Экспериментальное исследование транзисторного детектора СВЧ

УДК 621.376

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО ДЕТЕКТОРА СВЧ

Д.В.Беляев,А.Н. Зикий, К. Е. Румянцев

Рассмотрен амплитудный детектор СВЧ на кремниевом транзисторе по схеме с общим эмиттером; исследованы амплитудная характеристика, зависимости выходного напряжения и чувствительности от частоты.

The amplitude detector on the silicon microwave transistor under the circuit with the common emitter is considered; the amplitude characteristic is investigated. Frequency dependences of output voltage and sensitivity are established.

Широкое распространение в диапазоне СВЧ получили диодные детекторы, благодаря своей высокой чувствительности и широкой полосе пропускания [1-3]. Применение же транзисторных детекторов ограничивается тем, что их свойства недостаточно изучены [4]. Целью настоящей работы является экспериментальное исследование основных характеристик транзисторного детектора: чувствительности, динамического диапазона, частотного диапазона, протяженности участка линейного и квадратичного детектирования.

Объектом исследования является амплитудный детектор СВЧ на кремниевом транзисторе по схеме с общим эмиттером (рис. 1).

Резистор Я1 служит для согласования входа детектора с 50-Омной линией передачи. Резисторы Я2 и Я3 образуют базовый делитель для обеспечения стабильного смещения между базой и эмиттером. Резистор Я4 и конденсатор С3 образуют цепь автосмещения. Резистор Я5 и конденсатор С4 являются фильтром нижних частот в цепи коллектора. Резистор Яв, конденсаторы С1 и С5 являются фильтром нижних частот в цепи питания.

Амплитудной характеристикой (АХ) детектора является зависимость выходного напряжения от входной мощности. Эксперимент проводился на измерительной установке, схема которой приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема лабораторной установки

Использовался генератор СВЧ типа Г4-78. Одновременно с изменением входной мощности изменялся коэффициент усиления усилителя У4-28 и коэффициент развертки осциллографа С1-70 для удобства наблюдения сигнала. Модуляция сигнала - меандр. Поскольку генератор не обеспечивает на калиброванном выходе мощность больше 3 дБмВт, то для снятия верхнего участка АХ измерительная установка дополнялась усилителем мощности М42121-1, установленным по выходу генератора, который обеспечивает выходную мощность порядка 50 - 100 мВт в режиме насыщения. Результаты измерений занесены в таблицу и отражены на рис. 3.

<4*. в

/о

300 мг

—/ 1 у

1200 МГц ;

7

т

Рвх. дБВт

Рис. 3. Амплитудные характеристики транзисторного детектора

Рис. 1. Схема амплитудного детектора СВЧ

Результаты измерения амплитудной характеристики детектора на частоте 1200 МГц

Рвх, дБмкВт Напряжение на выходе усилителя У4-28, В Коэффициент усиления усилителя У4-28 Напряжение на выходе детектора ТІ В ^вых пет? -0

0 10 90 0,0003

5 40 90 0,00126

10 40 80 0,004

15 40 70 0,0126

20 40 60 0,04

25 32 50 0,1

30 22 40 0,22

-27 32 40 0,32

9 с усилением 17 20 1,7

15 с усилением 34 20 3,4

20 с усилением 14 10 4,4

25 с усилением 15 10 4,74

30 с усилением 16 10 5,06

Видно, что нижняя часть АХ является квадратичной (приращение входной мощности на 10 дБ дает приращение выходного напряжения на 20 дБ). Верхняя часть АХ ближе к линейной.

Зависимость выходного напряжения от частоты снималась на той же измерительной установке (см. рис. 2). Чтобы перекрыть исследуемый диапазон 0,3...4 ГГц, использовались четыре генератора СВЧ (Г4-129, Г4-78, Г4-79, Г4-80) с постоянной выходной мощностью минус 50 дБВт (в пределах погрешности приборов ± 2 дБ) с модуляцией сигнала типа «меандр». Коэффициент усиления усилителя изменялся при помощи переключателя для удобства наблюдения сигнала на экране осциллографа. Кривые снимались с шагом 100 МГц. Результаты измерений приведены на рис. 4, из которого видно, что перепад выходного напряжения составил примерно 67 раз - от 0,3 мВ на частотах 2,6.2,7 ГГц до 20 мВ на частоте 300 МГц.

Диодные детекторы СВЧ имеют значительно лучшую неравномерность в диапазоне частот.

Зависимость чувствительности от частоты снималась на измерительной установке (см. рис. 2) с источником питания Б5-47. Использовались СВЧ генераторы Г4-129, Г4-78, Г4-79 и Г4-80 с модуляцией типа «меандр». Коэффициент усиления усилителя У4-28 постоянный - 90 дБ, полоса - А. Сигнал контролировался осциллографом С1-70. Кривая снималась с интервалом 100 МГц. Результат измерений показан на рис. 5, из которого видна большая неравномерность чувствительности (около 20 дБ).

Рис. 4. Зависимость выходного напряжения от частоты при Рс = 0 дБВт, Рвх = -50 дБВт

-50

-55

-60

-65

с-70

-75

-80

-85

♦

>

А ^ >/♦

/

0.5

1,5

2 2.5

Г. ГГц

3,5

4.5

Рис. 5. Частотная зависимость тангенциальной чувствительности

Несмотря на указанный недостаток, транзисторный детектор может найти применение в цепях контроля приемников, в узкополосных трактах промежуточной частоты, где эта характеристика не является принципиальной. На частотах до 1 ГГц чувствительность транзисторного детектора вполне может конкурировать с чувствительностью детектора на диодах с барьером Шотки. Возможность расширения диапазона частот с высокой чувствительностью путем применения более высокочастотного транзистора не исследовалась, но представляет практический интерес.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что транзисторный детектор СВЧ является сверхширокополосным, перекрывая несколько октав. Исследованный детектор перекрывает весь дециметровый, часть метрового и сантиметрового диапазонов. Коэффициент передачи транзисторного детектора выше, а по чувствительности приближается к диодному детектору СВЧ. Неравномерность чувствительности и коэффициента передачи в диапазоне частот 1200...4000 МГц составляет 20 дБ, что превышает неравномерность чувствительности и коэффициента передачи диодного детектора.

Энергопрочность детектора на транзисторе не хуже, чем на диодах 2А125 и 2А131. Габариты и масса детектора на транзисторе сопоставимы с аналогичными характеристиками диодного детектора. Транзисторный детектор чувствителен к пульсациям источника питания: его чувствительность может ограничиваться именно этим видом помехи, а не шумами. Динамический диапазон транзисторного детектора по входу превышает 60 дБ (на частоте 1200 МГц).

ЛИТЕРАТУРА

1. Радиоприемные устройства /Под ред. В.И. Сифоро-ва.-М.: Сов. радио, 1974.

2. Румянцев К.Е. Прием и обработка сигналов. -М.: Академия, 2004.

3. Радиоприемные устройства /Под ред. Н.Н. Фомина. 2-е издание. -М.: Радио и связь, 2003.

4. Горбин В.В., Хамаза В.М. Детектор СВЧ на транзисторе // Твердотельная электроника СВЧ. - Таганрог: ТРТИ, 1986, вып.2 с. 97.

Поступила 15. 05. 2006.