CC BY
184
Metrology and information-measuring devices
servisa, 2009. - 119 s.
6. Muhamadiev A.A. Matematicheskaja model' akustoopticheskogo pirometra / A.A. Muhamadiev, R.G. Farrahov [Tekst] // Datchiki i sistemy. - 2012. - №
2. - S. 28-30.
7. Muhamadiev A.A. Staticheskaja harakteristika, chuvstvitel'nost' i razreshajushhaja sposobnost' akustoopticheskogo pirometra [Tekst] / A.A. Muhamadiev,
R. G. Farrahov // Datchiki i sistemy. - 2011. - № 11. -
S. 41-43.
8. Muhamadiev A.A. Akustoopticheskij preobra-zovatel' temperatury / A.A. Muhamadiev, R.G. Farrahov [Tekst] // Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika. - 2011. - № 1. - S. 26-28.
9. Farrahov R.G. Universal'nyj pirometr dlja izmerenija vysokih temperatur / R.G. Farrahov, A.A. Muhamadiev [Tekst] // Datchiki i sistemy. - 2010. -№ 11. - S. 23-25.
10. Farrahov R.G. Matematicheskaja model' opticheskogo preobrazovatelja temperatury s volokonnym svetovodom [Tekst] / R.G. Farrahov // Pribory. - 2010. - № 4. - S. 11-14.
11. Muhamadiev A.A. Osnovnye etapy stanovlenija i razvitija akustooptiki v XX veke [Tekst] / A.A. Muhamadiev, M. A. Urakseev, R.G. Farrahov, I.R. Il'jasov // Istorija nauki i tehniki. - 2010. - № 3 (spec. vypusk № 1). - S. 34-37.
12. Farrahov R.G. Opticheskij preobrazovatel' temperatury dlja sistem kontrolja i upravlenija [Tekst] / R.G. Farrahov, A.A. Muhamadiev // Datchiki i sistemy. - 2010. - № 10. - S. 39-41.
13. Pat. 2399892 Rossijskaja Federacija, MPK-8 G01J15/10 Opticheskij preobrazovatel' temperatury [Tekst]/ Farrahov R.G., Muhamadiev A.A.; zajavitel' i patentoobladatel' GOU VPO «Ufimskij gos. aviacionnyj teh. un-t»; zajavl. 15.06.2009; opubl. 20.09.10.
14. Svidetel'stvo ob oficial'noj registraciiprogrammy dlja JeVM № 2010614548. Raschet i vybor jeffektivnoj dliny volny propuskanija akustoopticheskogo perestraivaemogo fil'tra [Tekst] / R.G. Farrahov, A.A. Muhamadiev; zajavitel' i patentoobladatel' GOU VPO «Ufimskij gos. aviacionnyj teh. un-t»; zajavl. 14.05.2010; opubl. 09.07.10.
Бутков В.П. Butkov V.P.
Россия, г. Таганрог
Зикий А.Н.
Zikiy A.N.
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, главный конструктор, «Научноконструкторское бюро моделирующих и управляющих систем» ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», Россия, г. Таганрог
Зламан П.Н.
Zlaman P.N.
ведущий инженер-конструктор, «Научно-конструкторское бюро моделирующих и управляющих систем» ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», Россия, г. Таганрог
УДК 621.396.6
СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДЕТЕКТОР
В настоящее время повышается актуальность проблемы разработки широкополосных высокочувствительных детекторных приемных устройств и приемных устройств прямого усиления. Это связано с необходимостью создания аппаратуры бесконтактного измерения температуры технологических сред с целью предупреждения явления саморазогрева и самовозгорания, а также СВЧ-термографов для нужд
Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 10, 2014
111
Метрология и информационно-измерительные устройства
науки и сельского хозяйства и различных индикаторов СВЧ-поля.
Сегодня в России серийно производится большое количество детекторов СВЧ-диапазона [1, 2]. Исследованию детекторов СВЧ посвящены десятки книг, брошюр, диссертаций, сотни статей и патентов [3-9]. Однако ни один из существующих детекторов не удовлетворяет всем возможным требованиям. В измерительных задачах требуется малый КСВН. В задачах приема и обработки радиосигналов более важной характеристикой является чувствительность и/или динамический диапазон. Эти требования противоречивы. Поэтому поиск универсального детектора пока не привел к положительному результату.
Целью настоящей работы является исследование детектора, обладающего совокупностью компромиссных параметров.
К детектору предъявляются следующие требования:
• входное сопротивление 50 Ом;
• сопротивление нагрузки 1-10 кОм;
• полярность выходного сигнала - положительная;
• тангенциальная чувствительность не хуже минус 70 дБВт;
• диапазон рабочих частот 0,1-18 ГГц;
• КСВН в диапазоне рабочих частот не более 4-6;
• неравномерность коэффициента передачи в диапазоне рабочих частот не более ±3 дБ;
• ток смещения в пределах минус (50-100) мкА;
• крутизна детекторной характеристики не менее 1 мВ/мкВт до частоты 12 ГГц; в диапазоне частот 12-18 ГГц крутизна не менее 0,5 мВ/мкВт;
• максимальная допустимая входная мощность 50 мВт;
• вход детектора должен иметь присоединительные размеры по типу IX ГОСТ13317- 89, вилка;
• выход детектора должен иметь присоединительные размеры по типу IX ГОСТ13317- 89, гнездо.
Ключевые слова: квадратичный детектор СВЧ; диод с барьером Шотки; конструкция детектора; секторный резистор; чувствительность; динамический диапазон; линейный видеоусилитель; логарифмический видеоусилитель.
ULTRAWIDEBAND DETECTOR
Today the actuality of development of wideband hight-sensitivity detector receivers and straight receivers grows. It is depended on need of development of contactless device for measurement of temperature of technological environment to protedcthem from self-heating and spontaneous combustion and also of microwave thermographs for science and agriculture and of different microwave field indicators.
In our days in Russia many different microwave detectors are releasing. Tens of books, brochures, dissertations, hundreds of articles and patents are devoted to research of microwave detectors. However none of existing detectors meets all requirements. For measurement tasks low VSWR is needed. Sensitivity and dynamic range are needed for receiving and signal processing tasks. These requirements are contradictory. That’s why the search of universal detector has not lead to positive results.
The objective of this article is experimental research of detector, which have set of compromise parameters.
Detector must meet following requirements:
• Input impedance 50 Ohm
• Load resistance 1-10 kOhm
• Tangential sensitivity not less than minus 70 dBW
• 0.1-18 GHz frequency band
• VSWR in work band not higher than 4-6
• Transfer coefficient ripple not higher than ±3 dB
• Bias current in 50-100 mA range
• Detector characteristic sharpness not less than 1mV/uW till 12 GHz; not less than 0.5 mV/uW in 12-18 GHz band
• Maximal input power 50 mW
• Input interface of type IX GOST13317-89, male
• Output interface of type IX GOST13317-89, female
Key words: microwave quadratic detector, schottky diode, detector design, sector resistor, sensitivity, dynamic range, linear video amplifier, logarithm video amplifier.
112
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 10, 2014
Metrology and information-measuring devices
Детектор представляет собой подложку из поликора размером 6 х 4,8 х 0,5 мм, на которой методом тонкопленочной технологии нанесен рези-
стивный слой и проводящий рисунок. Топология печатной платы показана на рисунке 1, а принципиальная схема детектора - на рисунке 2.
Вход
Рис. 1. Топология детектора СВЧ
Как видно из рисунка 1, согласующий резистор выполнен в виде сектора. Сопротивление такого резистора можно рассчитать следующим образом:
R = Гг2 dr = /%* 180
\п*г*а ) V п*а
где r1 - радиус внутренней окружности, мм; r2 - радиус внешней окружности, мм; Rs - поверхностное сопротивление, Ом/и; а - угол сектора.
Полученный результат входит в противоречие с известными справочниками [10, 13], а в [14] решалась другая задача - там вычислено сопротивление между радиусами, а не дугами. В известной
авторам литературе не удалось найти выражение, в точности соответствующее формуле (1). Для малых (г2—г1\
значений I---—I выражение (1) можно упростить,
разложив логарифм в ряд и удерживая только первый член ряда. Известно, что
Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 10, 2014
113
Метрология и информационно-измерительные устройства
Zn(l ± х) = ±х - — ± у - —... » X,
/г2\ /г1 + Дг\ / Дг\
,пУ = ,п(-1^-) = ,п(1+и)'
тогда
* 180\ /г2\ /fis * 180\ Дг
7г*а / ZnW V п*а / rl’
Такое упрощение формулы (1) дает погрешность не более первого отбрасываемого члена разложения в ряд.
Чаще всего в микроэлектронике СВЧ используется поверхностное сопротивление в пределах 50-200 Ом/а
Пусть r1 = 3 мм; r2 = 3,9 мм; R= 100 Ом/а; а = 15°.
Тогда при указанных исходных данных по формуле (1) получаем:
R= 100 * 15 * ЗД4/ (180 * In (jfj\ = 99,7 Ом.
Точность изготовления этого резистора не очень критична и может находиться в пределах ± 10%.
Испытания детектора проводились на установке, структурная схема которой приведена на рисун-
ке 3. В качестве источника радиосигнала с импульсной модуляцией использован генератор СВЧ типа E8267D фирмы Agilent Technologies. В качестве индикатора выходного сигнала использован цифровой осциллограф типа TPS - 2012 фирмы Tektronix.
В качестве видеоусилителя использовался линейный усилитель с усилением 30 дБ и полосой 6 МГц.
Следует подчеркнуть важность минимальной длины кабеля между выходом детектора и входом видеоусилителя. Этот кабель работает на несогласованную нагрузку, имеет емкостной характер и может значительно снижать чувствительность для коротких импульсов. Обычно длина этого кабеля не превышает 200 мм. Еще лучше, когда кабель отсутствует, а детектор и видеоусилитель соединены непосредственно.
Для работы в диапазоне частот 8-12 ГГц достаточно использовать кремниевый смесительный диод 2А125А-3 [11]. Для работы в диапазоне частот 18 ГГц необходимо использовать кремниевый смесительный диод 2А131А-3 [11]. Конструкции диодов и печатной платы позволяют устанавливать оба типа диодов.
Источник литания GPC-3030 'JZ& -ш S t % Й i t
Генератор СВЧ Е82670 Видеоусили
Рис. 3. Структурная схема измерительной установки
Осциллограф
TPS 2012
Рис. 4. Частотная зависимость выходного напряжения вместе с видеоусилителем (при Рвх= 1 мкВт)
114
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 10, 2014
Metrology and information-measuring devices
Из кривой на рисунке 4 видно, что неравномерность выходного напряжения не превышает 4,6 дБ.
Из кривой на рисунке 5 видно, что:
• ход кривой заметно отличается от квадратичного характера;
• тангенциальная чувствительность составляет минус 43 дБм, или минус 73 дБВт (при полосе ВУ 6 МГц);
• при Рвх= -7 дБм видеоусилитель входит в ограничение;
• динамический диапазон входных сигналов, в котором U монотонно зависит от Р , составляет 36 дБ.
• динамический диапазон выходных сигналов при этом составляет 54 дБ. Для идеального квадратичного детектора он должен быть 72 дБ.
Выводы
1. Разработан детектор СВЧ-сигналов, который нашел широкое применение в радиоприемной и измерительной технике благодаря своей широко-полосности и универсальности.
2. Диапазон рабочих частот детектора простирается от 100 МГц до 18 ГГц (с диодами 2А131А-3).
3. Тангенциальная чувствительность детектора при полосе пропускания видеоусилителя 1 МГц и смещении 50 мкА составляет не менее минус 7275 дБВт. Лучшие экземпляры детекторов обеспечивают Рт= -75- -80 дБВт.
4. Динамический диапазон сигналов по входу при линейном видеоусилителе составляет 35±5 дБ.
5. Уточнено выражение для расчета секторного резистора.
Список литературы
1. Техника СВЧ [Текст] // Каталог НПП «Салют». - Н. Новгород, 1997. - 152 с.
2. Коаксиальные, волноводные и оптические устройства [Текст] // Каталог ННИПИ «Кварц». - Н. Новгород, 2002. - 81 с.
3. Кристаллические детекторы. Том 1. [Текст] / перевод с англ; под ред. Е.Я. Пумпера. - М.: Сов. Радио, 1950. - 331 с.
4. Кристаллические детекторы. Том 2. [Текст] / перевод с англ; под ред. Е.Я. Пумпера. - М.: Сов. Радио, 1950. - 332 с.
5. Приемники радиолокационных станций [Текст] / перевод с англ; под ред. А.П. Сиверса. - М.: Сов. Радио, 1949. - 320 с.
6. Силаев М.А. Измерительные полупроводниковые СВЧ преобразователи [Текст] / М.А. Силаев, А.Н. Комов. - М.: Радио и связь, 1984. - 152 с.
7. Бутков В.П. Широкополосные высокочувствительные СВЧ детекторы в микрополосковом исполнении [Текст] / В.П. Бутков, И.И. Пивоваров // Радиотехнические и телевизионные средства сбора и обработки информации. - Таганрог: ТРТУ, 1998. -С. 43-51.
8. Беляев Д.В. Детектор СВЧ в режиме приема балансномодулированных сигналов [Текст] / Д.В. Беляев, А.Н. Зикий, К.Е. Румянцев // Проблемы современной радиоэлектроники. - Ростов н/Д.: ЮР-ГУЭС, 2006.
9. Беляев Д.В. Динамический диапазон детек-
Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 10, 2014
115
Метрология и информационно-измерительные устройства
торного приемника с логарифмическим видеоусилителем [Текст] / Д.В. Беляев, А.Н. Зикий, А.А. Пономаренко // Матер. МНТК «Физика и технические приложения волновых процессов». - Волгоград, 2004. - 6-12 сентября.
10. Конструирование экранов и СВЧ устройств [Текст] / под ред. А.М. Чернушенко. - М: Радио и связь, 1990. - 352 с.
11. Полупроводниковые приборы. СВЧ диоды: Справочник [Текст] / под. ред. Б.А. Наливайко. -Томск: МГП «Раско», 1992. - 224 с.
12. ГОСТ 19656.13-76. Диоды полупроводниковые СВЧ детекторные. Метод измерения тангенциальной чувствительности.
13. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств [Текст] / С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Либ и др.; под ред. В.И. Воль-мана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.
14. Аренков А.Б. Печатные и пленочные элементы РЭА [Текст] / А.Б. Аренков. - Л.: Энергия, 1971.
- 320 с.
References
1. Tehnika SVCh [Tekst] // Katalog NPP «Saljut».
- N. Novgorod, 1997. - 152 s.
2. Koaksial'nye, volnovodnye i opticheskie ustrojstva [Tekst] // Katalog NNIPI «Kvarc». - N. Novgorod, 2002. - 81 s.
3. Kristallicheskie detektory. Tom 1. [Tekst]
/ perevod s angl; pod red. E.Ja. Pumpera. - M.: Sov. Radio, 1950. - 331 s.
4. Kristallicheskie detektory. Tom 2. [Tekst]
/ perevod s angl; pod red. E.Ja. Pumpera. - M.: Sov. Radio, 1950. - 332 s.
5. Priemniki radiolokacionnyh stancij [Tekst] / perevod s angl; pod red. A.P. Siversa. - M.: Sov. Radio, 1949. - 320 s.
6. Silaev M.A. Izmeritel'nye poluprovodnikovye SVCh preobrazovateli [Tekst] / M.A. Silaev, A.N. Komov. - M.: Radio i svjaz', 1984. - 152 s.
7. Butkov V.P. Shirokopolosnye vysokochuvstvi-tel'nye SVCh detektory v mikropoloskovom ispolnenii [Tekst] / V.P. Butkov, I.I. Pivovarov // Radiotehnicheskie i televizionnye sredstva sbora i obrabotki informacii. -Taganrog: TRTU, 1998. - S. 43-51.
8. Beljaev D.V. Detektor SVCh v rezhime priema balansnomodulirovannyh signalov [Tekst] / D.V. Beljaev, A.N. Zikij, K.E. Rumjancev // Problemy sovremennoj radiojelektroniki. - Rostov n/D.: JuRGUES, 2006.
9. Beljaev D.V. Dinamicheskij diapazon detektornogo priemnika s logarifmicheskim videousilitelem [Tekst] / D.V. Beljaev, A.N. Zikij, A.A. Ponomarenko // Mater. MNTK «Fizika i tehnicheskie prilozhenija volnovyh processov». - Volgograd, 2004. -6-12 sentjabrja.
10. Konstruirovanie ekranov i SVCh ustrojstv [Tekst] / pod red. A.M. Chernushenko. - M: Radio i svjaz', 1990. - 352 s.
11. Poluprovodnikovye pribory. SVCh diody: Spravochnik [Tekst] / pod. red. B.A. Nalivajko. -Tomsk: MGP «Rasko», 1992. - 224 s.
12. GOST 19656.13-76. Diody poluprovodnikovye SVCh detektornye. Metod izmerenija tangencial'noj chuvstvitel'nosti.
13. Spravochnik po raschetu i konstruirovaniju SVCh poloskovyh ustrojstv [Tekst] / S.I. Baharev, V.I. Vol'man, Yu.N. Lib i dr.; pod red. V.I. Vol'mana. - M.: Radio i svjaz', 1982. - 328 s.
14. Arenkov A.B. Pechatnye i pljonochnye elementy REA [Tekst] / A.B. Arenkov. - L.: Energija, 1971. - 320 s.
116
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 10, 2014
