Устройство для автоматического измерения импульсной СВЧ-мощности Советский патент 1993 года по МПК G01R29/10 

(fu/e.f

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в системах контроля и управления для измерения импульсной СВЧ-мощности в широком диапазоне температур.

Цель изобретения - повышение точности автоматического измерения импульсной СВЧ-мощности в широком диапазоне температур.

Устройство (фиг. 1) состоит из последовательно включенных детекторной секции 1, усилителя-интегратора 2 и индикатора 3, причем выход усилителя-интегратора соединен цепью обратной связи 4 с выходом детекторной секции. -СВЧ детекторная секция 1 выполнена в виде согласованного нагрузочного резистора 5, включенного между входом детекторной секции, являющимся входом устройства, и корпусом, измерительного полупроводникового СВЧ-диода 7 и включенного последовательно с ним СВЧ- резистора 8, подключенных между входом б детекторной секции одним из выводов фильтрового СВЧ.-конденсатора 9, другой вывод которого подключен к корпусу.

Последовательно;соединенные дополнительный СВЧ-д иод 10 и первый дополнительный резистор 11 включены в цепь обратной связи 4 между выходом усилителя интегратора и выходом детекторной секции, соединяясь с ним через резистор 12, при этом дополнительный диод 10 включен встречно с измерительным 7. Общая точка дополнительного СВЧ-диода 10 резистора 12 подключена через второй дополнительный резистор 13 к корпусу, а через третий дополнительный резистор 14 к входу питания, при этом параллельно резистору 13 подключен фильтровой конденсатор 15, а полярность входа питания соответствует полярности соединенных между собой одноименных электродов измерительного и. дополнительного СВЧ полупроводниковых диодов.

Устройство работает следуюа1им образом,

При подаче на вход 6 детекторной секции 1 импульсной СВЧ-мощности на входном согласованном нагрузочном резисторе 5 выделяется импульсно-модулированное СВЧ-напряжение, амплитуда которого пропорциональна мощности входного сигнала Рвх. СВЧ. Выделенное СВЧ-напряжение поступает на вход измерительного полупроводникового СВЧ диода 7 через СВЧ-резистор 8. Измерительный полупроводниковый диод 7 работает в автокомпен- са.ционном режиме - на его вход подается импульсное СВЧ-напряжение, а на его выход - компенсирующее напряжение постоянного тока, поступающее по цепи обратной связи 4 через дополнительный СВЧ по- лупроводниковый диод 10, первый дополнительный резистор 11 и резистор 12 с выхода усилителя-интегратора. Одновременно напряжение с выхода усилителя-интегратора подается на индикатор 3 для отсчета величины мощности. Компенсирующее напряжение постоянного тока выделя0

ется непосредственно на втором

дополнительном резисторе 13, и смещает рабочую точку измерительного диода 7 в область обратной ветаи его вольт-амперной характеристики. Разностный СВЧ-сипнал

5 детектируется p-n-переходом полупроводникового СВЧ-диода 7, который работает одновременно как нуль-орган и СВЧ-детек- тор, при этом фильтровой конденсатор 9 служит для замыкания на корпус СВЧ со0 ставляющих тока. На вход усилителя-интегратора 2 поступает продетектированный видеосигнал с малой амплитудой с выхода детекторной секции 1. Данный сигнал усиливается и интегрируется схемой усилите5 ля-интегратора 2 и подает одновременно на индикатор 3 и в цепь обратной связи 4 для создания компенсирующего напряжения на СВЧ измерительный диод 7. Третий измерительный резистор 14, подключенный ко вхо0 ду питания, имеющему полярность, соответствующую полярности одноименных электродов, соединенных между собой диодов 10 и 7, обеспечивает необходимую величину постоянного тока через резистор

5 13. Указанная величина тока определяется из дополнительных диода 10 и резистора 11 во всем динамическом диапазоне выходных сигналов усилителя-интегратора 2. СВЧ резистор 8 обеспечивает одновременно;

0 1} постоянство коэффициента передачи СВЧ-напряжения от входного СВЧ резистора 5 до детектирующего p-n-перехода изме- рительного СВЧ-диода 7 с расчетом комплексного характера сопротивления по5 лупроводникового СВЧ-диода и его существенной зависимости от температуры и приложенного напряжения (емкости р-п-пе- рехода и его сопротивления, существенно зависящих от температуры и уровня сигна0 лов, а также индуктивности вводов емкости корпуса) в рабочем диапазоне частот и мощностей и в широком диапазоне температур; 2) улучшение согласования устройства в указанных выше условиях за счет развязки

5 с помощью резистора 8 комплексного сопротивления СВЧ-диода 7 от согласованной нагрузки 5.

Без указанных мер в свою очередь нельзя обеспечить постоянства коэффициента детектирования, определяемого отношением выходного напряжения постоянного тока усилителя-интегратора и амплитуды СВЧ-напряжения на детектирующем р-п- г. ереходе СВЧ-диода при работе в широком диапазоне температур и уровней входных сигналов.

Постоянство коэффициента детектиро- ания в широком диапазоне температур до- тигается выравниванием падения ОВЧ-напряжения на p-n-переходе полупро- {одникового СВЧ-диода 7 и СВЧ-резисторе Ј в режиме автокомпенсационного детектирования и соответствующего падения напряжения постоянного тока на введенных в цепь обратной связи дополнительных СВЧ- полупроводниковом диоде 10 и резисторе 1. Выравнивание указанных падений СВЧ- напряжения и напряжения постоянного тока осуществляется для каждого из входных уровней СВЧ напряжений в широком диапазоне температур за счет включения резисторов 13 к корпусу и 14 к входу питания соответствующей полярности. Это обеспечивает выравнивание постоянного тока в 1,,епи диода 10 и резистора 11 и соответствующего СВЧ-тока в цепях диода 7 и резистора 8 для диапазона СВЧ-амплитуд в широком диапазоне температур. Таким образом, только одновременное обеспечение гостоянства коэффициента передачи, коэф- оициента детектирования и улучшение согласования, в широком диапазоне температур, для заданного динамического диапазона уровней сигналов и приводит к г овышению точности измерений в широком диапазоне температур, следовательно, только совокупность отличительных признаков обеспечивает достижение поставленной цели. Подобные пояснения приведенных по- /фжений даются ниже и иллюстрируются в ф|иг. 2 и 3.

; На фиг.2 приведена схема предлагаемого устройства, в которой эквивалентная схе- а измерительного полупроводникового ВЧ-диода и обозначены напряжения на соответствующих участках схемы. На фиг. 3 приведена иллюстрация работы р-п-перехода измерительного проводни- кового СВЧ-диода (ИПД) в режиме автокомпенсационного детектирования в предлагаемом устройстве (приведены воль- тамперные характеристики р-п-перехода, амплитуды измеряемых СВЧ напряжения U mCBH. напряжения компенсирующих ( UK) И выходных напряжений (U-) при нормальных условиях и в диапазоне температур, амплитуды СВЧ токов (lm), их постоянные составляющие (И)).

0

Из фиг. 2 видно, что измерительный полупроводниковый СВЧ-диод содержит индуктивность вводов Lbbi.2, детектирующий p-n-переход, сопротивление растекания rs, нелинейную емкость р-п-перехода Срп, емкость корпуса Cko. Введенный в СВЧ детекторную секцию СВЧ-резистор 8 обозначен на фиг. 2 через гсвч, введенные в устройство дополнительные резисторы 11, 13, 14 - Гдоп.1, гдоп.2, Гдоп.з, дополнительный СВЧ полупроводниковый диод 10-ДПД, Емкость р-п-перехода Срп (фиг. 2) существенно зависит от величины СВЧ-напряжения на p-n-переходе и от окружающей температу- ры. Например, для диодов с барьером Шот- тки(ДБШ)

С рп - тг

%-Upn {1)

где Со - емкость р-п-перехода при нулевом напряжении на переходе;

рк - контактная разность потенциалов;

Upn - напряжение на p-n-переходе СВЧ- диода.

При этом зависит от температуры

pl- ,(2)

- высота барьера;

К - постоянная Ббльцмана;

Т - абсолютная температура, . е - заряд электрона.

Вольт-амперная характеристика р-п-перехода нелинейна и существенно зависит от температуры;

1рп г)(3) через p-n-переход. 0 - начальный ток, зависит от температуры:

Т2 exp (e V/K Т);

(4)

(5)

А и q - константы для данного типа диода.

Зависимость амплитуды входного СВЧ напряжения Un6xCB4 на согласованном сопротивлении нагрузки RBXC, от входной СВЧ мощности определяется следующей формулой:

UmCB4BX V2 РшСВЧвх RCBX (1 I Г I2 где /г/ - модуль коэффициента отражения СВЧ детекторной секции.

Коэффициент отражения, как видно из фиг. 2, определяется комплексным характером входного сопротивления измерительного полупроводникового СВЧ диода ИПД, работающего в автокомпенсационном режиме и зависит от температуры и уровня сигналов в рабочем диапазоне частот. В свою очередь СВЧ напряжение непосредственно на детектирующем р-п-переходе UmpnCBM связано через коэффициент передачи Кпер С ВХОДНОЙ аМПЛИТуДОЙ УтСВЧвх. UmCB4pn Knep UrnexCBM.(7)

Введенный в детекторную секцию последовательно с измерительным диодом СВЧ-резистор гсвч обеспечивает постоянство Кпер в рабочем диапазоне частот и на- прлжений в широком диапазоне температур и одновременно улучшает согласование в этих же условиях (изменяется емкость перехода от температуры до 50% в диапазоне температур -50..+60°С, и от напряжения меняется на 50,,.100%). Выбором соответствующей реактивностям диода величины гсвч обеспечивается близость к еди- нице добротности всей резонансной системы

Q ---Ј---- - 1

rs + гсвч

(8)

где р- волновое сопротивление последовательной резонансной цепи диода рабочей полосе частот при соблюдении условия одновременно соответственно уменьшается коэффициент отражения г за счет развязки реактивностей диода входного согласованного резистора. Указанные факторы создают условия для обеспечения другими схемными методами постоянства коэффициента детектирования Кд в широком диапазоне температур в рабочем диапазоне амплитуд СВЧ-сигналов.

Коэффициент детектирования определяется соотношением

UBMX

А: ЩСВЧ . .;

ивых - выходное напряжение усилителя интегратора, являющееся мерой входной СВЧ-мощности РВХ СВЧ

Таким образом, из (9), (7)Д6)

11вых Кд UmCB4pn Kfl Knep Um8xCB4

КД -Knep V2 Р„,ггчч (1 - ГН2) Кпр УРвхСВЧ

KnepV2RBXC(l - |rl2) ,

Кпр - результирующий коэффициент преобразования входной СВЧ-мощности Рвхсвч в выходное напряжение постоянного тока Uвых- .

Из (10) и (11) следует, что только одновременное обеспечение постоянства Кд, Кпер и минимизация (|г| (I г|- 0)обеспечивают постоянство коэффициента преобразования Кпр ВХОДНОЙ СВЧ МОЩНОСТИ В

выходное напряжение постоянного тока в широком диапазоне температур и уровней входных сигналов и частот. Обеспечение постоянства только одного из коэффициентов, при существенном изменении другого или

увеличении коэффициента отражения не даст эффекта повышения постоянства КПр и, следовательно, повышения точности. При обеспечении постоянства Кд и минималь- ном (г) за счет введения гсвч. в рабочем диапазоне частот и уровней сигналов в широком диапазоне температур, становится возможным схемным путем обеспечить постоянство Кд в рабочем диапазоне уровней

0 и широком температурном диапазоне

Кд в известных устройствах не постоянен в указанных выше условиях за счет зна- чительнойвеличины падения СВЧ-напряжения Дирпсвч (см. фиг. 2, 3) на

5 p-n-переходе СВЧ-диода ИПД при его работе в автокомпенсационном (АК) режиме причем указанное падение различно для различных амплитуд и меняется в диапазоне температур как за счет изменения харак0 теристики p-n-перехода, так и его емкости. На фиг. 3 показано падение напряжения ДУрпсвч при работе диода в АК-режи- ме для амплитуды Утрпсвч на р-n переходе (на фиг. 3 - вольтамперная характеристика

5 p-n-перехода ИПД обозначена -1 , ДПД-11. На температуре характеристики соответственно 2 и 2). Для другой амплитуды Um2pnCB4 - падение Д Цп2рпсвч .

Компенсирующее напряжение (см. фиг.

0 2, 3) 11м(2) соответствует измеряемым амплитудам Umi,2CB4, но меньше их на величину падения СВЧ-напряжения ( Д1)1рпсвч) на p-n-переходе. Для той же амплитуды Umi, но на температуре Т (ветвь 2 характеристики

5 диода) падения на переходе и СВЧ-резисто- ре увеличивается (Д UipnCB4), соответствующее компенсирующее напряжение уменьшается (Uku) при этом (). Таким образом Uki UmipnCB40 -AUipnCB4(13) Для амплитуды Umi:UkiT UmipnCB4-Д1)т1рпСВЧТ,(14) Для аМПЛИТудЫ Um2:Uk2-Um2pnCB4-Ди п2рпСВЧ(1.6) Uk2T Um2CB4- Um2pnCB4T.

Для известных устройств характерно,

ЧТО UBbix Uk(CB4),

Кд м UBblx меняется.

UmpnCB4 UmpnCB4

таким образом в этих устройствах при различных уровнях 1)вхсвч при работе а широком диапазоне температур существенно снижается точность устройства.

В предлагаемом же устройстве с помощью введенных в устройство элементов с их связями (дополнительный диод 10. резистор 11, 12 и резистор 14, подключенный к источнику напряжения соответствующей полярности см. фиг. -осуществляется вы5

5

р внивание прямого падения СВЧ напря- ж гния на p-n-переходе измерительного по- п проводникового СВЧ диода (при его работе в автокомпенсаицонном режиме), с( ответствующим падением напряжения постоянного тока на введенных в цепь об- рг тной связи до.полнительных полупровод- н 1ковых СВЧ диоде и резисторе. В сравнивание указанных падений осуществляется для рабочего диапазона СВЧ ам- пгитуд в широком диапазоне температур (pic. 2 и 3), т.е. Дирпсвч+ Дигсвчвт Д (15)

& UpnCB4T+AUrCB4ei A Upn-т+А U-гдт, (16)

г/е AUrCBHe падение выпрямленного С5Ч-ТОКЗ на СВЧ-резисторе, а AU-гд- ладе ние на добавочном резисторе в цепи об- ргтной связи.

Н i фиг. 3 показано, что прямое падение СВЧ напряжения на p-n-переходе Утрпсвч вь зывает прямой ток lmi в цепи измеритель- нс го СВЧ диода, результатом которого является выпрямленный ток 1В1, создающий видеоимпульс A UQ (рис. 2) на входе уси- Л1/теля-интегратора

AUQ lBiRBxyc -(17) Таким образом в предлагаемом устрой- стзе

U.Bbix-1 Uk1 + AU-pn+ A -Кгдоб Um1CB4

(18)

UlBbix1 Uk1T+A Ul-pnUm+A -ТиГдоб - tm1CB4(19)

Аналогично для амплитуды СВЧ (фиг. 3) и других амплитуд сохраняется соотношение

Uubix- итвхвтСВЧ

для широкого диапазона температур.

Введение соответствующих элементов в йепь обратной связи и в связанные с ней цели обеспечивают выравнивание СВЧ тока (рИС. 3) ДЛЯ Um1pnC84 С ТОКОМ И- ДЛЯ UB3ix1-.

Эти же соотношения с достаточной точностью сохраняются в широком диапазоне температур и действуют для рабочего диапазона СВЧ амплитуд 1тсвч -т (Это условие соблюдается 5диг итмин, что выполняется, где 6 A DT - температурный уход падения напряжения на СВЧ диоде, а Ктмин - минимальная амплитуда измеряемого напряжения). На фиг. 3

Iml 1-1 lm1T I-2T:

- -4 Im2 I-2 lm2T 2т.

Именно за счет выравнивания токов в широком диапазоне температур (СВЧ тока ИГ Д в его режиме и постоянного тока ДПД) и у эовней сигнала и достигается выравнива0

5

0

5

0

5

ние соответствующих падений напряжений СВЧ и постоянного тока (см.(15) и (16)). А выравнивание токов 1шсвч и I- может быть достигнуто только приведенным сочетанием элементов как в цепи обратной связи, так и в общей точке диодов, а именно подключение к выводу источника постоянного тока соответствующей полярности введенных в устройство второго и третьего дополнительных резисторов создает генератор тока величиной

р

Т П3 + Гад

Указанный ток протекает по общему с цепью дополнительного СВЧ диода ДПД резистору Гд2 (фиг. 2) и имеет обратный знак с током через этот диод и первый резистор. Следовательно, ток через дополнительный диод и резистор в цепи обратной связи равен

.Уь.

ГД2

где UK - компенсирующее напряжение (см. рис. 3) на резисторе ..соответствующее данной измеряемой амплитуде Um и выходному напряжению U-вых.

Таким образом, на малых амплитудах UR - десятые доли вольта) через дополнительный СВЧ диод определяется практически величиной Гт, которая и выбирается примерно равной высокочастотному lm для соответствующей малой амплитуды UmCBH (при работе в автокомпенсационном режиме).

В средних амплитудах Утсвч ток I- обUk

(21)

разуется соизмеримыми долями

ГД2

на

0

5

0

5

больших UmCB4 ток через дополнительный диод определяется практически второй составляющей. Закон изменения тока в цепи обратной связи оказывается близким к закону изменения амплитуды СВЧ-тока lm при автокомпенсационном детектировании. Величины СВЧ токов fm при автокомпенсационном детектировании определяются соотношениями (22) и (23), (24)

(aUm)-ln( +1),(22)

где lo модуль Бесселевой функции от мнимого аргумента;

А, а - параметры характеристики р-п- перехода;

1В - выпрямленный ток (фиг. 3);

Uk oUm-0.92-1.15lg( a Um)-2,32lg(Ј+1b . А Цч Q

(23)

R

BX

(24)

Следовательно, с учетом формулы (3) именно за счет введенных элементов и их связей осуществляется выравнивание токов и выравнивание падений напряжения в цепи измерительного диода по СВЧ и в цепи дополнительного диода по постоянному току, для различных величин СВЧ-напряже- ний в широком диапазоне температур. Таким образом, обеспечивается постоянство коэффициента детектирования в тех же условиях, (необходимо отметить, что выбор номинала резистора гд2 также определяется тем, чтобы отпирающее оба СВЧ диода напряжение, определяемое формулой

Е Егд2

(25)

ГдЗ + ГД2

должно быть меньше барьерного потенциала диода (фиг. 3), для того, чтобы оба диода не были открыты, но чтобы условия для минимального сигнала были улучшены (смещение нуля характеристики на величину Еотл).

Таким образом, расширяется динамический диапазон в сторону меньших амплитуд для СВЧ-диодов с значительной величиной барьерного потенциала.

Наилучшие условия выравнивания токов получены при линейной зависимости выходного напряжения усилителя-интегратора UDUX- и входного импульсного видеосигнала A UbxQ в рабочем диапазоне лмплитуд. При этом с учетом формулы. 17 каждая величина тока 1В1 соответствует своей вел1 1чине амплитуды СВЧ-тока lm и наиболее близкой ей величине тока -в цепи обратной связи (указанные на резистор RBX служит и для подачи компенсирующего напряжения и от гд2, а электрод СВЧ измерительного диода, конденсатор Ср-разделяет вход усилителя-интегратора от напряжения UK, РН.Ч. фильтрует малую переменную составляющую ведиоимпульса на входе усилителя-интегратора.

Таким образом, только совокупность введенного в детекторную СВЧ-резистора и введенных в устройство дополнительных диодов и резисторов с их связями позволяет повысить постоянство коэффициента преобразования входной СВЧ-мощности в вы- ходное напряжение постоянного тока (10), (11) в широком диапазоне температур рабочего диапазона мощностей и частот. Это обеспечивает достижение цели - повышение точности автоматического измерения импульсной мощности СВЧ в широком диапазоне температур. Были проведены испы- тания устройства, выполненного по предлагаемому техническому решению. Устройство было выполнено на СВЧ диодах

0

5

5 0 5

0

5

0

5

0

типа ЗА117АР и имело следующие параметры:

1) температурная нестабильность выходного напряжения при постоянной входной мощности не более ± 4% в диапазоне температур -50...+60°С в рабочем диапазоне входных сигналов,

2) динамический диапазон входных сигналов 10...500 мВт,

3) неравномерность АЧХ в октавной полосе частот не более ±5%.

4) отклонение от квадратичное™ не более ±5%. не более 1,4,

5) суммарная относительная погрешность в диапазоне температур не более ±9%.

6) суммарная абсолютная погрешность не более ± 12%.

Шкала индикаторного устройства квадратична в рабочей области мощностей (либо может быть линеаризирована известными аналоговыми и цифровыми преобразователями).

Диапазон выходных напряжений устройства 0,4...4 В при токе нагрузки до 1 мА, Обеспечивается хорошая помехоустойчивость при непрерывной автоматической работе в широком диапазоне температур.

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить точность измерения импульсной СВЧ мощности в диапазоне температур -50...+60°С до величины ±12%.

Ф о р.м ула изобретения

Устройство для автоматического измерения импульсной СВЧ-мощности, содержащее последовательно включенные СВЧ детекторную секцию, усилитель-интегратор и индикатор, причем выход усилителя-интегратора соединен с выходом СВЧ-детек- торной секции цепью обратной связи, при этом детекторная секция состоит из нагрузочного СВЧ-резистора, один вывод которого является входом детекторной секции, а другой соединен с корпусом, и конденсатора, включенного между выходом первого СВЧ-диода и корпусом, причем выход первого СВЧ-диода является выходом СВЧ детекторной секции, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в СВЧ детекторную секцию между входом СВЧ-диода и нагрузочным СВЧ-резистором включен первый СВЧ резистор, причем цепь обратной связи образована последовательным соединением второго СВЧ-диода и второго резистора, причем второй СВЧ-диод включен навстречу первому СВЧ-диоду и, кроме того, между выходом второго СВЧ-диода и корпусом

/y/7J7

включен третий резистор и дополнительный

конденсатор, а к выходу второго СВЧ-диода

CSV dpmp#arop ajr

сенце/

через четвертый резистор включен источник питания.

/y/7J7

фме. Z

-Е о- -- C$jftA ruwz