УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ УРОВНЯ СВЧ-ПОЛЯ Российский патент 1995 года по МПК G01R29/04 G01R23/04 

Изобретение относится к области СВЧ-измерений и может быть использовано для оценки степени биологической опасности излучений вблизи СВЧ-установок, в частности СВЧ-печей, радаров, телевизионных передатчиков.

Требование высокой долговечности и надежности более всего реализуются в пассивном устройстве для оценки уровня СВЧ-поля, т.е. устройстве, не имеющем источников питания, а малые габариты определяют возможность использования устройства в качестве средства индивидуального пользования.

Изобретение обеспечивает значительное уменьшение зависимости показаний устройства от вида модуляции СВЧ-сигнала от непрерывного до импульсно-модулированного в широком диапазоне скважностей и длительностей импульсов. При этом одновременно обеспечивается и работа в широкой полосе частот СВЧ за счет обеспечения согласования для указанных режимов модуляции.

На фиг. 1 представлена электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 диаграмма работы обеих пар СВЧ-диодов при различной скважности СВЧ-сигнала.

Предлагаемое устройство содержит антенну 1, выполненную в виде короткозамкнутого отрезка волновода 2 с емкостным элементом связи 3, используемым в качестве первого вывода антенны, вторым выводом которой является корпус волновода, причем указанные выводы соединены с первым и вторым входными выводами СВЧ-детектора 4, содержащего две схемы детектирования с удвоением выпрямленного напряжения каждая, одна из которых содержит первую пару однотипных высокочувствительных полупроводниковых СВЧ-диодов 5, 6, одни электроды которых противоположной полярности соединены между собой и через добавочный резистор 7 с первым входным выводом СВЧ-детектора 4, другие электроды диодов 5, 6 соединены с первым и вторым выходными выводами детектора 4 и с обкладками последовательно включенных фильтровых СВЧ-конденсаторов 8, 9, точка соединения которых подключена к второму входному выводу детектора 4, вторая схема детектирования выполнена аналогично первой с той разницей, что образующая ее пара однотипных СВЧ-полупроводниковых диодов 10, 11 выбрана с более высокой величиной постоянного прямого напряжения диода, чем у диодов 5, 6.

При этом соединенные между собой электроды противоположной полярности диодов 10, 11 подключены к первому выводу детектору 4 через добавочный резистор 12, другие электроды 10, 11 соединены с третьим и четвертым выходными выводами детектора 4 и с обкладками последовательно включенных СВЧ-фильтровых конденсаторов 13, 14, а точка соединения последних к второму входному выводу детектора 4, причем между первым и вторым входными выводами детектора 4 на его входе включен согласованный резистор 15. К первому и второму, третьему и четвертому выходным выводам СВЧ-детектора 4 подключены диоды 16 и 17 соответственно так, что полярность их электродов, подключаемых к указанным выводам, противоположна полярности электродов СВЧ-диодов детектора 4, подключенных к этим выводам.

Выходные выводы детектора 4 соединены с интегрирующей цепью 18, содержащей первый нагрузочный резистор 19, второй нагрузочный резистор 20 и интегрирующий конденсатор 21. При этом первый и третий выходные выводы детектора 4 через резисторы 19 и 20 соответственно соединены с одной обкладкой конденсатора 21, а второй и четвертый выводы детектора с другой обкладкой конденсатора, причем параллельно конденсатору 21 подключен пассивный измерительный прибор 22 постоянного тока, в качестве которого может быть использован микроамперметр или милливольтметр, а параллельно измерительному прибору включен светоизлучающий диод 23, полярность электродов которого соответствует полярности электродов измерительного прибора, к которым он подключен.

Устройство работает следующим образом.

Входной СВЧ-сигнал, величина которого определяется плотностью потока мощности и эффективной площадью антенны, поступает на антенну 1 и с ее выходных выводов 1 и 2 на первый и второй входные выводы СВЧ-детектора 4. СВЧ-мощность, поступившая на СВЧ-детектор, создает на согласованном с выходом антенны резисторе 15 СВЧ-напряжение, пропорциональное указанной мощности. СВЧ-напряжение через добавочный СВЧ-резистор 7 поступает на вход первой пары СВЧ-полупроводниковых диодов 5 и 6, имеющих низкое прямое падение напряжения (низкий потенциальный барьер), а через добавочный СВЧ-резистор 12 на вход второй пары СВЧ-полупроводниковых диодов 10 и 11, имеющих по сравнению с первой парой СВЧ-диодов более высокую величину прямого падения напряжения (потенциального барьера). Каждая пара СВЧ-диодов осуществляет детектирование СВЧ-напряжения совместно с соответствующими СВЧ-конденсаторами 8, 9 и 13, 14 по схеме удвоения. Положительные полуволны СВЧ-напряжения детектируются в первой паре СВЧ-диодом 5 и фильтровым СВЧ-конденсатором 8, отрицательные диодом 6 и фильтровым конденсатором 9. Суммарное напряжение видеосигнала первой пары выделяется на обкладках конденсаторов 8 и 9, подключенных к первому и второму выходам СВЧ-детектора 4, а нагрузкой для этого напряжения служит нагрузочный резистор 19 в интегрирующей цепи 18, соединенный с интегрирующим конденсатором 21.

Аналогично осуществляется детектирование напряжения в схеме удвоения второй пары СВЧ-диодов 10, 11 с фильтровыми конденсаторами 13, 14.

Выпрямленное суммарное напряжение этой пары выделяется на нагрузочном резисторе 20 и поступает на интегрирующий конденсатор 21. Интегрирующая цепь 18, образованная резисторами 19, 20 и конденсатором 21, создает постоянные составляющие импульсных последовательностей видеотоков от первой и второй пар СВЧ-диодов, выделяемые на входном сопротивлении измерительного прибора 22, подключенного параллельно конденсатору 21. Таким образом измерительный прибор 22 регистрирует сумму постоянных составляющих импульсных последовательностей видеотоков в обеих пар СВЧ-диодов детектора 4. Указанная сумма токов является мерой средней СВЧ-мощности, поступающей на вход антенны, а следовательно, мерой плотности потока мощности (Р)
P где Р_ср средняя входная мощности;
S_эф эффективная площадь антенны.

С ростом скважности при постоянной средней мощности (см. фиг. 2) вначале детектирует первая, низкобарьерная пара СВЧ-диодов 5 и 6 с ее добавочным 7 и нагрузочным 19 резисторами, затем при дальнейшем росте скважности начинает детектировать вторая, высокобарьерная пара диодов 10 и 11 с ее добавочным 12 и нагрузочным 20 резисторами, доля первой пары падает, второй возрастает так, что сумма постоянных составляющих токов видеосигналов, регистрируемая измерительным прибором 22, примерно постоянна для широкого диапазона скважностей и длительностей СВЧ-сигналов.

При этом ширина полосы СВЧ-частот входного сигнала обеспечивается согласованием детектора 4 с антенной с использованием согласованного резистора 15, развязкой обеих пар с помощью резисторов 7 и 12 при соответствующем режиме детектирования, определяемом нагрузочными резисторами 19 и 20. При фиксированной величине средней СВЧ-мощности Р_ср, а значит и плотности потока мощности СВЧ, величина амплитуды СВЧ-напряжения U_m на входном согласованном резисторе 15 СВЧ-детектора 4 будет увеличиваться пропорционально росту скважности Q входного сигнала.

Рассмотрим три варианта скважности:
a) Q 1 (непрерывный СВЧ-сигнал),
б) Q 10-15 (средняя скважность);
в) Q 100-200 (высокая скважность), которые отражены на фиг. 2. Исходим при этом из следующим общих соотношений:
средняя мощность
P_ср=
(1) где Р_имп СВЧ-мощность в импульсе; амплитуда СВЧ напряжения
U=
(2) где r_с согласованное входное сопротивление СВЧ-детектора (резистор 15);
I Г I модуль коэффициента отражения СВЧ детектора, тогда
U=
(3)
Для сохранения постоянной зависимости U_mСВЧ (при заданной Р_ср) от Q необходимо примерное постоянство r_c (минимальное влияние входного сопротивления обеих детектирующих пар СВЧ-диодов) и минимизация коэффициента отражения, что также связано с входным сопротивлением диодных пар.

На фиг. 2 приведены вольтамперные характеристики первой пары (U_AX1) СВЧ-диодов с низким потенциальным барьером и второй пары (U_AX2) с более высоким потенциальным барьером. Здесь же показаны (по вертикальной отрицательной оси) амплитуды СВЧ-напряжений на входах СВЧ-детектора для различных скважностей.

Из формулы (3) очевидно, что при непрерывном сигнале (Q 1) амплитуда СВЧ сигнала U_m (Q 1) минимальна (для фиксированной Р_ср, см. фиг. 2, а). Для средних значений скважностей U_m˙Q_cp (см. фиг. 2, в).

При этом амплитуда видеосигналов на нагрузочных резисторах каждой пары обозначена U_Ω (с соответствующим индексом 1, 2), постоянные напряжения на измерительном приборе U_н, величина импульсного СВЧ-тока диода I_m, величина видеотока в нагрузочном резисторе каждой пары диодов I_Ω величина постоянной составляющей видеотока в цепи измерительного прибора I₌.

При непрерывном сигнале малая амплитуда СВЧ-напряжения U_m(Q 1) отпирает СВЧ-диоды 5, 6 только первой пары. При этом амплитуда СВЧ-тока в диоде I(Q= 1), а постоянная составляющая I₌(Q 1). Нагрузка первой пары в этом случае является суммарное сопротивление резистора 19 и входного сопротивления по постоянному току измерительного прибора, превышающего на порядок величину сопротивления 19. Это обеспечивает повышение чувствительности при работе на участке самой низкой крутизны вольтамперной характеристики диодов первой пары (улучшение КПД детектирования).

При работе в импульсном режиме (см. фиг. 2, б, в) амплитуда СВЧ-напряжения повышается (см. формулу 3) с ростом скважности, возрастает крутизна характеристики на рабочем участке U_AX1 (см. фиг. 2), но нагрузкой первой пары теперь становится только резистор 19, так как сказывается действие интегрирующей емкости 21, шунтирующей видеосигнал, что выравнивает чувствительность устройства для непрерывного режима и режимов малых и средних скважностей.

При средних Q_ср величинах скважностей (см. фиг. 2, б) амплитуда СВЧ-напряжения U_m(Q_cp) создает большой (для первой пары) СВЧ-ток в ее диодах I_m1(Q_cp), при этом амплитуда тока продетектированного видеосигнала в нагрузке (резистор 19) I_Ω1(Q_cp), постоянная составляющая тока последовательности видеоимпульсов I ₌₁(Q_cp), длительность видеоимпульсов τ_и(Q_cp) в период их следования Т_н(Q_cp). Постоянная составляющая определяется как
I₌=
(4) Амплитуда видеосигналов на нагрузочном резисторе 19 первой пары определяется как
U_Ω1= I_Ω1˙R₁₉ (5) При этих же скважностях (Q_cp) начинает открываться вторая пара СВЧ-диодов 10,11, имеющая более высокий потенциальный барьер. За счет СВЧ-амплитуды U_m(Q_cp) создается амплитуда СВЧ-тока диодов второй пары I(Q_cp), при этом амплитуда продектированного тока диодов второй пары в ее нагрузочном резисторе 20 I_Ω2(Q_cp), а постоянная составляющая импульсной последовательности второй пары создается за счет интегрирующей цепи (резистор 20 и конденсатор 21 в цепи измерительного прибора 22).

Благодаря подключения нагрузочных резисторов 19 и 20 к общей интегрирующей емкости 21 интегрирующей цепи 18 и подключению измерительного прибора 22 к этой емкости в измерительном приборе суммируются постоянные составляющие видеотоков обеих пар I_Σи.п.= I₌₁ + I₌₂. При этом в суммарном токе I_Σи.п. при средних скважностях доля первой пары I ₌₁ основная, а второй I₌₂ невелика, а с ростом скважности возрастает доля второй пары и уменьшается доля первой за счет ее ограничения добавочным резистором 7 и нагрузочным 19, вследствие чего сумма долей обеих пар (ток измерительного прибора) остается примерно постоянной.

При большой скважности Q_в (см. фиг. 2, в) большая амплитуда СВЧ-напряжения U_m(Q_в) создает значительную амплитуду СВЧ-тока диодов второй пары I_m2(Q_в), амплитуда видеотока в нагрузочном резисторе 20 второй пары I_Ω2(Q_в) также возрастает и обеспечивает получение соответствующих величин постоянной возрастающей тока последовательности видеоимпульсов от второй пары диодов I₌₂(Q_в) и амплитуды видеоимпульса на нагрузочном резисторе второй пары U_Ω2. Открытые диоды первой пары в этом случае обеспечивают СВЧ-ток I_m1(Q_в), создающий продетектированный видеоток I_Ω1(Q_в) в нагрузочном резисторе 19 первой пары. Величина нагрузочного резистора 19 первой пары, действуя совместно с СВЧ-резистором 7, ограничивает долю тока первой пары в общей сумме токов, так как первая пара, обладающая высокой чувствительностью, не может обеспечивать одновременно и большие импульсные видеотоки, необходимые для работы с большой скважностью, и работать на участке максимальной нелинейности, что необходимо для обеспечения примерно квадратичной зависимости выпрямленного видеотока от приложенного СВЧ-напряжения. Действительно, если I_Ω= U_m², тогда
I₌= ≡ U2m

Основная доля постоянной составляющей при высокой скважности от второй пары, доля первой пары мала, а их сумма (I_Σи.п.)благодаря предложенной схеме и выбору соответствующих номиналов резисторов остается примерно постоянной при изменении скважности.

Величина сопротивления резистора 7 низкобарьерной пары диодов больше величины сопротивления резистора 12 для высокобарьерной пары. В то же время величина сопротивления нагрузочного резистора 19 первой пары диодов в несколько раз больше сопротивления нагрузочного резистора 20 второй пары диодов.

Такой выбор сопротивлений резисторов ограничивает ток первой пары диодов и напряжение на ее диодах при росте скважностей и сохраняет примерно постоянной сумму постоянных составляющих обеих пар.

Таким образом. I_Σи.п.=I₌(Q=1)≈I₌₁(Q_ср)+ +I₌₂(Q_ср)≈I₌₁(Q_в)+I₌₂(Q_в)
Суммарная постоянная составляющая, регистрируемая измерительным прибором, мало зависит от скважности при постоянной средней мощности на СВЧ-детекторе, а значит и при постоянной плотности потока мощности на входе антенны. Действительно,
I₌₁= I₌₂=
I₌₁+I₌₂= Причем, если I_Ω1,2≡KU_m² (работа на нелинейном участке вольтамперной характеристики СВЧ-диода), то I_Σи.п.= I₌₁ + I₌₂ (k₁ + k₂)˙U_m² k˙U_m²;
U_m=
P ≡ I_Σи.п, I_Σ P где Р плотность потока СВЧ-мощности.

Для работы в широком диапазоне длительностей постоянная времени СВЧ-детектора (τ_нагр), равная произведению величины фильтровой СВЧ-емкости на величину нагрузочного сопротивления любой из пар диодов, должна быть на порядок меньше минимальной длительности (τ_min) СВЧ-импульса, т.е. τ_нагр С_{ф(8,9,13,14)} ˙r_н(19,20)≈ 0,1˙τ_min.

В этом случае форма видеоимпульса на нагрузочном резисторе достаточно точно повторяет форму СВЧ-импульса, поэтому приведенные выше формулы для постоянных составляющих токов (I₌) и для видеотоков (I_Ω) будут справедливы.

Экспериментально подтверждено, что в устройстве практически отсутствует зависимость показаний измерительного прибора 22 от изменений длительности СВЧ-импульсов.

Для работы в широком диапазоне скважностей постоянная времени интегрирующей цепи должна быть на порядок больше максимального периода (Т_max) СВЧ-импульсов, т.е.

τ_и.ц. С_и.ц. ˙r_и.ц. ≥Т_max.

Первый и второй добавочные резисторы 7, 12 необходимы для реализации следующих функций: развязки каждой из пар СВЧ-диодов от согласованного СВЧ-резистора 15 и друг от друга для обеспечения примерного постоянства входного сопротивления СВЧ-детектора, исключения шунтирования резистора 15 открытыми парами СВЧ-диодов при больших скважностях. Величина СВЧ-резистора 7, примерно равная величине согласованного резистора 15, обеспечивает ограничение СВЧ-напряжения и мощности на первой паре СВЧ-диодов, а следовательно, долю ее тока в общей сумме при большой скважности (большой амплитуде СВЧ-напряжения).

Развязка резисторами 7 и 12 обеспечивает также уменьшение реактивной составляющей входного сопротивления подключенных к согласованному резистору 15 обеих пар СВЧ-диодов с их индуктивностями и резко меняющимися емкостями переходов при работе на низкочастотные нагрузочные резисторы 19, 20, т.е. обеспечивает минимизацию коэффициента отражения Г (3).

Резисторы 7, 12 также существенно уменьшают добротность последовательной резонансной цепи СВЧ-диодов, позволяя достичь равномерности коэффициента передачи СВЧ-напряжения от согласованного СВЧ-резистора 15 до p-n-перехода полупроводникового диода.

Таким образом, наличие резисторов 15, 7, 12, обеспечивая работу схемы детектора 4 в широком диапазоне длительностей и скважностей, одновременно обеспечивает возможность сохранения малой зависимости от скважности и длительности в широком диапазоне СВЧ-частот.

Кроме того, применение согласованного резистора 15 позволяет "сжать" динамический диапазон амплитуд СВЧ-напряжения на СВЧ-детекторе при широком динамическом диапазоне по СВЧ-мощности на входе устройства (до 25-39 дБ) и при этом повысить надежность за счет уменьшения максимальных амплитуд на СВЧ-детекторе 4.

Ограничительные диоды 16 и 17 в сочетании со схемой удвоения также существенно повышают надежность устройства, защищая диоды обеих пар от обратного напряжения при высоких уровнях входного СВЧ-сигнала.

Светоизлучающий полупроводниковый диод 23, подключенный параллельно измерительному прибору, имеет падение напряжения, соответствующее порогу зажигания, больше, чем падение напряжения на измерительном приборе при предельном по шкале прибора измеряемом параметре. Тем самым при уровнях СВЧ-мощности, опасных для человека, обеспечивается световая индикация с сохранением малой зависимости от скважности, длительности и частоты СВЧ-сигнала.

Применение широкополосных антенн (спиральных, рупорных, логопериодических, многовибраторных) позволяет существенно расширить диапазон СВЧ-частот устройства. Устройство позволяет производить оценку уровня СВЧ-полей широкого класса СВЧ-установок.

Испытания макета данной конструкции с применением СВЧ-полупроводниковых диодов типа 2А202 в первой паре и 3А112 во второй паре дали следующие результаты: уровни поля, оцениваемые по прибору, 5-50 мкВт/см²; уровень индикации светодиодов 200-300 мкВт/см²; диапазон длительностей СВЧ-импульсов 0,1-500 мкс; диапазон скважностей 1-200; диапазон СВЧ-частот (для данной конструкции) 2600-3200 мГц; неравномерность показаний (по уровню 25 мкВт/см²) не превышает ±2 дБ в указанных диапазонах.

Использование: в области СВЧ - измерений для оценки степени биологической опасности излучений вблизи СВЧ установок, в частности СВЧ печей, радаров, телевизионных передатчиков. Сущность изобретения: устройство содержит антенну 1, выходы которой соединены с входными выводами СВЧ-детектора 4, а выходные выводы последнего подключены к интегрирующей цепи 18, включающей нагрузочные резисторы 19, 20, соединенные с интегрирующим конденсатором 21, параллельно которому подключены измерительный прибор 22 и светоизлучающий диод 23. При этом СВЧ-детектор 4 содержит две пары диодов 5,6 и 10, 11, каждая из которых включена совместно с фильтровыми СВЧ-конденсаторами 8,9 и 13, 14 соответственно по схеме удвоения напряжения. Причем СВЧ-диоды одной пары выбраны с более высокой величиной постоянного прямого напряжения, чем у другой пары. У каждой пары СВЧ-диодов одни электроды противоположной полярности объединены и соединены через добавочный резистор 7 (и соответтвенно 12) с первым входным выводом СВЧ-детектора 4, второй входной вывод которого соединен с точкой соединения фильтровых СВЧ-конденсаторов, включенных последовательно между другими электродами данной пары СВЧ- диодов, являющимися первым и вторым и соответственно третьим и четвертым выходными выводами СВЧ-детектора, а на входе СВЧ-детектора между первым и вторым входными выводами включен согласующий резистор 15. Первый и третий выходные выводы СВЧ-детектора соединены с одной обкладкой интегрирующего конденсатора 21 через нагрузочные резисторы 19 м 20 соответственно, а второй и четвертый выводы СВЧ-детектора соединены с другой обкладкой интегрирующего конденсатора непосредственно. Параллельно выходам каждой пары включены ограничительные диоды 16 и 17. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ УРОВНЯ СВЧ-ПОЛЯ, содержащее антенну, две пары детекторных диодов, первые разноименные электроды детекторных диодов каждой пары соединены между собой, а вторые соединены с первыми обкладками двух фильтрующих конденсаторов, вторые обкладки которых соединены между собой и подключены к первому выводу антенны, последовательно соединенные первый резистор и конденсатор, образующие первую интегрирующую цепь, вход которой подключен к точке соединения электрода одного из детекторных диодов и первой обкладки одного из фильтрующих конденсаторов одной пары, второй резистор, первый вывод которого подключен к точке соединения одноименного электрода детекторного диода и первой обкладки одного из фильтрующих конденсаторов другой пары, и измерительный пассивный прибор, отличающееся тем, что введены третий и четвертый резисторы, одни из выводов которых соединены с вторым выводом антенны, а другой вывод каждого подключен к точке соединения первых разноименных электродов детекторных диодов соответствующей пары, пятый резистор, который включен между выводами антенны, и первый и второй ограничительные диоды, включенные в прямом направлении параллельно фильтрующим конденсаторам соответствующей пары детекторных диодов, второй вывод второго резистора подключен к точке соединения первого резистора и конденсатора и образует с ним вторую интегрирующую цепь, к выходу которой подключен пассивный измерительный прибор, при этом первый ограничительный диод включен параллельно входу первой интегрирующей цепи, а второй ограничительный диод включен параллельно входу второй интегрирующей цепи и величина потенциального барьера детекторных диодов одной пары превышает величину потенциального барьера детекторных диодов другой пары. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что параллельно измерительному пассивному прибору включен светоизлучающий полупроводниковый диод.