毫米波检波器小信号检波特性分析_薛磊.pdf

2022年第46卷第10期91Parts and ApplicationS器 件 与 应 用文献引用格式：薛磊，龚小立，何伟，等.毫米波检波器小信号检波特性分析 J.电声技术，2022，46（10）：91-93，97.XUE L，GONG X L，HE W，et al.Characteristic analysis of small signal detection of millimeter wave detectorJ.Audio Engineering，2022，46（10）：91-93，97.中图分类号：TN912.2 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2022.10.026毫米波检波器小信号检波特性分析薛 磊，龚小立，何 伟，罗小平，向 巧（西南电子设备研究所，四川 成都 610036）摘要：检波器是毫米波接收系统最常用的部件。对检波器的检波特性进行全面分析和测试验证，是研究接收机性能指标的一个重要前提。通过严格的理论分析和推导，论述一种毫米波检波电路在小信号下产生的振荡现象原因，并提出改进方法。关键词：毫米波检波器；振荡器；阻抗匹配Characteristic Analysis of Small Signal Detection of Millimeter Wave DetectorXUE Lei,GONG Xiaoli,HE Wei,LUO Xiaoping,XIANG Qiao(Southwest China Research Institute of Electronic Equipment,Chengdu 610036,China)Abstract:Cymoscope is the most commonly used component in millimeter wave receiving systems.To improve the performance of the receiver,the detection characteristic must be analyzed thoroughly and be tested properly.Through theoretical analysis and derivation,one reason of oscillates under small-signal is discussed and the improvement methods are proposed in this paper.Keywords:millimeter wave receiver;oscillator;impedance matching0 引 言接收机作为检测、分析天线感应电磁信号的重要电子设备，对电子通信系统的性能有着直接影响。在电子战领域，毫米波雷达发挥着极其重要的作用。为提高灵敏度和分辨率，判别目标特征，多数毫米波雷达采用窄脉冲信号。直检式比幅测向接收机不仅在雷达告警系统中发挥着重要的作用，在电子战中同样如此。毫米波比幅测向系统结构 1如图 1所示。后端数据处理天线N天线2天线1射频前端射频前端射频前端检波检波检波对数放大对数放大对数放大图 1 典型毫米波比幅测向系统框图检波器作为微波与毫米波通信中常规器件之一，是实现微波和毫米波信号功率检测、稳幅、自动增益控制等应用的关键部件。由于毫米波信号传输线不能过长，通常将检波器和毫米波前端做在一起组成一个组件。检波后的视频信号经电缆传输到对数视频放大器进行放大，放大后的脉冲信号先进行量化再经过后端预处理后输出脉冲描述字（Pulse Description Word，PDW）。检波组件到对数视频放大器之间常常由于阻抗匹配或接地不良等原因导致通道不能很好地传输窄脉冲信号，使窄脉冲信号灵敏度降低或线性度下降。本文针对毫米波检波器在某一特定输入功率区间下产生的一种振荡现象，分析其形成原因，并给出解决办法。1 检波二极管的构造、原理及设计应用1.1 检波二极管结构当阳极金属与 N 型基板接触时，在其结合处会作者简介：薛 磊（1984），男，本科，技师，研究方向为无线电电子产品调试。2022年第46卷第10期92器 件 与 应 用arts and ApplicationsP存在一个势垒区。由这种势垒构成的二极管叫做肖特基势垒二极管。大多数检波二极管是肖特基势垒二极管，其内部构造如图 2 所示。+-金属N型半导体图 2 肖特基势垒二极管的内部构造1.2 检波二极管的工作原理肖特基势垒二极管作为典型的检波二极管，是利用金属与半导体接触形成肖特基势垒这一原理制作而成，其伏安特性 2为vse1qVTII=（1）式中：为波尔兹曼常数，T 为绝对温度，q 为电子电荷量，Is为二极管的饱和电流。当正向电压加到肖特基势垒二极管两端时，将有正向电流流过二极管。当电压值很小时，正向电流会非常小（趋近于零），称之为死区。随着正向电压的增加，当其超过阈值电压，正向电流迅速上升，肖特基势垒二极管会表现为低阻而进入导通状态。当肖特基势垒二极管两端加上反向电压，在开始很大范围内，肖特基二极管相当于非常大的电阻，反向电流很小3-5，且不随反向电压而变化。因此，肖特基势垒二极管也表现为单向导电性，其伏安特性与 PN 结二极管相似，如图 3 所示。从图 3 可见，肖特基结较 PN 结导通电压更低，近乎为零。IVO肖特基结PN结图 3 肖特基结和 PN 结伏安特性1.3 检波二极管的设计应用本文列举一种 HSCH-9162 型检波二极管构成的毫米波接收机检波放大电路，工作原理如图 4 所示6。其采用峰值包络检波方式，接收天线的多路毫米波信号，在毫米波前端和视频处理的共同作用下完成信号的放大、滤波、检波以及对数放大。LVA图 4 检波放大电路工作原理图2 检波器特性分析2.1 现象分析根据图 4 电路的设计应用并进行了接收机动态范围指标测试 7，将脉冲输入信号按 1 dB 步进增加输入功率，LVA 输出幅度增量存在非线性增长状态。但当输入信号功率再增加 3 dB（穿越非线性区）后，输出功率又开始随输入功率呈线性增长，如图 5 所示。-24135140145150155160165170-23非线性区-22-21-20-19-18-17图 5 小信号下 LVA 输出曲线在时域上分析，在检波电路和 LVA 级联工作的情况下，检波电路在输入功率到达非线性问题的区域时，在二极管检波电路和 LVA 之间的通道，低频包络上出现了一个高频分量。同时，由于能量在极大程度上分散到了高频分量，包络的幅度并没有增加。当高频信号在 LVA 中被滤除后，在视频输出端表现出低频信号未线性增长，如图6 所示。经测量，高频分量的周期约为 3 ns（频率 约 300 MHz）。图 6 出现非线性点时的波形与正常波形对比2.2 原理分析检波电路与 LVA 级联工作时，其等效电路如2022年第46卷第10期93Parts and ApplicationS器 件 与 应 用图 7 所示。+-+-ZLRCuiuouiVD图 7 峰值包络检波原理图检波二极管 VD 伏安特性为()/Se1qv KTII=（2）式中：IS为反向饱和电流，v 为外加正向端电压，K 为波尔兹曼常数（1.3810-23），q 为电子电量（1.610-19 C），T 为绝对温度。而检波器导通电阻为dddVRI=（3）从伏安特性可以看出，检波二极管的电压和电流是非线性阻抗特性。它正是利用这一特性来实现检测功能，将射频信号转换为微小的视频信号。在常温（T=300 K）下，结合检波管偏置电流，可以计算检波器内阻为几百欧级别，而负载电容 C 为皮法级别，负载电阻 R 为兆欧级别。输入信号 Vi通过二极管对负载电容 C 充电。负载电容 C 放电负载电阻 R 的过程，也就是检波二极管的检波过程。二极管正向传导电阻为 Rd，充电时间常数是 c，放电时间常数为 f，R 和 Rd的阻值差异在 1 000 倍以上。当检波器工作时，在 Vi正半周的部分时间（900），二极管导通，对负载电容 C 充电，c=RdC。因为 Rd很小，所以 c很小，vo=vs。在 Vi的其余时间（90），二极管处于截止状态，负载电容 C 通过负载电阻 R 放电，其放电时间常数 f=RC。此处 R 取值较大，因此 f的值也较大，负载电容 C 两端电压下降幅度较低，其输出电压值 vo vs。这个过程被反复重复并且在电容器 C 上获得与调制信号一致的电压波形，从而完成信号解调。由于电容 C 充电迅速，放电缓慢 8，经过几个循环，检波器的输出电压 V0在充放电过程中逐渐稳定起来。一个较大的负电压在二极管 VD 上形成，使得二极管仅仅在接近输入电压峰值时开启。其接通时间相当短，同时拥有非常小的电流导通角。当电容 C 充放电进入动态平衡，oV会随着高频周期呈锯齿形波动，但是其平均值稳定在某个值附近，其波动情况与输入 AM 信号的包络变化相同，从而 AM 信号的解调得以实现。图 7 中的 RC 电路有两个功能：（1）对于低频调制信号 u，电容 C 电抗值1RC。此时电容 C 可看做开路，电阻 R 就成了检波负载，低频解调电压即在电阻两端生成；（2）对于高频载波信号 uc，电容 C 满足1RC，电容 C 此时可视为短路，等同高频信号的旁路效应，即去除高频信号。根据图 5 的测试结果，同时结合检波电路的原理分析，造成 LVA 在特定输入功率区间叠加的高频分量实际是一种谐振现象。谐振公式 9 为012fLC=（4）式中：f0为 300 MHz，C 为 8.2 pF。由于在高频条件下，线圈及传输线都可等效成电感，则求得 L 为30 nH。2.3 优化处理二极管包络检波实际上是 RC 振荡的过程。当输入信号的幅度信息和相位信息同时达到特定条件时，这个电路就会发生谐振，从而形成上述故障现象。对此的改进方向有两个：（1）破坏振荡发生的幅度条件；（2）破坏振荡发生的相位条件。由于在比幅测向系统中，幅度信息输入监测项目，会随着目标的距离不断发生变化，幅度条件无法完全破坏，总会存在某种时刻，达到幅度起振条件。因此，只能改变网络的相位条件，才能达到消振的目的。在实际操作中采用电感元件来进行调试，电感值选为 39 nH 左右。在图 7 电路中并联一个 39 nH 的电感，如图 8所示。根据式（4）最终求得 f0为 15 MHz，该频率接近于视频信号频率。ZLRLCuiuouiVD+-+-图 8 峰值包络检波原理图（并联电感后）（下转第 97 页）2022年第46卷第10期97Parts and ApplicationS器 件 与 应 用好地吸声性能，可以对不同频率的噪声进行吸收，特别是低频噪声。参考文献：1 马大猷.微穿孔板吸声结构的理论和设计 J.中国科学，1975（1）：38-50.2 彭健，肖新标，李承城，等.微穿孔板在列车空调风道中的应用研究 J.机械，2022，49（8）：24-29.3 金伟楠，卢傅安，么立新，等.某轴流压缩机用微穿孔板降噪结构设计 C/第十九届沈阳科学学术年会，2022.4 李森琛.基于微穿孔板吸声结构的直升机舱内降噪技术研究 D.南京：南京航空航天大学，2020.5 马大猷.组合微穿孔板吸声结构 J.噪声与振动控制，1990（3）：3-9.6 陈杰，吴锦武，燕山林，等.微穿孔介电弹性体薄膜的 吸 声 性 能 试 验 分 析 J/OL.应 用 声 学：1-10 2022-09-25.http:/ 燕山林，吴锦武，熊引，等.蜂窝微穿孔结构的宽频吸声优化设计与分析 J.振动与冲击，2022，41（19）：248-253.8 孟令晗，朱海潮，侯九霄.折叠背腔微穿孔结构的宽频吸声特性研究 J.噪声与振动控制，2022，42（2）：90-94.9 刘志恩，袁金呈，陈弯，等.复合微穿孔板吸声结构吸声特性分析及优化 J.声学技术，2021，40（4）：515-520.10 吴佳康，柳政卿，王秋成.复合微穿孔板吸声结构声学性能预测 J.噪声与振动控制，202