lv a l u e a d v a n c i n gt h e e x a c t n e s so ft h el e s tr e s u l t r e q u e s t ss t u d y i n gn o to n l yt h e n u m e r i c a ls o l u t i o no f c r y s t a ld i s c i p l i l a r i a np a r a m e t e rb u t a l s ot h ea m e n dm e t h o do f a l ls y s t e mc r l o rt oi m p r o v et h ea c c u r a c y f o rt h el i m i t e dt i m et h et h e s i sd o e sn o t a n a l y z et h ea m e n d m e t h o do ft h eo t h e rs y s t e me r r o ri nd e p t h t h i sr e g r e ts h o u l db e r e m e d i c di nt h ef u t u r e k e y w o r d s m i c r o w a v ec r y s t a ld e t e c t o rd i o d e s t a n d i n gw a v em e t h o d a t t e n u a t i o n m e t h o d c o m p u t e r a i d e d t e s t c a t l i n e a rr e g r e s s i o nt h e o r y 4 山东大学硕士学位论文 符号说明 1 c a t 计算机辅助测试 c o m p u t e ra i d e dt e s t 2 f 微波频率 3 n 微波晶体二极管检波律 4 i 波导波长 5 p 微波功率 6 a 相对衰减量 7 v 晶体二极管检波器输出幅值测量值 8 v 晶体二极管检波器输出幅值校准值 9 b b b b 多元线性方程回归系数 山东大学碗士学位论文 第一章前言 第一节微波测量的概述 微波技术的基本内容分为理论和实践两个方面 微波技术的基本理论是经 典电磁理论 主要是以麦克斯韦方程为核心的电磁场理论 掌握这一基本理论 对于解决各种具体问题是很重要的 微波技术的实际问题主要是微波器件和微 波测量 无论如何复杂的微波系统都是由若干微波器件所组成 因此了解微波 器件的结构 原理和性能 对于解决各种实际问题十分重要 然而在微波器件 和微波设备的生产过程中 有许多环节需要用微波测量对其零部件 半成品和 成品进行检验 在设计微波电路时也需要利用微波测量取得必要的数据 因此 掌握微波测量的基本方法具有十分重要的意义 1 微波测量的特点 微波测量是利用测量仪器对微波进行定量实验的方法 l 是解决微波技术 实际问题的重要手段 对微波技术的发展和应用起着举足轻重的作用 微波理 论是否正确 只有通过生产实践和科学实验才能得以检验 尤其是当理论问题 难以得到圆满解决时 通常依据实际测量结果 2 1 目前 微波测量技术已经作 为一种常用实验技术列入近代物理实验的内容中 且已广泛应用于国民经济的 许多部门和科学的众多领域 微波测量的基本参量与低频电工学和普通无线电技术测量的电压 电流 频率等参量有所不同 它所要测量的基本参量是功率 反射系数 或驻波比 和频率 或波长 其它参量如阻抗 导纳 增益 衰减和品质因数等的测量 原则上都可以由基本参量导出 在微波领域内 微波电路是一种分布参量电路 所测量的电路参量是时间和空间的二元函数 同时 由于某些参数不能直接测 量 故而采用间接的测量方法 例如测量微波功率时 须将其转化为热能后间 接测量 微波测量对其设备的要求十分严格 使用的部件也与低频电路设备有 所不同 可是 微波测量和低频测量也存在一定的联系 微波测量技术中也借 用了某些低频测量的方法 引 山东大学硕士学位论文 2 微波测量的主要任务 微波技术不但要解决 定的理论问题 而且还要解决一系列诸如电磁波的 产生 放大 发射 接收 传输 控制和测量等技术问题 在这些工作中 微 波测量是进行量值测定并保持统一的 f 3 技术 它与微波理论共栖交融 互相促 进 如今日趋发达的微波理论 技术与应用完全是在微波测量基础上建立起来 的 目前 微波测量的主要任务 4 一是利用当前已有的微波技术设备 即应用当前先进的技术和现有设备专 门制作 组成合乎要求的测量装置和仪器 二是利用当前已有的微波理论和技术 研究符合实际的测量方法 包括研 究新的测量仪器和先进的测量方法 而新的 日趋完善的测量方法又推动了微 波理论与技术的发展 三是在各项微波测量中必须分析并尽量排除各种误差 实现必要的测量精 度 以保证在科研与生产中测量结果的可信赖性 四是积极开展微波计量工作 使在微波量值的统一性和法制性上给予保 证 即使用当前最先进的理论和技术 制定出微波量值基准和各级传递标准 从而保证微波量值的统一 第二节微波测量的发展进程 微波学科从诞生时期起就具有实验研究的特点 随着微波学科的发展 其 中的微波测量理论和测量技术也不断丰富和提高 目前微波测量技术中所使用 的仪器由于采用了当前的先进技术 如频率合成技术 取样技术 宽带扫颏技 术 数字程控技术 计算机辅助测量技术等 使信号源的扫频带宽和测量仪器 的动态范围大大提高 也使微波测量的智能化 自动化和数字化取得很大的进 展 同时将测量精度提高到新的水平 微波测量技术的发展与徽波仪器的发展休戚相关 在先进的微波自动测量 系统的发展过程中 已逐渐形成一个专门课题 c a t c o m p u t e r a i d e d t e s t 即计算机辅助测试系统和计算机辅助测试技术1 5 该系统由控制器 接口总线 数据获取模块 计算机及其外围设备等组成 从而可实现智能化的自动测量 山东大学硕士学位论文 c a t 技术包括两个分支 即微波电子仪器及其c a t 和微波测量技术及其c a t 前者主要研究电子仪器结构 控制 数据获取 智能和测试接口技术等 后者 则研究如何提高钡0 量系统精确度的数学模型 误差模型 校准方法等 两者都 存在测量装置硬件的不完善性 但是可由软件来进行修正 微波测量技术正是 在软件的支持下实现了高精度 快速的自动测量 并得到了进一步发展 c a t 技术的应用 首先使阻抗与网络参数的测量取得重大成就 并得以迅速发展 此外 c a t 技术在微波常规测量中也被广泛应用 第三节论文的目的及主要内容 1 论文的目的和研究方法 在常规微波测量系统中 晶体二极管检波器是一种最简单 最灵敏的微波 功率检测装置 常用于驻波参数 网络参数 介质特性参数和功率等参数的测 量中 随着微波测量理论和测量技术的不断丰富和提高 六端口技术 如六端 口网络分析仪 已经成为一种微波网络测量的新技术1 6 1 然而 无论是测量线 和终端检波器中的晶体检波二极管 还是六端口技术中作为幅值检测的检波器 中的二极管 其非线性将会大大的影响到测量精度 因此晶体检波二极管定标 准确与否至关重要 微波晶体检波二极管的定标方法 可大致化分为驻波法1 4 7 和衰减法两大 类 驻波法通常用于测量线中晶体检波二极管的定标 其方法是将测量线终端 短路 在测量系统中形成纯驻波分布 自波节至波腹进行检波输出的幅度采集 然后采用图解法或数值解法求得晶体检波二极管的检波律 衰减法是在测量信 号幅度范围内 通过标准可变衰减器控制输入功率的大小 对不同输入功率下 测量系统中检波二极管的输出幅度进行采集 然后采用相应的方法对晶体检波 二极管进行定标 衰减法一般用于终端检波器中和六端口技术中晶体检波二极 管的定标 特别对微波多端口网络 如六端口网络分析仪 终端检波器的定标 衰减法可以实现直接校准来消除二极管非线性的影响 本论文的主要目的是研究如何应用上述两种方法对晶体检波二极管进行定 标 并利用微波计算机辅助测量系统 对测量线中的晶体检波二极管 终端检 山东大学硕士学位论文 一i i 波器中的晶体检波二极管和六端口网络分析仪中的晶体检波二极管分别进行了 定标 2 论文的主要内容 本论文主要研究晶体检波二极管检波律的求解方法 以及如何直接消除二 极管非线性影响的理论 并利用微波计算机辅助测试 c o m p u t e r a i d e d t e s t 系 统1 8 实现晶体二极管检波律的求解 和对检波二极管输出幅度的直接校准 在常规的测量系统中对晶体检波 极管定标 通常采用手动测量线 肉眼读取 游标卡尺刻度和检波器输出指示的方式 测量过程繁琐 且测量精度较低 人 为引入的误差较大 因而测得的晶体二极管的检波律不够精确 从而会影响其 它微波参量的测量精度 因此 晶体检波二二极管检波律的精准程度在微波参数 的测量中占有十分重要的地位 本论文结合国内外的相关文献资料 应用一元 线性回归 多元线性回归 最小二乘法理论求解晶体检波二极管的检波律 在 熟悉微波c a t 系统的基础上 使用该系统实现检波器输出幅度的自动采集和 a d 转换 并将转换结果直接存入计算机 使用编制的v b 语言程序对数据进 行处理 得到晶体检波二极管检波律的测量结果 并实现了自动定标 论文各章节具体内容分配如下 第一章 主要概括介绍微波测量的重要性 特点和任务 以及微波测量技术的发展概况 简要介绍了论文的研究目标 方 法及目前完成的主要工作 第二章 概述晶体检波二极管和检波器的基本结构 和特性 论述晶体检波二极管驻波法定标理论 以及晶体检波律的图解法和数 值解法 并应用微波c a t 系统获得晶体二极管的整段平均检波律和分段平均检 波律的精确值 第三章 论述晶体检波二极管衰减法定标的理论及其检波律的 数值解法 借助计算机辅助加以实现 并与驻波法定标结论相对比得到了令人 满意的结果 第四章 论述直接校准法消除二极管非线性影响的理论 研究应 用该理论实现在六端口技术中对二极管非线性影响校正的方法 并对校准结果 进行比较分析 从而证实该理论的正确性 第五章 简要介绍微波c a t 系统的 组成 功能 工作原理和特点 3 科学意义 为了消除二极管非线性对微波参数测量精度的影响 针对不同场合下使用 的晶体检波二极管可采用不同的定标方法 并借助计算机在w m d o w s 操作平台 9 山东大学硕士学位论文 上 设计出人机对话的应用程序 从而代营了人工繁琐的工作 不仅提高了测 量速度而且提高了测量结果的精度 对微波参数的测量具有十分重要的意义 4 应用前景 晶体二极管检波器在微波测量中应用非常广泛 在半自动或自动测量系统 中 虽然避免了使用肉眼读取游标卡尺位置和检波器指示值所带来的误差 可 是二极管非线性造成的系统误差仍不可避免 若要进一步提高测量精度 消除 二极管非线性影响尤为重要 本文对晶体检波二极管不同定标方法作了讨论 并借助计算机辅助实现了相应方法的定标 获得了令人满意的结果 该课题的 实现不仅会大大提高测量速度 而且对微波参数测量精度的提高 以及实际应 用具有重要意义和较好的应用前景 0 山东大学硕士学位论文 第二章微波晶体检波二极管驻波法定标 在微波测量中 许多参数的测量精度在很大程度上取决于微波晶体检波器 的定标是否精确 微波晶体检波器是用来检测微波信号的 它主要是由一个置 于传输系统中的晶体检波二极管所构成 利用其非线性进行检波 对晶体检波 二极管进行定标常用驻波法娜 其方法是对在测量系统中已形成纯驻波分布 自波节至波腹进行检波输出的幅度采集 然后采用图解法或数值解法求得晶体 检波二极管的检波律 经典微波测量理论认为 采用多点法测量 所得结果具有平均意义 采用 图解法得到的结果则是半精密的 而采用数值法求得的结果则是精密的1 1 0 1 随 着科学技术的迅速发展 近代微波测量技术常常在软件的支持下 借助于计算 机辅助测试系统 c a t s 快速而准确的处理数据从而得到精确测量结果 研究如 何使用数值法求解晶体检波律 并将其应用于微波c a t 系统 不仅可以提高测 量结果的精度 而且可提高测量速度 第一节微波晶体检波器概述 微波晶体检波器是用来检测微波信号的 它的主体是一个置于传输系统中 的微波晶体二极管 利用它进行检波可将微波信号转换为直流或低频信号 就 可以用普通的仪表指示 1 微波晶体二极管与低频晶体二极管有所不同 要求 它的外壳形状与微波传输线结构相适应 其制造工艺要适应微波特性 如接触 面积小 极间电容小等 常用的有点接触和面接触两种 此外 晶体内部构造 也应随频段的高低有所不同 特别是工作在较高频段的晶体触点应该更细 其 压力更小 以减少其接触点面积的电容 因此 具有灵敏度高 接触电容小和 串联电阻小等优点的点触式二极管 更适合于微波波段工作 1 微波晶体检波二极管结构和工作特点 常用的微波晶体检波二极管是点接触的硅二极管 其结构中有一片硅单晶 山末大学预士学位论文 它与底座之间形成欧姆接触作为一个电极 另一个电极由尖而细的钨丝制成 与硅片之间形成点接触 触点是 个p n 结 硅二极管的重要特性 r 矿j 2 1 1 是非线性的 其特性曲线如图2 1 所示 由图可见其伏安曲线呈反l 形 在折角 处有一个高度非线性区 当有一个频率为f 的微波信号入 射到二极管上时 在微波电场作用下 其p n 结上产生一个电压 y f f y v s i n 2 够 代入式 2 1 1 中 在直流工作点v o 处展开为幂级数 jl 一 一 一 y 图2 1 晶体检波二极管的伏安曲线 i t l y q v s i n 2 n 毋 叫 别 矿咖硼 去剖h m 加瑚厅 i o i ls i n 2 妒 吼j 1 2s i n 2 m 仍 三角恒等式 很容易算出壹流分量为 厶堋 丢剖 告别 在小信号时 上式中其余各项均可略去 只有第二项是主要的 即 厶 矧 趔 由此可见 检波电流i o 正比予微波电场之平方 故小信号时为平方律检波 实 验表明 当检波电流i o 小于微安级时可以认为是小信号 i o 大于微安级以后 2 山东大学磺士学位论文 平方律就不再成立了 这时有 i o k v r 2 2 1 2 其中指数n 的值可由实验确定 2 微波晶体检波器特性 若把晶体检波二极管装入传输线器件内 并附加相应的调配装置 便构成 1 i 3 一低频输出 尼 0 图2 2 晶体检波器等效电路 晶体检波器 图2 2 为其等效电路 1 2 之闻为匹配网络 2 3 之间 为晶体二极管等效电路 和c v 为滤波输出电路 其中 c o 为小信号零偏 时的动态结电阻和结电容 砥为掺杂半导体电阻 l s 和c 分别为引线电感和 结构电容 一般远高于同轴线特性阻抗 且随检波信号电平变化 为此 须 安装匹配电阻r 它经过l c 滤波电容c 与凡并联使检波器易于实现宽带匹 配和提高稳定性 其中 和l 是补偿电阻和电感 其作用是改善宽带匹配特 性和检波灵敏度频响的平坦性 例如当信号频率增加到l s 和c o 发生串联谐振 时 2 面右端阻抗下降 驻波比增加 匹配状态变差 但r j m l 上升 使 1 面总阻抗随之上升而使驻波比变小 因此电路的匹配状态得以保持 获得 了匹配的宽带特性 同时 再从灵敏度上看 当l s 和c o 串联谐振时 作用于 凡上的电压升高 灵敏度随之增加 而补偿电阻 上的电压则由于l s 和c o 串 联谐振也随之增加 又抵消了硒上电压的升高 故检波灵敏度也就保持不变 由此又获得了灵敏度的宽带特性 可见 用晶体检波二极管制成的检波器 在 超小功率时具有良好平方律检波特性 而在其他功率下则需要对检波器进行定 标 山东大学磺士学位论文 晶体检波嚣常见有同轴 波导和微带式三种结构形式 主要技术指标有五 项 1 频率响应 频带宽度 2 工作频率内的反射系数 或驻波比 3 灵敏度度 4 传输特性 5 响应时间等 晶体检波器在测量电路中的连接方式 相对于主传输线有通过式和终端式 两种接法 测量线中的探针检波器便是通过式 其指示方式也有两种 若输入 信号为连续波 可将微安表或检波 数字电压表等直接接到检波器的输出端 即采用直流指示 但由于对直流信号很难进行放大 故灵敏度较低 若是要求 高灵敏度指示时 则通常采用第二种方法 即利用隔直电容去掉直流分量 而 将低频信号输入到专用的测量放大器中 经过多级放大以后再用毫伏表指示 或者输入示波器显示 这种指示方式的灵敏度较高 但所用的仪器也较复杂 第二节晶体检波二极管驻波法整段定标 1 晶体检波二极管驻波法定标理论 在微波测量系统中 晶体二极管检波器是一种最简单 最灵敏的微波功率 检测装置 常用于各种微波参数的测量中 然而 在微波测量系统中 送至指 示器的微波能量通常是经过晶体二极管检波后的直流或低频电流 指示电表的 读数是检波电流的有效值 9 晶体二极管是非线性元件 其检波电流与两端电 压之间的关系满足 2 1 2 式即 i k v 2 2 n 式中n 表示晶体检波二极管的检波律 如 1 c 矿 i 称为线性检波 当n 2 时 tv 1 称为平方律检波 然而二极管的检波特性随其端电压大小而变化 当端 电压较小时 呈现出平方律 端电压较大时 则呈现 电压幅度变化较大时 检波律行就不再是常数 所以在精确测量中必须对晶体 检波二极管进行定标 在微波测量中常用的晶体定标方法悬驻波法 此方法是在测量线终端短路 的情况下 利用探针在测量线中感应的电动势与探针所在处的电场e 成正比 因而 检波电流和测量线中的场强e 同样满足关系式 f 鬈f f 2 2 2 故要从检波电流读数值决定电场强度的相对值 就必须确定晶体检波律n 当测量线终端短路时 入射波的功率将全部由反射波带回 这种全反射的 状态称为 纯驻波状态 沿测量线移动探针 沿线各点电场分布为 三 以咖罢d 2 2 3 削s i n2jr t dl 将式 2 2 4 代入 2 2 2 可得 卜十纠 p 哪 式中e 为驻波腹点的电场强度 为电表读数的相对值 h 为波导波长 d 为测量线探针与驻波节点的距离 n 薏1 是探针位置的相对场强 在九g 4 范匿 内移动探针 使其偏离驻波节点不同的距离d 选取场强相对值l 孕d o 1 l l a 图2 4 晶体检波特性校准曲线 山东大学磺士学位论文 0 2 0 3 t 1 0 各点 读取指示电表读数i 即能作出 l i 霉d f 关系曲线 也 1 i 就是晶体二极管定标曲线 如图2 4 a 所示 对式 2 2 5 两边取对数 并 令k 1 得到 l o g 1 n l o g 跏石2 r f 爿 固 将 与卜r 2 a t d i 直接标在全对数坐标纸上 连成平滑曲线即为衄 咖i 2 j r il 曲 i i i 线 如图2 4 b 所示 根据式 2 2 6 曲线的斜率即为晶体检波律n 晶体检波律n 的确定还可以用另一种简易方法 即在测量线终端短路的状 态下 首先调整信号输出 使在波幅点指示器读数a 为满量程 然后测出波 幅点两侧相对指示为0 5 即口 0 5 口 称为半高点 的两点间的宽度w 如图 2 5 所示 o 图2 5 按半高点间的距离求晶 体检波律 则检波律n 可根据下式计算 9 一巧l o g 0 5 d 若采用第一种方法求解晶体检波率n 在处理测量数据时 可以从图2 4 b 上直接求出检波率n 但是结果精度不够 虽然数值解法可得到精密测量结果 山东大学硕士学位论文 但数据处理十分繁琐 驻波法求解晶体平均检波律可在计算机辅助下直接得到 其精密测量结果 这也是近代微波测量技术发展的趋势 微波测量与计算机结 合主要包括两个方面 一是测量仪器与计算机配合实现自动化或半自动化 二 是应用计算机进行实验数据处理 1 2 驻波法确定晶体二极管检波律所采用的数学方法是一元线性回归理论 将 检波率数值求解公式求出 借助计算机将每组测量数据进行处理 从而提高晶 体检波二极管的定标精度 2 整段定标 平均检波律 的一元线性回归理论 若在晶体检波二极管的整个检波幅度范围内 测得自变量x 的每一个值 对应的因变量y 满足正态分布 且变量y 是x 的线性函数 则有 y r l 6 x 2 2 7 其中 a b 是未知的常数 利用测得的n 组数据 x i y i i 1 2 n 即可 得到每组数据与线性函数的偏差为 q m y 咒一0 哟 2 2 8 痿 l y 厂 h r 2 2 9 o lj l 根据最小二乘法原理 要使 岔最小 则要求 2 2 9 式的一阶偏导数为零 a r 9 2j 即 盖l 二 o da 三 竺 0 整理后可得方程组 业 一 翌埋眉口j r 侍力程组 ab h 口 r x j 6 y i i i r 而如 匹d b t 儿 f j j l 由于置不全为零 则此方程组的系数行列式为 l 争 院而 毛2 lj i l i 一 x 2 一 t 2 o 2 2 1 0 t f li l 故方程组有难一的一组极大似然估计解为 山东大学硕士学位论文 匹 崩 一 而 y 6 堡l 生l 生 匹毛2 一 而 2 及占 歹一厨 其中i 毫x 毫 另外记 工 圭 一上r 兰 j j 1 h j 1 上 兰y 2 一上r 曼y j 2 l 1 n f 1 nln 工旷矧 2 x y f 一音 争 i l m 1丹 l 于是回归系数矗和占得以确定 并可分别表示为 占 乞 2 2 q 1 a 歹一积 2 2 1 2 于是回归直线方程夕 五十b x 得以确定 而回归直线与实验点的相对分布可用 相关系数 表示 呈兰 2 2 1 3 4 l l 相关系数r 反映了实验点与回归直线的偏差程度 且恒有 1 s 1 l r l 愈 大 接近于1 偏差越小 如果 1 说明实验点与回归直线完全吻合 r 0 则实验点是完全随机的 3 一元线性回归理论在晶体检波二极管整段定标中的具体应用 微波测量线中晶体检波二极管通常采用驻波法定标 该方法是在微波测量 线系统终端短路的情况下 沿测量线移动探针 自纯驻波的波节至波腹采集数 据 得到晶体检波二极管的相对检波电流 和测量线中的相对场强f 且两者 满足关系式 2 2 2 其中 上 l s i n f 兰型1 d 为测量线探针与驻 一 占 僧 山东大学硕士学位论文 波节点的距离 勾为波导波长 对 2 2 2 式两边取对数得到一元线性方程 k n e 2 2 1 4 其中 l o g i e l o g e k l o g k 万为检波律也是直线的斜率 由此可 见求得直线的斜率即可获得检波律 通过测量系统采集的一系列 和d 使得 到一系列 和f 根据一元线性回归理论便可确定出晶体检波二极管平均检波 律的最大似然估计值对 以及相关系数 第三节晶体检波二极管驻波法分段定标 晶体检波二极管整段定标采用数学中的一元线性回归法 求解一系列线性 相关数据所描绘的直线的斜率 从而确定检波律 通常的做法是首先确定系统 的信号幅度范围 然后利用测得的一系列相关数据 求得一元线性回归方程的 解 从而确定在信号幅度范围内的平均检波律 在实际测量微波相关参数时 由于负载的不同 其驻波幅度随之发生变化 若仍用平均检波律计算其他参数 时会带来 定的误差 为提高测量耩度 驻波法定标可采用分段的方式进行 即分段定标 该方法是在系统的输出幅度范围内 将所测得一系列数据分成n 组 对每组数据分别进行一元线性回归方程的求解 确定每段的检波律 并存 入计算机内 在实际微波参数测量时 根据所测得信号幅度查找相对应的检波 律 或根据所测信号幅度 由己存入计算机内的定标原始数据进行该段检波律 的实时定标 然后进行相应的参数计算 此方法可有效地提高微波晶体检波二 极管的定标精度 1 分段定标的一元线性回归理论 将晶体检波二极管的整个检波幅度范围分为n 个区间 若在每个区间内自 变量x 的每一个值 对应的因变量y 满足正态分布 则y 可表示为一元线性回 归模型 y a k 2 3 i 其中口和b 是不依赖x 的未知参数 若由样本得到a 和b 的估计值即回归系数a 1 9 山东大学硕士学位论文 和b 则对于给定的x 其y a h 的估计值可表示为一元线性回归方程 萝 6 b x 2 3 2 通过实验测得 z 个z i i l 2 h 便得到样本 x i y f 利用一元线性回归方程的求解方法 可以分别确定n 个区间中每个区间上 的回归系数击和占 2 元线性回归理论在晶体检波二极管分段定标中的具体应用 若对测量线中的晶体检波二极管分段定标 也是在微波测量线系统终端短 路情况下 利用晶体检波二极管的相对检波电流 上和系统中的相对场强 i f 亡 s i i i 喏 所满足的关系 2 七 e r 对关系式取对数便可得到相应的 方程 施 口 即可表示为一元线性方程y 口 搬 这样 就可以在相对 场强幅度范国内 通过实验测得一系列数据 得到一系列f 和j 根据实际情 况将数据分成n 组 然后根据一元线性 回归理论分段确定晶体检波二极管的检 波律i n 和相关系数 3 晶体检波二极管分段定标的实现 图2 6 测量线中驻波分布啦线 在微波自动测量系统中 为了实现分 段定标步进电机采用三相六拍工作方式 每步带动测量线水平移动o 0 8 8 3 m m 即为d 采样一次 全程共采样7 6 8 个数据 滤波后 存入微机内存 这样 存储单元的地址对应于测量线中驻波场分布的坐标位置 存储单元的内容对应 于此位置的场分布检波值 根据1 2 位a d 的幅度范围 根据所采集的如图2 6 所示的驻波分布啮线 首先对驻波波节点两侧至波腹等间距地分为2 7 点 点的 数量根据精度要求及作图谤晰度 可有所增减 然后对测量线中的晶体检波二 极管做出了分段定标拟合直线 并计算出每一段的相应平均检波律 2 0 山东大学硕士学位论文 第四节晶体检波二极管驻波法定标的c a t 及结果 1 驻波法定标测量流程图 图2 7 测量线中驻波法定标流程图 2 l 返回系统定标程序 山东大学焉士学位论文 2 晶体检波二极管驻波法定标结果 在测量线终端短路的状态下 测量线中晶体检波二极管整段定标时计算机 辅助测量系统所采集处理的部分数据如表2 1 所示 其平均检波律n 和相关系 数r 的计算结果以及拟合曲线如图2 8 所示 此外 将该幅度范围分为三个区 间 选择线性拟合较好却不等份的数据进行分段定标 其曲线如图2 9 所示 图2 l o 图2 1 3 是驻波法定标过程中的计算机屏幕拷贝图片 表2 1 驻波法 测量线中晶体检波二极管的定标数据 l 0 9 1 s0 8 0 50 6 9 00 5 7 00 4 5 00 2 9 00 1 8 00 0 8 50 0 5 00 0 2 0 r 0 9 6 0 7 0 9 1 2 40 8 4 60 7 6 30 6 6 4 9 0 5 5 3 6 o 4 3 1 5 0 3 0 0 8 o 2 4 4 5 0 1 6 4 2 圈2 8 晶体检波二极管驻波法 i e i 图2 9 晶体检波二极管驻波法 整段定标曲线 分段定标曲线 山东大学硕士学位论文 图2 1 0碌示驻波法窜标界面的屏幕拷贝 图2 1 l 显示驻波法定标结果及拟合直线的屏幕拷贝 山东大学磺士学位论文 图2 1 2 显示驻波法分段定标界面的屏幕拷贝 图2 1 3 显示驻波法分段定标结果及其拟合直线 山东大学硕士学位论文 3 结果分析 从图2 8 和图2 9 的比较中可以看出 在频率为9 4 4 g h z 条件下 驻波法 整段定标的平均检波律n 2 0 3 3 4 相关系数r 0 9 7 6 在回归真线的两端实铡 点与直线偏离较大 这说明晶体检波二极管在波腹点和波节点附近偏离平方律 检波较大 若采用该平均检波律进行相应参数的计算 必会使测量结果的误差 增大 而采用驻波法分段定标时 可根