1 «Разработка и исследование транзисторных детекторов СВЧ мощности для радиоастрономических приемников» Иванов С.И., Лавров А.П., Матвеев Ю.А. Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет кафедра радиофизики III Пулковская молодежная астрономическая конференция – 2010 СПб

2 Цель работы: теоретический анализ, разработка и исследование транзисторного СВЧ детектора мощности для широкополосного модуляционного радиометра, с расширенным диапазоном квадратичного детектирования Передаточная характеристика радиометра Функциональная схема радиометра Тх, Тг – точки калибровки

3 Роль детектора в формировании передаточной характеристики радиометра Основным элементом в составе радиометра вызывающим искажения сигнала и определяющим величину динамического диапазона является квадратичный детектор В общем случае калибровка радиометра производится по двум точкам (Тх, Тг), поэтому для точного измерения яркостной температуры источника сигнала важна линейность передаточной характеристики радиометра В большинстве современных радиометров в качестве нелинейного элемента квадратичного детектора используется полупроводниковый диод 1.Диодный детектор: основной недостаток – малая величина динамического диапазона квадратичного детектирования (не более 30дБ) Иногда, для повышения крутизны преобразования, в качестве нелинейного элемента квадратичного детектора радиометра используют биполярный транзистор 2. Транзисторный детектор: основной недостаток – параметры детектора подвержены значительному влиянию температуры окружающей среды, а также влиянию нестабильности источника питания

4 Функциональная схема транзисторного СВЧ детектора мощности Тр.1 – СВЧ транзистор, детектирование и усиление СВЧ колебаний; Тр.2 – НЧ транзистор, согласование выходного сопротивления Тр.1 (эмиттерный повторитель) β – отрицательная обратная связь по напряжению Fвх= 50МГц МГцвых= 50кГц Основная идея работы схемы: - на Тр.1 осуществляется детектирование и усиление СВЧ колебаний; - через цепь отрицательной обратной связи β происходит стабилизация рабочей точки Тр.1 по постоянному току, в результате чего повышается стабильность работы детектора и происходит линеаризация передаточной характеристики.

5 Теоретический анализ транзисторного СВЧ детектора мощности Система уравнений для потенциалов узловых точек схемы; Um < 2φт Принципиальная схема детектора I k – ток коллектора; i o – тепловой ток перехода; φ Т – температурный потенциал; U БЭ – напряжение база-эмиттер; m1 – поправочный коэффициент; ω o – частота несущего колебания; Ω – частота модулирующего колебания; m – индекс модуляции; Упрощенная модель Эберса-Молла Анализ проводился по входному СВЧ сигналу с гармонической амплитудной модуляцией: Два разных масштаба времени: T1 = 2π/ω

6 2. Тангенциальная чувствительность 1.Передаточная характеристика (зависимость амплитуды напряжения первой гармоники на выходе детектора от мощности входного сигнала) Теоретический анализ транзисторного СВЧ детектора мощности Получены выражения для основных характеристик транзисторного детектора: 3. Динамический диапазон квадратичного детектирования мощности Передаточная характеристика (теория) шум Ptg

Разработка транзисторного СВЧ детектора мощности Внешний вид детектора со снятым защитным кожухомВнешний вид детектора в защитном кожухе Выполнено моделирование работы транзисторного СВЧ детектора мощности (использовался пакет программ Microwave Office), в ходе которого исследовались: - передаточная характеристика; - амплитудно-частотная характеристика; - КСВН (коэффициент стоячей волны напряжения по входу детектора); - уровень внутренних шумов. - проведена оптимизация коэффициента передачи цепи обратной связи «β» по критерию максимального значения динамического диапазона квадратичного детектирования Разработано два опытных образца транзисторного детектора (в качестве нелинейного элемента в образцах используются биполярный и полевой транзисторы)

Экспериментальное исследование и оптимизация характеристик транзисторного СВЧ детектора мощности Вид измерительной установки Измерение спектральной плотности собственного шума транзисторного детектора, (анализатор спектра «Agilent MXA») Используемые приборы: - анализатор спектра MXA (Agilent) - генератор сигналов высокочастотный E8257D (Agilent), - генератор сигналов низкочастотный SM300 (Rohde & Schwarz) - векторный анализатор электрических цепей E5071C (Agilent)

Экспериментальное исследование и оптимизация характеристик транзисторного СВЧ детектора мощности D = 49dB Ptg = -67dBm Fcp = 1.35GHz VSWRmax = Ошибка квадратичного детектирования, при различных значениях коэффициента передачи цепи обратной связи (измерение, моделирование) 2. Амплитудно-Частотная характеристика, КСВН (измерение, моделирование)

10 Сравнение результатов моделирования, теоретического анализа и экспериментального исследования

11 Сравнение основных параметров современных диодных СВЧ детекторов с параметрами опытного образца Опытный образец Детекторная камера 8471D фирмы «Agilent Technologies» Детекторная камера М33402 Параметр детектора8174DМ33402Опытный образец Ширина полосы частот СВЧ сигнала (по уровню 3дБ), МГц Неравномерность АЧХ в рабочей полосе, дБ ±0,3 ±0,5±0,7 Тангенциальная чувствительность, дБм Граничная мощность дБм Динамический диапазон квадратичного детектирования мощности, дБ Температурная нестабильность U ВЫХ при ΔТ=10 0 С % 6,7 8,34,4 КСВН по входу детектора не более 1,23 1,41,7

12 ВЫВОДЫ: 1. Проведен теоретический анализ работы транзисторного СВЧ детектора мощности. На основе упрощенной модели транзистора «Эберса-Молла», а также используя проекционный метод «Галеркина», была составлена и решена система нелинейных уравнений для основных характеристик детектора. Получены аналитические выражения, описывающие основные характеристики транзисторного детектора. 2. Выполнено моделирование работы транзисторного детектора, где были учтены частотные свойства транзисторов. В ходе моделирования проведена оптимизация цепи ООС по критерию максимального значения динамического диапазона квадратичного детектирования. 3. Осуществлена практическая разработка транзисторного СВЧ детектора мощности. Проведены широкие экспериментальные исследования его основных характеристик. 4. Результаты экспериментального исследования, теоретического анализа и схемотехнического моделирования находятся в хорошем согласии, что говорит о правильности выбранных моделей и методики эксперимента. 5. Использование в составе радиометра транзисторного СВЧ детектора мощности с обратной связью позволяет улучшить характеристики радиоастрономических приемников, в первую очередь по динамическому диапазону

13 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !!!