СВЧ-детектор Советский патент 1992 года по МПК H03D9/04 G01R21/12 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в широкополосных малошумящих приемных системах мил- лиметрового диапазона: приемника прямого усиления, детекторах излучений, датчиках СВЧ мощности, РЛС и других.

Основной задачей в таких системах является обеспечение максимально возможной чувствительности детектора, стоящего на входе системы и определяющего основные характеристики системы, в возможно более широкой полосе рабочих частот. Кроме того, характеристики детектора должны обеспечиваться без какой-либо механической перестройки.

Известен детектор СВЧ, содержащий полупроводниковый диод, полосковый

фильтр нижних частот (ФНЧ), согласующий резистор и короткозамкнутую волноводно- щелевую линию (ВЩЛ), включающую отрезок прямоугольного волновода с размещенной вдоль его оси параллельно узким стенкам диэлектрической пластиной, на одной из сторон которой, покрытой проводящим материалом, вдоль оси волновода сформирована щелевая короткозамкнутая линия, причем ФНЧ размещен на диэлектрической пластине перпендикулярно оси волновода с той же стороны, что и щелевая линия, на расстоянии несколько меньшем Я/4 от ее короткозамкнутого конца, полупроводниковый диод установлен в месте примыкания щелевой линии и ФНЧ, согласующий резистор установлен на щелевой

VI VI сл

00

4 СА)

линии в непосредственной близости от полупроводникового диода со стороны разомкнутого конца щелевой линии, а к концу ФНЧ подключен токосъемник. Благодаря наличию резистора достигается хорошее согласование диода с ВЩЛ во всем диапазоне рабочих частот волновода, однако это согласование достигается за счет существенного снижения чувствительности устройства из-за диссипативных потерь в согласующем резисторе (потери достигают 6-10 дБ).

Значительно более высокая чувствительность достигается в детекторе СВЧ, содержащем полупроводниковый диод, короткозамкнутую ВЩЛ и подключенный выходом к токосъемнику копланарный ФНЧ. Однако, высокая чувствительность в данном устройстве достигается только в узком диапазоне частот, вне которого условия согласования диода с ВЩЛ резко ухудшаются, что обусловлено сильным шунтирующим влиянием короткозамкнутой ВЩЛ и нескомпенсированной паразитной емкости диода.

Наиболее близким к предлагаемому является детектор СВЧ. содержащий отрезок прямоугольного волновода, в котором вдоль продольной оси симметрии размещена диэлектрическая пластина с областями металлизации на одной ее стороне, образующими отрезок ВЩЛ, к одному концу которого подключен короткозамкнутый шлейф, на другой стороне пластины размещены диод и ФНЧ (в виде проводника), выход которого является выходом детектора СВЧ, Длина щелевой линии выбирается равной четверти длины волны, а ее волновое сопротивление выбирается из условия

f- ВЩЛ

где2° - волновое сопротивление прямоугольного волновода;

Ra - активная составляющая полного сопротивления полупроводникового диода.

Недостатком этой конструкции является то, что условия согласования выполняются в узком диапазоне частот из-за сильной частотной зависимости полного сопротивления диода, содержащего не только активную составляющую, но и значительную реактивную емкостную составляющую. Таким образом, для работы во всем диапазоне частот волновода необходимо с изменением рабочей частоты изменить длину и волновое сопротивление ВЩЛ, что технически неосуществимо.

Целью изобретения является расширение полосы частот детектора при сохранении высокой чувствительности.

Поставленная цель достигается тем. что

в детекторе СВЧ, содержащем отрезок прямоугольного волновода, в котором вдоль продольной оси симметрии размещена диэлектрическая пластина с областями металлизации на одной ее стороне, образующими

отрезок ВЩЛ, к одному концу которого подключен короткозамкнутый шлейф, на другой стороне диэлектрической пластины размещены диод и ФНЧ, выход которого является выходом детектора СВЧ, предлагается короткозамкнутый шлейф выполнить щелевым протяженностью АО /4 вдоль продольной оси симметрии отрезка прямоугольного волновода, где АО - минимальная длина волны рабочего диапазона длин волн

в свободном пространстве, на другой стороне диэлектрической пластины симметрично относительно щели разместить два введенных идентичных разомкнутых с одних концов полосковых проводника, другие концы

которых через введенный отрезок симмет-- ричной двухпроводниковой линии подключить ко входу ФНЧ, который выполнить на отрезках микрополосковой линии, отрезок симметричной двухпроводной линии и ФНЧ

разместить вдоль оси симметрии ВЩЛ, при этом боковые кромки полосковых проводников размещены вдоль границ щели, отрезок симметричной двухпроводной линии расположить в области короткозамкнутого щелевого шлейфа, а его длина выбрана равной Ао/4, и между его проводниками включить диод.

Для улучшения условий согласования щелевой короткозамкнутый шлейф может

быть выполнен в форме круга.

Сущность изобретения заключается в том, что с целью расширения диапазона рабочих частот при сохранении высокой чувст- вительности и уменьшении ее

неравномерности, полупроводниковый диод подключен к регулярной ВЩЛ не непосредственно в области ВЩЛ, а посредством частотно-зависимого трансформатора им- педансов в виде двухпроводной симметричной линии, связанной с регулярной ВЩЛ посредством разомкнутых шлейфов связи, причем соответствующим выбором импе- дансов ВЩЛ и двухпроводной линии обеспечивается широкополосное согласование

активной части входного импеданса диода, а выбор места подключения диода к двухпроводной линии обеспечивает широкополосную компенсацию реактивной составляющей входного импеданса диода.

Для исключения шунтирующего влияния на характеристики детектора короткозамкну- того отрезка регулярной ВЩЛ последний выполнен в виде кольцевого нерезонансного шлейфа диаметром бшл Ав/4,

где Ав - длина волны на верхней частоте рабочего диапазона частот.

На фиг. 1, 2 показано схематическое изображение и эквивалентная схема заявленного устройства; на фиг. 3 и 4 - частот- ные зависимости вольт-ваттной чувствительности и КСВн заявленного устройства.

Детектор содержит прямоугольный волновод 1, переходящий в регулярную ВЩЛ 2, оканчивающуюся кольцевым нерезонансным шлейфом 3, причем ВЩЛ 2 и шлейф 3 расположены на нижней стороне диэлектрической подложки, а другой стороне которой расположены разомкнутые шлейфы связи 4, переходящие в симметричную двухпроводную линию 5, расположенную в области кольцевого шлейфа 3, т.е. протяженности линии 5 и шлейфа 3 равны, и далее переходящую в симметричный ФНЧ 7, один конец которого связан с выходным разъемом детектора 8, а второй конец заземлен. Полупроводниковый диод 6 подключен к проводникам симметричной двухпроводной линии.

Детектор работает следующим образом. Входной сигнал, поступающий на вол- новодныйвходдетектора,

трансформируется в поле ВЩЛ 2, сосредоточенное, в основном, в области узкого зазора ВЩЛ 2. Далее электромагнитный сигнал поступает на двухпроводную симметричную линию 5, между проводниками которой включен полупроводниковый диод 6, являющийся нелинейной нагрузкой для сигнала. Симметричная двухпроводная линия 5 и ВЩЛ 2 связаны между собой при помощи разомкнутых шлейфов связи 4, причем симметричная линия 5 и шлейфы 4 связи выполняют двойную роль: являются трансформатором импедансов, согласующим активную часть входного импеданса диода 6 с импедансом ВЩЛ 2, а также компенсируют реактивную составляющую входно- го импеданса диода 6 во всем рабочем диапазоне частот волновода. Электромагнитный сигнал преобразуется диодом в мощность постоянного тока, которая поступает через ФНЧ 7 на выход 8 детектора и далее в нагрузку.

Все элементы конструкции детектора выполнены на тонкой диэлектрической подложке методом двусторонней фотолитографии в виде интегральной вставки, устанавливаемой вдоль оси прямоугольного волновода 1. Значения параметров ВЩЛ 2, симметричной линии 5 и места установки

диода 6 выбираются на основе машинного расчета по специальной программе, составленной в соответствии с эквивалентной схемой, приведенной на фиг. 4. Параметрической оптимизацией всех элементов, входящих в схему, достигается согласование и, соответственно, максимальная чувствительность детектора во всем диапазоне частот прямоугольного волновода без какой-либо перестройки.

Таким образом, в конструкции детектора отсутствует низкоомный короткозамкну- тый отрезок ВЩЛ, шунтирующий импеданс диода и приводящий к сужению полосы рабочих частот, а также отсутствует согласующий резистор, на котором теряется значительная часть мощности входного сигнала, что приводит к потере чувствительности детектора. Вместе с тем. применение согласующей недиссипативной цепи на основе двухпроводной симметричной линии 5 в сочетании с нерезонансным кольцевым шлейфом 3, нагружающим ВЩЛ 2, позволяет обеспечить высокую чувствительность во всем диапазоне рабочих частот волновода

1. Это иллюстрирует рис. 3 и 4, на которых приведены частотные зависимости вольт- ваттной чувствительности КСВн волновод- но-планарного детектора на диапазон частот волновода 37,5-53,57 ГГц. Как видно

из приведенных рисунков величина вольт- ваттной чувствительности детектора составляет 5800 ±800 В/Вт при неравномерности характеристики ± 1,2 дБ, а величина КСВн не превышает 2.5 во всем диапазоне частот.

Режим измерений: Рс 10 мкВт; RH 100 кОм; 1 см 20 мкА.

Простота конструкции, использование высокоточных методов фотолитографии для формирования рисунка платы согласования

обеспечивают высокую технологичность и экономическую эффективность конструкции детектора, хорошую повторяемость ре- зультатов в условиях серийного производства.

Проведем оценку частотных свойств прототипа и предлагаемого детектора исходя из того, что в них применяются одинаковые диоды. В предлагаемом детекторе использован диод с параметрами:

Ra« 1 кОм; ,05 пФ. Как уже отмечалось, в заявляемом детекторе получено значение КСВн 2,5 во всем диапазоне частот волновода без перестройки, т.е. в диапазоне to ±12%, что обеспечило получение равномерной детекторной характеристики (чувствительности) и ее высокого значения. Предположим теперь, что прототип согласован на центральной частоте рассматриваемого диапазона частот (f0 45 ГГц). Это означает, что обеспечивается условие: 2вщл Vza Ra,a проводимость короткоза- мыкающей части прямоугольное волновода (индуктивная), полностью к.инпенспрует емкостную проводимость диода, Расчет по- казывает, что при этих условиях из краях диапазона детектор будет иметь значение КСВн не менее 8, а значение КСВн 2,5 обеспечивается в диапазоне частот f0 ±5%, В действительности же рабочий диапазон прототипа будет еще меньше из-за влияния существенной неоднородности, имеюшой место на стыке прямоугольно о солновида и ВЩЛ. Значение КСВн 8 приведет к снижению чувствительности детектора на б-8 дБ по отношению к чувствительносш на центральной частоте.

Таким образом, диапазон рабочих частот прототипа существенно уже.

Ф о р м у л а и з о б р ете н и я

1. СВЧ-детектор, содержащий отрезок прямоугольного волновода, в котором вдоль продольной оси симметрии размещена диэлектрическая пластина с областями металлизации на одной ее стороне, образующими отрезок волноводно-щелевой линии, к одному концу которого подключен короткозамк- нутый шлейф, на другой стороне диэлектрической пластины размещены диод и фильтр нижних частот (ФНЧ), выход которого является выходом СВЧ-детектора, отличающийся тем, что, с целью расширения полосы рабочих частот при сохранении высокой чувствительности, корот- козамкнутый шлейф выполнен щелевым протяженностью Я /4 вдоль продольной оси симметрии отрезка прямоугольного волновода, где Я - минимальная длина волны рабочего диапазона длин волн в свободном пространстве, на другой стороне диэлектрической пластины симметрично относительно щели размещены два введенных идентичных разомкнутых с одних концов полосковых проводника, другие концы которых через введенный отрезок симметричной двухпроводной линии подключены к входу ВНЧ, который выполнен на отрезках микрополосковой линии, отрезок симметричной двухпроводной линии и ФНЧ разме- щены вдоль оси симметрии волноводно-щелевой линии, при этом боковые кромки полосковых проводников размещены вдоль границ щели, отрезок симметричной двухпроводной линии расположен в области короткозамкнутого щелевого шлейфа, его длина выбрана равной Я/4 и между его проводниками включен диод.

2,-Детектор по и. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью улучшения согласования, щелевой короткозамкнутый шлейф выполнен в форме круга.

Использование: радиотехника СВЧ, приемники прямого усиления, детекторы излучений, датчики СВЧ-мощности. Сущность изобретения: вдоль отрезка прямоугольного волновода размещена диэлектрическая пластина, на одной стороне которой выполнена волноводно-щелевая линия и к одному ее концу подключен щелевой короткозамкнутый шлейф протяженностью Я/4, выполненный в форме круга ( Я- минимальная длина волны из рабочего диапазона в свободном пространстве); на другой стороне диэлектрической пластины симметрично относительно щели размещены два идентичных разомкнутых с одних концов полосковых проводника, другие концы которых через Я /4 - отрезок симметричной двухпроводной линии - подключены к входу фильтра нижних частот, выход которого является выходом детектора СВЧ, при этом диод включен между проводниками симметричной двухпроводной линии, расположенными вдоль оси симметрии волно- водно-щелевой линии. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

фигЛ верхняя сторона sfoff/rawf/tt

5

. ,5

нижняя (тором лаЯяожяи

i

Кн

КС4н

-fr

37S

4S

Sff S3 ГГц

Фиг. 3

Hн

Л

ss

J

Фиг. 4