Диодный детектор мощности сигналов сверхвысоких частот Российский патент 2019 года по МПК G01R21/12 

Область техники

Изобретение относится к области радиотехники сверхвысоких частот (СВЧ), а именно, к устройствам детектирования мощности электромагнитных сигналов СВЧ и может быть использовано как отдельное измерительное устройство, так и для построения измерительных комплексов, в приборостроении, радиометрии.

Уровень техники

Известен детектор СВЧ (Патент RU № 2350973, МПК G01R 21/12 опубл. 14.01.2008), состоящий из корпуса, отрезка линии передачи, в котором выполнен продольный вырез, СВЧ-соединителей, низкочастотного фильтра и конденсатора, в котором длина продольного выреза выбрана равной половине средней рабочей длины волны в линии. В упомянутом вырезе размещен проводящий СВЧ-элемент, связанный с отрезком посредством встречно включенных СВЧ-диодов.

Недостатком известного детектора является малый диапазон рабочих частот.

Наиболее близким аналогом является диодный детектор мощности фирмы «Keysight Technologies» (http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5965-7238E.pdf) с полосой рабочих частот от 10 МГц до 50 ГГц, который выполнен на основе GaAs низкобарьерного диода, согласованного с коаксиальным трактом и включенного за диодом фильтра низких частот.

Основным недостатком выше указанного технического решения является малый уровень максимальной измеряемой мощности, равный 100 мВт, а также низкая вольт-ваттная чувствительность, порядка 0,4 мВ/мкВт.

Кроме того, у известного детектора достаточно высокий коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) по входу в диапазоне 40 ГГц-50 ГГц, (не более 2,8) который, в свою очередь, оказывает негативное влияние на точность детектирования сигналов.

Изобретение направлено на создание диодного детектора мощности сигналов СВЧ, который позволяет устранить или минимизировать некоторые из рассмотренных недостатков.

Основной технической задачей заявляемого изобретения является увеличение максимальной измеряемой мощности, а также повышение вольт-ваттной чувствительности и уменьшение максимально допустимого КСВН на частотах до 50 ГГц.

Техническим результатом является повышение точности детектирования сигналов на частотах до 50 ГГц за счет уменьшения максимально допустимого КСВН и увеличения вольт-ваттной чувствительности.

В заявляемом диодном детекторе мощности сигналов СВЧ, включающем металлический корпус, соединенный со входным и выходным коаксиальными соединителями, между которыми расположены диэлектрическая пластина с расположенными на ней согласующей цепью, выполненной с использованием тонкопленочных пассивных элементов, выход которой подключен к первому выводу полупроводникового низкобарьерного диода, выполненного на подложке из арсенида галлия, второй вывод которого подключен к фильтру низких частот, образованному конденсатором и первым резистором, второй вывод которого соединен с центральным проводником выходного коаксиального соединителя, согласно предложенному решению, введен гермоввод, который подключен между входным коаксиальным соединителем и согласующей цепью, в которую введены две параллельно подключенные цепи в микрополосковом исполнении, содержащие второй резистор и регулируемую индуктивность, замкнутую на корпус, и третий резистор, подключенный последовательно перед диодом, при этом диод имеет пробивное отрицательное напряжение не менее 4 В, емкость перехода не более 50 фФ и видеосопротивление в диапазоне от 0,7 кОм до 2,5 кОм, прямое сопротивление потерь не более 40 Ом.

В частном случае, диод может быть включен в прямом или в обратном направлении.

В частном случае, регулируемая индуктивность может быть выполнена в виде параллельно включенных разварочных проволочек в количестве от одной до четырех штук.

Заявленное изобретение поясняется рисунками, где представлены: на фиг. 1 – вид сверху устройства, на фиг. 2 – разрез А-А устройства, представленного на фиг. 1, на фиг. 3 – разрез Б-Б устройства, представленного на фиг. 1, демонстрирующий пример его конкретного выполнения; на фиг. 4 – эквивалентная электрическая схема устройства, представленного на фиг. 3.

В диодном детекторе мощности сигналов СВЧ (фиг. 1 и 2) корпус 1 соединен со входным коаксиальным соединителем 2, выход которого соединен с расположенными в корпусе 1 через гермоввод 3 с согласующей цепью, расположенной на диэлектрической пластине 4, к выходу которой последовательно подключены диод 5, и фильтр низких частот, включающий конденсатор 6 и первый резистор 7 (фиг. 3, фиг. 4). Конденсатор 6 замкнут на корпус, первый резистор 7 расположен на диэлектрической пластине 8, при этом второй вывод первого резистора 7 соединен с центральным проводником выходного коаксиального соединителя 9 при помощи разварочной проволочки 10, который соединен с корпусом 1. Согласующая цепь выполнена в виде двух параллельно подключенных цепей, каждая из которых содержит последовательно включенные второй резистор 11 и регулируемую индуктивность 12, и последовательно включенного к диоду 5 третьего резистора 13, с применением микрополосковой линии передачи 14. Регулируемая индуктивность 12 выполнена в виде трех разварочных проволочек. На фиг. 4 второй резистор 11 и регулируемая индуктивность 12 двух цепей обозначены эквивалентными резистором 15 и индуктивностью 16, соответственно. К выходу устройства параллельно подключено сопротивление 17 и конденсатор 18 внешней нагрузки, образующие эквивалентные сопротивление и ёмкость нагрузки, соответственно, подключаемой к выходному соединителю детектора.

Устройство работает следующим образом. Высокочастотный сигнал через входной коаксиальный соединитель 2 поступает на вход детектора. Часть энергии рассеивается на эквивалентных резисторе 15 и индуктивности 16, остальная часть энергии поступает через третий резистор 13 на диод 5, где происходит нелинейное преобразование отрицательных полупериодов входного сигнала, а на нагрузке детектора 17 выделяется продетектированный сигнал отрицательной полярности. При этом конденсатор 6, первый резистор 7, сопротивление 17 и ёмкость 18 внешней нагрузки, выполняют функцию фильтра нижних частот, ограничивая высокочастотные составляющие сигнала на выходе.

Амплитуда выходного напряжения заявляемого детектора пропорциональна уровню мощности входного сигнала СВЧ. При включении катода диода 5 к согласующей цепи, а анода к фильтру нижних частот происходит детектирование отрицательных полуволн входного сигнала и формирование выходного сигнала отрицательной полярности. При включении диода в обратном направлении достигается выходной сигнал положительной полярности.

Заявляемый детектор работает в диапазоне частот от 10 МГц до 50 ГГц. С ростом частоты входного сигнала эквивалентное сопротивление полупроводникового диода 5 уменьшается ввиду уменьшения реактивного сопротивления ёмкости его перехода. Это приводит к увеличению КСВН детектора. Реактивное сопротивление индуктивности увеличивается с ростом частоты сигнала. За счет использования в согласующей цепи регулируемой индуктивности 12, происходит компенсация эквивалентного сопротивления диода 5. Выполнение регулируемой индуктивности 12 в виде параллельно включенных разварочных проволочек, соединяющих вторые резисторы 11 с корпусом 1, позволяет изменять эквивалентную индуктивность 16, путем прижима части проволочки со стороны замыкания к плоскости с нулевым потенциалом, обеспечивая коррекцию КСВН в устройстве.

При изготовлении партии заявляемых детекторов конкретного исполнения (фиг. 3) в качестве диода 5 были использованы диоды ZB-28 производства АО «НПФ «Микран» с пробивным напряжением 4,5 В, видеосопротивлением 0,9 кОм, прямым сопротивлением потерь 30 Ом и ёмкостью перехода 35 фФ. В согласующей цепи использованы тонкопленочные второй и третий резисторы 11 и 13 соответственно, максимально допустимая мощность каждого резистора не менее 200 мВт (+23 дБм), в качестве индуктивности 12 применены три разварочные проволочки длиной 1,6 мм. Предложенная согласующая цепь и подстройка длины разварочных проволочек позволили достичь КСВН: в диапазоне частот от 40 ГГц до 50 ГГц – не более 2,2 для партии; КСВН в диапазоне от 10 МГц до 20 ГГц - не более 1,2 для парии; от 20 ГГц до 40 ГГц – не более 1,5 для партии.

Предложенная согласующая цепь с тонкопленочными вторыми и третьим резисторами 11 и 13, соответственно, максимально допустимая мощность каждого из которых не менее 200 мВт (+23 дБм), с диодом 5, видеосопротивление которого составляет от 0,7 кОм до 2,5 кОм, а прямое сопротивление потерь не более 40 Ом, позволяет достичь максимальной измеряемой мощности в заявляемом детекторе не менее 160 мВт (+22 дБм), максимальной допустимой входной мощности не менее 350 мВт (+25 дБм) и вольт-ваттной чувствительности не менее 0,5 мВ/мкВт. Обеспечиваемый диапазон измерения мощности – от 10 нВт до 160 мВт (от -50 дБм до +22 дБм).

Для сравнения, величина максимальной измеряемой мощности наиболее близкого к изобретению детектора 8474E фирмы «Keysight Technologies» составляет 100 мВт (+20 дБм), чувствительность порядка 0,4 мВ/мкВт, КСВН в диапазоне частот от 40 ГГц до 50 ГГц не более 2,8.

Использование: для детектирования мощности электромагнитных сигналов СВЧ. Сущность изобретения заключается в том, что диодный детектор мощности сигналов сверхвысоких частот, включающий металлический корпус, соединенный со входным и выходным коаксиальными соединителями, между которыми расположены диэлектрическая пластина с расположенными на ней согласующей цепью, выполненной с использованием тонкопленочных пассивных элементов, выход которой подключен к первому выводу полупроводникового низкобарьерного диода, выполненного на подложке из арсенида галлия, второй вывод которого подключен к фильтру низких частот, образованному конденсатором и первым резистором, второй вывод которого соединен с центральным проводником выходного коаксиального соединителя, при этом введен гермоввод, который подключен между входным коаксиальным соединителем и согласующей цепью, в которую введены две параллельно подключенные цепи в микрополосковом исполнении, содержащие второй резистор и регулируемую индуктивность, замкнутую на корпус, и третий резистор, подключенный последовательно перед диодом, при этом диод имеет пробивное отрицательное напряжение не менее 4 В, емкость перехода не более 50 фФ и видеосопротивление в диапазоне от 0,7 до 2,5 кОм, прямое сопротивление потерь не более 40 Ом. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности детектирования сигналов на частотах до 50 ГГц. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Диодный детектор мощности сигналов сверхвысоких частот, включающий металлический корпус, соединенный с входным и выходным коаксиальными соединителями, между которыми расположены диэлектрическая пластина с расположенными на ней согласующей цепью, выполненной с использованием тонкопленочных пассивных элементов, выход которой подключен к первому выводу полупроводникового низкобарьерного диода, выполненного на подложке из арсенида галлия, второй вывод которого подключен к фильтру низких частот, образованному конденсатором и первым резистором, второй вывод которого соединен с центральным проводником выходного коаксиального соединителя, отличающийся тем, что введен гермоввод, который подключен между входным коаксиальным соединителем и согласующей цепью, в которую введены две параллельно подключенные цепи в микрополосковом исполнении, содержащие второй резистор и регулируемую индуктивность, замкнутую на корпус, и третий резистор, подключенный последовательно перед диодом, при этом диод имеет пробивное отрицательное напряжение не менее 4 В, емкость перехода не более 50 фФ и видеосопротивление в диапазоне от 0,7 до 2,5 кОм, прямое сопротивление потерь не более 40 Ом.

2. Диодный детектор мощности сигналов сверхвысоких частот по п. 1, отличающийся тем, что диод включен в прямом или в обратном направлении.

3. Диодный детектор мощности сигналов сверхвысоких частот по п. 1, отличающийся тем, что регулируемая индуктивность выполнена в виде параллельно включенных разварочных проволочек в количестве от одной до четырех штук.