АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 2003 года по МПК H03D1/12 H03D7/14 

Амплитудный детектор относится к устройствам детектирования амплитудно-модулированных радиочастотных или иных колебаний с использованием нелинейного элемента и предназначено для выделения огибающей детектируемого сигнала на выходной нагрузке.

Широко известен амплитудный детектор [1], содержащий нелинейный элемент (например, диод или транзистор) и цепь нагрузки, состоящей из фильтра нижних частот и нагрузочного резистора, на котором выделяется напряжение огибающей входного сигнала. Цель детектирования заключается в получении максимального коэффициента передачи по напряжению, определяемого отношением амплитуды напряжения выходного сигнала на нагрузочном резисторе к напряжению огибающей входного сигнала. Максимальная величина коэффициента передачи в диодном детекторе достигается выбором большого сопротивления нагрузки, значительно превышающего динамическое (внутреннее) сопротивление диода [1]. При этом активная составляющая входного сопротивления детектора составляет приблизительно половину величины сопротивления нагрузочного резистора [1], что значительно превышает сопротивление источника сигнала. Высокое входное сопротивление амплитудного детектора, предназначенного для работы на относительно низких радиочастотах и обычно используемого на выходе тракта промежуточной частоты супергетеродинного приемника [1], является полезным, т.к. не шунтирует резонансную нагрузку усилителя промежуточной частоты. Однако если между детектором и источником сигнала присутствует длинная линия, как например в сверхвысокочастотном (СВЧ) детекторе, высокое входное сопротивление детектора приводит к режиму стоячей волны в линии и частотно-зависимому отражению части мощности входного сигнала от нелинейного элемента. Поэтому к амплитудным детекторам, работающим в СВЧ диапазоне, предъявляются требования по обеспечению не только высокого коэффициента передачи, но и высокой степени согласования с источником сигнала, определяемой величиной коэффициента стоячей волны (КСВ) в заданной полосе рабочих частот [2]. Для достижения хорошего согласования (КСВ≤2) в качестве согласующего устройства в основном применяются резонансные элементы на отрезках линии передачи, а также поглотители СВЧ энергии [2]. Применение первых позволяет согласовать детектор в узкой полосе частот входного сигнала, а использование поглотителей обеспечивает широкополосное согласование, но существенно снижает коэффициент передачи детектора из-за потерь энергии СВЧ сигнала.

Согласующее устройство может быть выполнено различным образом. По отношению к нелинейному элементу элементы согласующего устройства могут располагаться как перед ним, так и по обе стороны от места его включения (например, в СВЧ диодных детекторах последовательного типа цепь, подключенная к выходному зажиму диода, служит дополнительной согласующей реактивностью и одновременно отфильтровывает высокочастотные составляющие радиосигнала, образуя фильтр нижних частот). Поэтому для упрощения изложения и с учетом того, что целью настоящей заявки не является усовершенствование собственно согласующей цепи и элементов подключения нелинейного элемента, при дальнейшем описании будем считать, что согласующее устройство и названные элементы подключения входят в состав нелинейного элемента. Иными словами, будем считать, что нелинейный элемент содержит собственно нелинейный элемент (например, диод), элементы его подключения к источнику (или входной линии передачи) и элементы согласующего устройства.

По той же причине под "нагрузкой" нелинейного элемента будем понимать все элементы амплитудного детектора, образующие фильтр нижних частот, нагрузочный резистор, а также возможные цепи смещения по постоянному току.

Простейший амплитудный СВЧ детектор [2] является наиболее близким аналогом заявляемому устройству и выбран за его прототип.

Известное устройство (фиг.1) содержит нелинейный элемент 1, имеющий входное сопротивление Z_BX комплексного характера, и нагрузку 2 для продетектированного сигнала.

Устройство работает следующим образом. Входной сигнал поступает на нелинейный элемент 1, использующий, например, полупроводниковый диод. Ток через нелинейный элемент, возникающий при приложении к его электродам входного напряжения, содержит в своем спектре составляющие огибающей входного сигнала. Эти составляющие тока нелинейного элемента выделяют соответствующее напряжение на активном сопротивлении нагрузки 2, включенной в цепь постоянного тока нелинейного элемента. Коэффициент передачи и входное сопротивление детектора, определяющее качество согласования по входу детектора, зависят от типа нелинейного элемента и величины нагрузочного резистора. Если в составе нелинейного элемента 1 используются поглощающие элементы для согласования с источником сигнала, часть энергии входного сигнала бесполезно рассеивается в них, что приводит к снижению коэффициента передачи детектора.

Недостатками прототипа являются:
- принципиальная невозможность повышения коэффициента передачи в условиях ограничения заданного значения КСВ входа детектора;
- принципиальная невозможность получения хорошего согласования детектора при требовании высокого коэффициента передачи.

На практике для детекторов, работающих при малых входных сигналах, приходится выбирать компромисс между допустимыми значениями КСВ в заданном рабочем диапазоне частот и коэффициентом передачи детектора. Зачастую при использовании перед СВЧ детектором фильтра с высокими требованиями к форме амплитудно-частотной характеристики становится необходимым дополнительное применение дорогостоящих ферритовых развязывающих устройств, что приводит к увеличению габаритов и стоимости аппаратуры. При этом снижается КСВ детектора, но не повышается его коэффициент передачи. Последний только падает на величину потерь в развязывающем устройстве.

Указанные недостатки не позволяют решить задачу одновременного повышения коэффициента передачи и снижения КСВ детектора-прототипа.

Целью изобретения является повышение коэффициента передачи амплитудного детектора и улучшение его согласования с источником входного сигнала.

Указанная цель достигается тем, что предлагаемый детектор кроме нелинейного элемента и нагрузки содержит, в отличие от прототипа, квадратурный мост, подстроечную реактивную нагрузку и комплексную нагрузку, сопротивление которой равно входному сопротивлению нелинейного элемента, причем источник входного сигнала подключен к первому входному плечу моста, реактивная нагрузка подключена ко второму, развязанному с первым, входному плечу моста, нелинейный элемент подключен к первому выходному плечу моста, а комплексная нагрузка - ко второму выходному плечу моста, развязанному с первым выходным плечом моста.

Другой целью изобретения является расширение диапазона рабочих частот и динамического диапазона входных сигналов детектора. Указанная цель достигается тем, что комплексная нагрузка представляет собой нелинейный элемент, идентичный нелинейному элементу, подключенному к первому входному плечу квадратурного моста.

Как известно, входное сопротивление нелинейного элемента зависит от рабочей частоты и уровня входного сигнала. Поэтому выбор величины комплексной нагрузки, эквивалентной входному сопротивлению нелинейного элемента, необходимо производить для центральной частоты диапазона рабочих частот и входных сигналов малой амплитуды, при которых особенно важно повысить коэффициент передачи детектора. При увеличении уровня входного сигнала так же, как и при изменении его частоты, будет иметь место изменение входного сопротивления нелинейного элемента и, следовательно, появления неидентичности нагрузок выходных плеч квадратурного моста при неизменном сопротивлении комплексной нагрузки. Это приведет к повышению КСВ входа детектора и к снижению его коэффициента передачи. Поэтому в качестве комплексной нагрузки целесообразно использовать нелинейную комплексную нагрузку, сопротивление которой в заданном диапазоне частот и уровней входных сигналов будет изменяться так же, как и входное сопротивление нелинейного элемента. Этому условию соответствует выполнение комплексной нагрузки в виде второго нелинейного элемента, идентичного основному, что приводит к частотно- и амплитудно-независимой идентичности нагрузок выходных плеч моста и, следовательно, получению того же положительного эффекта - увеличение коэффициента передачи и улучшение согласования по входу детектора, но в более широкой полосе частот и в большем динамическом диапазоне входных сигналов, чем это обеспечивает детектор с фиксированной комплексной нагрузкой.

На фиг. 1 прилагаемого чертежа представлена структурная электрическая схема прототипа, на фиг. 2 - предлагаемого устройства, на фиг.3 - пример конструкции предлагаемого детектора в микрополосковом исполнении.

Предлагаемый детектор (фиг. 2) содержит нелинейный элемент 1, имеющий входное сопротивление Z_ВХ, и нагрузку 2. В отличие от прототипа в него введены квадратурный мост 3, реактивная нагрузка 4 с сопротивлением Z_Р и комплексная нагрузка 5, сопротивление которой Z_К выбирается равным входному сопротивлению нелинейного элемента, т.е. Z_К=Z_ВХ. Причем источник входного радиосигнала и реактивная нагрузка 4, нелинейный элемент 1 и комплексная нагрузка 5 подключены соответственно к первому и второму развязанным между собой входным, первому и второму развязанным между собой выходным плечам моста 3.

Устройство работает следующим образом. Входной сигнал, поступающий от источника на первое входное плечо квадратурного моста 3, делится в нем поровну и в фазовой квадратуре между его выходными плечами и , поступая соответственно на нелинейный элемент 1 и на комплексную нагрузку 5. В силу свойств нелинейного элемента 1, аналогичных свойствам нелинейного элемента детектора-прототипа, от него неизбежно возникает отражение части энергии падающего сигнала, которая в детекторе-прототипе безвозвратно теряется, отражаясь обратно к источнику сигнала. Такой же по амплитуде и фазе отраженный сигнал будет присутствовать и от комплексной нагрузки 5, сопротивление которой выбирается равным входному сопротивлению нелинейного элемента 1. При этом отраженные от нелинейного элемента 1 и комплексной нагрузки 5 волны находятся в фазовой квадратуре и, падая на выходные плечи и моста 3 в силу свойств последнего, возбуждают сигнал только в его втором входном плече , к которому подключена реактивная нагрузка 4. В первом плече моста 3 отраженная волна при этом теоретически отсутствует, чем достигается высокая степень согласования входа детектора. Реактивная нагрузка 4 полностью отражает падающий на нее сигнал, который делится мостом 3 в квадратуре и снова попадает на нелинейный элемент 1 и комплексную нагрузку 5. Фаза этой вторичной волны зависит от фазы коэффициента отражения реактивной нагрузки 4. Подбирая величину этой нагрузки (подстраивая ее), можно добиться совпадения фаз первичной и вторичной волн входного сигнала, попадающих на нелинейный элемент 1 и, следовательно, добиться увеличения амплитуды результирующего сигнала на зажимах нелинейного элемента 1. Это приведет к увеличению амплитуды продетектированного сигнала, т.е. к повышению коэффициента передачи предлагаемого детектора, а в силу закона сохранения энергии - улучшению согласования с источником сигнала. Сигнал вторичной волны на зажимах комплексной нагрузки 5 при этом будет находиться в противофазе с сигналом первичной волны, что также уменьшает общие потери энергии в системе.

Таким образом, достигается поставленная цель изобретения - повышение коэффициента передачи детектора и улучшение его согласования с источником. Использование квадратурного моста 3 приводит к снижению коэффициента передачи детектора на величину начальных потерь в мосте, которые обычно не превышают нескольких десятых долей децибела, что соизмеримо или меньше потерь в ферритовых развязывающих устройствах. Однако использование моста в сочетании с нагрузками 4 и 5 позволяет не только улучшить согласование и снизить стоимость устройства, но и вернуть к нелинейному элементу часть отраженной от него энергии и тем самым повысить коэффициент передачи детектора, что невозможно осуществить при использовании невзаимного развязывающего устройства.

При изменении частоты и амплитуды входного сигнала входное сопротивление нелинейного элемента, как известно, изменяется, что при неизменной комплексной нагрузке 5 может привести к различию амплитуд и фаз, отраженных от нелинейного элемента 1 и комплексной нагрузки 5 волн. При этом часть отраженной энергии будет проникать к источнику сигнала и вызывать ухудшение согласования по сравнению со случаем одинаковых нагрузок, представляемых нелинейным элементом 1 и комплексной нагрузкой 5. Для расширения диапазона рабочих частот и динамического диапазона входных сигналов комплексная нагрузка 5 выполняется в виде нелинейного элемента того же типа, что и нелинейный элемент 1. При этом практически независимо от частоты и амплитуды входного сигнала фазы отраженных от нелинейных элементов 1 и 5 волн будут находиться между собой в тех же соотношениях, что и в вышеописанном детекторе, чем достигается высокая степень согласования и, следовательно, вторая поставленная цель изобретения - расширение диапазона рабочих частот и динамического диапазона входных сигналов.

Пример реализации предлагаемого устройства в микрополосковом исполнении показан на фиг.3. Как видно из чертежа, детектор содержит нелинейный элемент 1 - полупроводниковый диод с цепями согласования в виде отрезков микрополосковых линий, нагрузку 2, содержащую цепь нагрузки продетектированного сигнала из четвертьволновых отрезков микрополосковой линии и параллельного соединения резистора R_Н и дополнительного фильтрующего конденсатора С_Н, квадратурный мост 3 в виде 2-шлейфного моста, комплексную нагрузку 5 в виде последовательного соединения сосредоточенного резистора и разомкнутого на конце отрезка микрополосковой линии для имитации активной и реактивной составляющих входного сопротивления нелинейного элемента 1, реактивную нагрузку 4 в виде регулируемого по длине отрезка микрополосковой линии передачи.

В качестве квадратурного моста может быть использован его аналог, например синфазно-противофазный мост с дополнительным элементом (например, отрезком линии передачи), создающим 90-градусный фазовый сдвиг и установленным на одном из его выходов (например, между выходом моста и входом нелинейного элемента 1).

Предлагаемое устройство было смоделировано с помощью пакета программ PSpice и показало правомерность выводов. Как показали расчеты, выигрыш в коэффициенте передачи предлагаемого детектора по сравнению с коэффициентом передачи детектора-прототипа достигает 4 дБ и становится тем больше, чем больше рассогласование нелинейного элемента с источником сигнала.

Были также проведены сравнительные экспериментальные исследования детектора-прототипа и предлагаемого детектора в микрополосковом исполнении с применением в качестве нелинейных элементов обоих вариантов детекторов и комплексной нагрузки предлагаемого детектора диодов типа 2А125А-3. Предлагаемый детектор был реализован на квадратурном 2-шлейфном мосте. Испытания, проведенные в 10% полосе рабочих частот и при изменении уровня входного сигнала от долей до сотен мкВт, показали, что КСВ входа детектора-прототипа находится в пределах 3. . .5, а предлагаемого детектора - не превышал 1,5 единиц.

Технический эффект от использования предлагаемого решения по сравнению с прототипом заключается в повышении коэффициента передачи и улучшении согласования, а также уменьшении стоимости за счет исключения невзаимных развязывающих устройств при повышенных требованиях к согласованию. Несмотря на то, что наибольший положительный эффект проявляется при использовании предлагаемого устройства в СВЧ и более высокочастотном диапазоне, оно может быть использовано на любых частотах, на которых возможно построение квадратурного моста или его аналога.

ЛИТЕРАТУРА
1. Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А.П. Сиверса. М., "Советское радио", 1976 г.

2. Гассанов Л.Г. и др. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М., "Радио и связь", 1988 г.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам для детектирования амплитудно-модулированных колебаний, и может быть использовано в приемопередающей и измерительной аппаратуре. Техническим результатом является повышение коэффициента передачи и улучшение согласования по входу детектора. Детектор содержит квадратурный мост, переменную реактивную и комплексную нагрузки, нелинейный элемент (например, диод или транзистор) и выходную нагрузку. Источник детектируемого сигнала подключен к первому входному плечу моста, реактивная нагрузка подключена ко второму входному плечу моста, нелинейный элемент подключен к первому выходному плечу моста, а комплексная нагрузка - ко второму выходному плечу моста. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Амплитудный детектор, содержащий нелинейный элемент и нагрузку продетектированного сигнала, отличающийся тем, что в него введены квадратурный мост, подстроечная реактивная нагрузка и комплексная нагрузка, сопротивление которой равно входному сопротивлению нелинейного элемента, причем источник входного сигнала подключен к первому входному плечу моста, реактивная нагрузка подключена ко второму, развязанному с первым, входному плечу моста, нелинейный элемент подключен к первому выходному плечу моста, а комплексная нагрузка - ко второму выходному плечу моста, развязанному с первым выходным плечом моста. 2. Амплитудный детектор по п.1, отличающийся тем, что комплексная нагрузка представляет собой нелинейный элемент, идентичный нелинейному элементу, подключенному к первому входному плечу квадратурного моста.