一種高效可調(diào)諧X頻段檢波二極管測試腔體的研制

戴裕華 王霄 黃愛琴 郝守泉 施凡

（南京固體器件有限公司 江蘇省南京市 210016）

肖特基勢壘二極管利用正向偏置時(shí)I-V 曲線的非線電阻特性，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)，實(shí)現(xiàn)檢波功能，也可以將輸入信號(hào)和本振信號(hào)產(chǎn)生差頻得到中頻而實(shí)現(xiàn)混頻功能。與PN 結(jié)二極管相比，該類產(chǎn)品開啟電壓比較小，無少子貯存效應(yīng)，工作速度快，能在很高頻率下工作，是高性能、寬頻帶和低成本混頻器和檢波器應(yīng)用電路的首選，在電子對(duì)抗、雷達(dá)、微波測量和微波儀器中廣泛使用。由于被檢測的微波信號(hào)一般比較弱，因而要求檢波二極管的靈敏度很高，檢波二極管的輸出電壓由視頻放大器放大，這就構(gòu)成了晶體視頻接收機(jī)，其靈敏度低于超外差接收機(jī)。在研制生產(chǎn)中準(zhǔn)確測試其微波參數(shù)具有重要的意義。檢波二極管管的主要微波參數(shù)為電壓靈敏度和正切靈敏度[1]。

1 檢波二極管的工作原理

肖特基勢壘二極管是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢壘這一工作原理制作，其電流和電壓之間為非線性關(guān)系，其非線性阻抗特性是實(shí)現(xiàn)檢波功能的關(guān)鍵，即利用非線性阻抗特性直接將微弱的射頻信號(hào)直接轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)。

2 檢波二極管主要微波參數(shù)

2.1 電壓靈敏度βv

檢波二極管在輸入信號(hào)功率前后檢波器負(fù)載上電壓的變化值與輸入信號(hào)功率之比（信號(hào)電平很?。┘礊殡妷红`敏度，可用公式（1）表示：

式中，ΔV 是檢波器輸入信號(hào)功率前后檢波器負(fù)載上電壓的變化值，Pm是輸出信號(hào)功率。

2.2 正切靈敏度Tss

當(dāng)不加微波信號(hào)時(shí)，在放大器的輸出端用示波器觀察到圖1 中a 所示的噪聲波形，然后加入微波方波信號(hào)，則在示波器上出現(xiàn)的如圖1 中b 所示的波形（如圖1 所示）。調(diào)節(jié)輸入功率，使沒有脈沖時(shí)的最高噪聲峰值和脈沖存在的最低噪聲在同一水平線上，這時(shí)候的輸入微波脈沖功率即為正切靈敏度，用Tss 表示，其單位通常用dBm 或dBW。

3 測試系統(tǒng)框圖

電壓靈敏度和正切靈敏度測試系統(tǒng)方框圖如圖2 所示。

4 一種高效可調(diào)諧X頻段測試腔體的研制

檢波二極管的微波性能測試通常需放置在波導(dǎo)系統(tǒng)中進(jìn)行，研制一款可調(diào)諧的波導(dǎo)測試腔體是解決電壓靈敏度和正切靈敏度測試的一種途徑，測試腔體的設(shè)計(jì)主要涉及波導(dǎo)尺寸的選擇，截止波長的范圍和主模波的選取，以及功率輸入接口和微帶線同軸轉(zhuǎn)換輸出等方面的設(shè)計(jì)。其測試原理圖如圖3 所示。

圖1：正切靈敏度測試的示波器顯示法

圖2：測試系統(tǒng)方框圖

圖3：電壓靈敏度和正切靈敏度測試原理圖

圖4：微帶型檢波二極管測試腔體結(jié)構(gòu)示意圖

信號(hào)發(fā)生器給定測試頻率的功率信號(hào)，通過調(diào)節(jié)螺絲桿的移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢茫琓E波（橫電波）主要模TE10波全反射，達(dá)到阻抗匹配，微波在腔體傳輸?shù)奖粶y試二極管的一端，微波信號(hào)通過二極管的另一端再由介質(zhì)片上的微帶線傳輸?shù)酵S電纜線傳輸?shù)胶练砗褪静ㄆ?。波?dǎo)測試腔體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

4.1 波導(dǎo)腔體的設(shè)計(jì)

在確定波導(dǎo)尺寸后，波導(dǎo)中必須單模傳輸TE 波（橫電波），TE 波的主模為TE10模。即單模傳輸TE10模。其截止波長、截止頻率可以下列公式計(jì)算：

截止波長為：

表1：進(jìn)口產(chǎn)品標(biāo)稱值與新設(shè)計(jì)腔體測試值對(duì)比

圖5：電壓靈敏度示波器顯示圖

圖6：正切靈敏度示波器顯示圖

截止頻率為：

式中，m、n 代表不同的波形，具有不同的場分布。a、b 分別代表矩形波導(dǎo)內(nèi)截面的寬邊和窄邊，kC為矩形波導(dǎo)TE 波（橫電波）和TEM 波（橫電磁波）的截止波數(shù)，μ 為磁導(dǎo)率，ε 為介電常數(shù)。

矩形波導(dǎo)通常工作在TE10模單模傳輸情況，這是因?yàn)門E10模容易實(shí)現(xiàn)單模傳輸，此外，當(dāng)電磁波頻率一定時(shí)傳輸TE10模的波導(dǎo)尺寸最小，若波導(dǎo)尺寸一定，則實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)念l帶最寬，為實(shí)現(xiàn)單模傳輸，電磁波的工作波長必須滿足下述條件：λc(TE20)<λ<λc(TE10)，a<λ<2a，λ>λc(TE01)，λ>2b。 波 導(dǎo) 尺 寸 滿 足λ/2

設(shè)計(jì)采用BJ-100 型國產(chǎn)矩形波導(dǎo)尺寸，矩形波導(dǎo)尺寸：a=22.86mm、b=10.16mm,計(jì)算出部分波形的截至波長。

將m=2，n=0 代入（2）得到λc(TE20)=a=22.86mm；

將m=1，n=0 代入（2）得到λc(TE10)=2a=45.72mm；

將m=0，n=1 代入（2）得到λc(TE01)=2b=20.32mm。

計(jì)算結(jié)果：λc(TE10)=2a=45.72mm，TE10波的截至波長最長，當(dāng)λ=50mm 時(shí)，波導(dǎo)對(duì)所有波形都截至，當(dāng)λ=40mm 時(shí)，波導(dǎo)只能傳輸TE10波，工作在這種情況的波導(dǎo)則稱為單模波導(dǎo)。當(dāng)λ=15mm 時(shí)，同時(shí)允許TE10、TE20、E01、TE11、TM11、TE30等波形傳輸，工作在這種情況的波導(dǎo)稱為多模波導(dǎo)。測試頻率10GHz，工作波長，λ工作=30mm，在單模傳輸范圍內(nèi)。計(jì)算算結(jié)果表明WJ-100 型矩形波導(dǎo)可以滿足該頻段的測試條件。矩形波導(dǎo)尺寸選定。

4.2 全反射短路塊設(shè)計(jì)

矩形波導(dǎo)傳輸微波，微波在矩形波導(dǎo)腔體內(nèi)兩側(cè)壁間來回反射，矩形波導(dǎo)內(nèi)中間位置微波最強(qiáng)，測試在矩形波導(dǎo)內(nèi)軸向中間位置最佳，因此矩形波導(dǎo)可分成對(duì)稱的兩部分。測試過程中微波在矩形波導(dǎo)腔體內(nèi)必須全反射，采用全反射短路塊解決全反射問題，矩形全反射短路塊一端設(shè)計(jì)為凹凸形狀，凹槽深λ/2 工作波長（見圖4 所示），矩形全反射短路塊另一端打螺絲孔連接調(diào)節(jié)螺絲桿，測試過程中通過調(diào)節(jié)全反射短路塊在矩形波導(dǎo)內(nèi)的位置，達(dá)到微波信號(hào)在矩形波導(dǎo)內(nèi)全反射的目的。微波全反射時(shí)，信號(hào)在二極管上疊加，檢波二極管測試出最大的電壓靈敏度和正切靈敏度。

4.3 介質(zhì)片帶狀線設(shè)計(jì)

微帶線傳輸TEM 波（橫電磁波），介質(zhì)片帶狀線起到將矩形波導(dǎo)腔體信號(hào)傳輸?shù)酵S電纜線的作用，檢波二極管正向?qū)ǎ湮⒉ㄐ盘?hào)轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)，再通過微帶線傳輸至同軸電纜線輸出，這時(shí)微帶線特征阻抗與同軸電纜線的阻抗相匹配。

確定帶狀線尺寸，阻抗計(jì)算公式[2]為：

式中，t 為帶狀線厚度 ，W 為帶狀線寬度，d 為介質(zhì)板厚度。微帶線的有效介電常數(shù)可以解釋為一個(gè)均勻媒質(zhì)的介電常數(shù)。工程算式[3]如下：

式中，εe為均勻媒質(zhì)的介電常數(shù)，εr為介質(zhì)板的介電常數(shù)。

這個(gè)媒質(zhì)取代了微帶線的空氣和電介質(zhì)區(qū)域。當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)為εr電介質(zhì)板被有效介電常數(shù)為εe的均勻媒質(zhì)取代，給定微帶線尺寸，特征阻抗可以計(jì)算為：

式中，W 為微帶線寬度。對(duì)于給定的特征阻抗Z0和介電常數(shù)。

帶狀線特征阻抗Z0制作成50 歐姆微帶線。帶狀線阻抗同軸電纜線阻抗相匹配，介質(zhì)材料選取介電常數(shù)大的覆銅板，測試時(shí)容易調(diào)節(jié)匹配。

5 新研制X頻段測試腔體測試進(jìn)口產(chǎn)品示波器顯示圖

5.1 測試電壓靈敏度示波器顯示圖

如圖5 所示。

5.2 測試正切靈敏度示波器顯示圖

如圖6 所示。

5.3 測試結(jié)果

在完成X 頻段檢波測試腔體研制后，采用進(jìn)口產(chǎn)品進(jìn)行了測試驗(yàn)證，進(jìn)口產(chǎn)品型號(hào)分別為MA4E929 和MA4E932，測試頻率10GHz，其電壓靈敏度、正切靈敏度測試結(jié)果如表1 所示。

從表1 的測試結(jié)果可以看出，采用新研制的檢波測試波導(dǎo)腔體，測試進(jìn)口檢波二極管的正切靈敏度和電壓靈敏度，其測試數(shù)據(jù)均優(yōu)于產(chǎn)品手冊(cè)中的標(biāo)稱值。

6 結(jié)論

X 頻段波導(dǎo)型可調(diào)諧測試腔體的研制成功，提供了一種微波檢波二極管電壓靈敏度和正切靈敏度的測試方法，測試結(jié)果完全滿足X 頻段檢波二極管微波性能參數(shù)的測試要求，測試方便、簡便、高效、重復(fù)性高，對(duì)微波檢波二極管研制、生產(chǎn)、檢驗(yàn)等過程中測試微波性能參數(shù)提供了一種高精度的手段，對(duì)其它頻段產(chǎn)品的測試也具有參考意義。