ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МОЩНОСТИ Российский патент 2003 года по МПК H03D1/10 G01R21/10 

Изобретение относится к технике СВЧ, предназначено для преобразования мощности непрерывных и импульсно-модулированных сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов и может быть использовано в ваттметрах поглощаемой, проходящей и пиковой мощности.

Известен приемный термоэлектрический преобразователь (авторское свидетельство СССР 1394918, МПК G 01 R 21|04, 1986 г.), содержащий в своем составе СВЧ-тракт, соединенный с нагрузочным резистором, расположенным на диэлектрическом основании, батарею термопар. Благодаря тому, что ненагруженная часть нагрузочного резистора нагревается меньше, чем его рабочая часть, на концах батареи термопар, примыкающих к указанным частям нагрузочного резистора, возникает электрический сигнал, пропорциональный мощности СВЧ-сигнала.

Предлагаемый приемный преобразователь мощности относится к детекторным преобразователям, в которых в качестве преобразующих элементов используются полупроводниковые диоды, работающие в режиме квадратичного детектирования.

Известен измеритель мощности СВЧ-сигнала (патент Великобритании заявка 1582814, МКИ G 01 R 21/10, 1981 г.), где для измерения мощности СВЧ-сигнала используется диод с барьером Шотки, а для автоматической коррекции отклонений от квадратичной характеристики к выходному сигналу диода добавляется соответствующий сигнал коррекции в зависимости от величины выходного сигнала детектора, что усложняет схемную реализацию устройства.

В качестве прототипа предлагаемого технического решения выбран детекторный преобразователь, описанный в книге "Измерение мощности на СВЧ" М., Сов. Радио, 1986, авт. М.И. Билько и др., с.87, рис.3.52. Упрощенная схема данного детекторного преобразователя представляет собой делитель, включающий полупроводниковый диод (детекторная секция) и сопротивление нагрузки (нагрузочная секция), вход делителя является входом СВЧ-сигнала, а с нагрузки снимается сигнал на измерительное устройство.

Недостатком полупроводниковых диодных преобразователей СВЧ-мощности является значительный разброс вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов, что приводит к необходимости индивидуального подбора напряжения смещения при выборе рабочего участка, необходимость температурной стабилизации рабочего участка вольт-амперной характеристики, узкий динамический диапазон квадратичной характеристики полупроводникового диода, все это приводит к погрешности измерения СВЧ-мощности из-за неравномерности коэффициента преобразования и не позволяет реализовать преобразователь мощности в напряжение с погрешностью лучше 5-10% и динамическим диапазоном до 30 дБ.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение погрешности преобразования мощности в напряжение при сохранении положительных качеств диодного детектирования: высокое быстродействие, возможность измерения мощности как непрерывных, так и импульсно-модулированных сигналов.

Решение технической задачи достигается тем, что в преобразователе мощности, содержащем делитель, состоящий из последовательно соединенных детекторной секции, включающей полупроводниковый элемент, и нагрузочной секции, с которой снимается выходной сигнал, полупроводниковый элемент детектирующей секции выполнен в виде полевого транзистора, у которого затвор соединен с истоком. Нагрузочная секция выполнена в виде резистора. При этом используется квадратичный участок характеристики полевого транзистора от нуля до напряжения, близкого к напряжению прямой проводимости затвора транзистора, что позволяет значительно снизить погрешности преобразования во всем рабочем диапазоне.

Увеличение крутизны преобразования и уровня выходного сигнала достигнуто тем, что нагрузочная секция выполнена в виде полевого транзистора, у которого затвор соединен с истоком, включенным навстречу относительно выхода устройства, то есть заменой нагрузочного резистора на нелинейный элемент.

В другом варианте выполнения устройства детекторная и нагрузочная секции содержат два и более последовательно соединенных полевых транзисторов, у которых затворы соединены с истоками. Это позволяет уменьшить влияние разброса параметров полевых транзисторов, увеличить допустимый уровень подводимой к устройству мощности и, как следствие, снизить погрешность преобразования и повысить выходное напряжение демодулированного сигнала.

Для получения дифференциального демодулированного выходного сигнала полевые транзисторы детекторной и нагрузочной секций соединены по мостовой схеме.

Сущность технического решения поясняется чертежами, на которых изображено: на фиг. 1 - упрощенная электрическая схема приемного преобразователя мощности с детекторной секцией в виде полевого транзистора и нагрузочной секцией в виде резистора (п.п.1 и 2 формулы изобретения); на фиг.2 - то же с нагрузочной секцией в виде полевого транзистора (п.3 формулы изобретения); на фиг.3 - то же с детекторной и нагрузочной секциями, содержащими два и более последовательно соединенных полевых транзистора (п.4 формулы изобретения); на фиг.4 - то же с детекторной и нагрузочной секциями, содержащими соединенные по мостовой схеме два и более полевых транзистора (п.5 формулы изобретения).

Преобразователь мощности (фиг.1) представляет собой делитель, состоящий из последовательно соединенных полевого транзистора 1 (детекторная секция), затвор которого соединен с его истоком, и сопротивления нагрузки 2 (нагрузочная секция).

В другом варианте выполнения преобразователя (фиг.2) делитель состоит из двух полевых транзисторов 1 и 3, включенных навстречу относительно выхода устройства.

В варианте выполнения преобразователя на фиг.3 использовано n последовательно соединенных полевых транзисторов 1-1n в детекторной секции и n последовательно соединенных полевых транзисторов 3-3n в нагрузочной секции.

В варианте выполнения преобразователя на фиг.4 полевые транзисторы 1-1n детекторной секции и полевые транзисторы 3-3n нагрузочной секции соединены по мостовой схеме.

В качестве полевых транзисторов использовались транзисторы 2П341.

Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем. В СВЧ-диапазоне измерение токов и напряжений затруднено, так как геометрические размеры входных цепей измерительных приборов соизмеримы с рабочей длиной волны. В то же время мощность СВЧ-сигнала, передаваемая в нагрузку по линии без потерь, является неизменной величиной в любом сечении линии. Поэтому измерение мощности в СВЧ-диапазоне позволяет наиболее точно характеризовать источник с энергетической точки. Преобразование немодулированного СВЧ-сигнала в пропорциональное напряжение постоянного тока или модулированного по мощности СВЧ-сигнала в электрический сигнал, напряжение которого изменяется по закону модуляции СВЧ-сигнала, осуществляется с помощью предлагаемого преобразователя мощности. На его вход подается ослабленный СВЧ-сигнал и на нелинейном (квадратичном) участке вольт-амперной характеристики детектирующего элемента (полевой транзистор 1 в диодном включении) преобразуется в дифференциальное напряжение постоянного тока, пропорциональное мощности входного СВЧ-сигнала, которое снимается с нагрузки 2 и подается на измерительное устройство (не показано). Диодное включение транзистора 1 позволяет использовать квадратичный участок вольт-амперной характеристики от нуля до напряжения, близкого к напряжению прямой проводимости затвора транзистора 1, что значительно снижает погрешность преобразования. Замена нагрузочного резистора 2 на полевой транзистор 3 в диодном включении и встречном включении относительно выхода с полевым транзистором 1 (фиг.2) позволяет увеличить уровень выходного сигнала преобразователя.

Дальнейшее улучшение параметров преобразователя мощности (уменьшение влияния разброса параметров транзисторов и снижение погрешности преобразования, увеличение допустимого уровня подводимой СВЧ-мощности) достигается увеличением числа детектирующих и нагрузочных транзисторов (фиг.3). Входной сигнал делится на последовательно включенных транзисторах пропорционально их проводимости и количеству, то есть увеличивается допустимый уровень подводимой к устройству мощности и выходное напряжение демодулированного сигнала.

Соединение полевых транзисторов детекторной и нагрузочной секций по мостовой схеме (фиг.4) позволяет формировать на выходах преобразователя мощности дифференциальный демодулированный сигнал, удобный для дальнейшей обработки, позволяющий снижать требования к параметрам выходных устройств (усилителей, интеграторов и т.д.).

Изобретение может быть использовано в преобразователях мощности в напряжение в диапазоне до десятков ГГц, в умножителях, где предъявляются высокие требования к квадратичности характеристики при высоких уровнях мощности, смесителях при малых уровнях мощности сигналов. Погрешность преобразования мощности в напряжение в динамическом диапазоне 30-40 дБ не превышает 2-3%.

Изобретение относится к технике СВЧ для детекторного преобразования непрерывных и импульсно-модулированных сигналов. Технический результат заключается в снижении погрешности преобразования мощности (ПМ) в напряжение (Н). Приемный ПМ содержит делитель, состоящий из последовательно соединенных детекторной секции (ДС) 1 в виде полевого транзистора (ПТ), затвор которого соединен с его истоком, и нагрузочной секции (НС) 3, с которой снимается выходной сигнал. При этом используется квадратичный участок характеристики ПТ от нуля до Н, близкого к Н прямой проводимости затвора ПТ. Увеличение крутизны преобразования и уровня выходного сигнала достигается выполнением НС 3 на ПТ, у которого затвор соединен с истоком, включенного навстречу, относительно выхода устройства. Для получения дифференциального демодулированного выходного сигнала ПТ ДС 1 и НС 3 соединены по мостовой схеме. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Приемный преобразователь мощности, содержащий делитель, состоящий из последовательно соединенных детекторной секции в виде полевого транзистора и нагрузочной секции, с которой снимается выходной сигнал, отличающийся тем, что затвор полевого транзистора соединен с его истоком. 2. Приемный преобразователь мощности по п. 1, отличающийся тем, что нагрузочная секция выполнена в виде резистора. 3. Приемный преобразователь мощности по п. 1, отличающийся тем, что нагрузочная секция выполнена в виде полевого транзистора, у которого затвор соединен с истоком, при этом делитель состоит из двух полевых транзисторов, включенных навстречу относительно выхода устройства. 4. Приемный преобразователь мощности по п. 1 или 3, отличающийся тем, что детекторная и нагрузочная секции содержат два и более последовательно соединенных полевых транзисторов, у которых затворы соединены с истоками. 5. Приемный преобразователь мощности по п. 4, отличающийся тем, что полевые транзисторы детекторной и нагрузочной секций соединены по мостовой схеме.