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I-V 曲線的非線電阻特性，將射頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號，實現(xiàn)檢波功能，也可以將輸入信號和本振信號產(chǎn)生差頻得到中頻而實現(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直接轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號。

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功率前后檢波器負(fù)載上電壓的變化值與輸入信號功率之比（信號電平很小）即為電壓靈敏度，可用公式（1）表示：

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

2.2 正切靈敏度Tss

當(dāng)不加微波信號時，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，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。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

信號發(fā)生器給定測試頻率的功率信號，通過調(diào)節(jié)螺絲桿的移動到適當(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鳌２▽?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

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算：

截止波長為：

表1：進(jìn)口產(chǎn)品標(biāo)稱值與新設(shè)計腔體測試值對比

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，這是因為TE10模容易實現(xiàn)單模傳輸，此外，當(dāng)電磁波頻率一定時傳輸TE10模的波導(dǎo)尺寸最小，若波導(dǎo)尺寸一定，則實現(xiàn)單模傳輸?shù)念l帶最寬，為實現(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。

計算結(jié)果：λc(TE10)=2a=45.72mm，TE10波的截至波長最長，當(dāng)λ=50mm 時，波導(dǎo)對所有波形都截至，當(dāng)λ=40mm 時，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，同時允許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

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)到微波信號在矩形波導(dǎo)內(nèi)全反射的目的。微波全反射時，信號在二極管上疊加，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

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)腔體信號傳輸?shù)酵S電纜線的作用，檢波二極管正向?qū)ǎ湮⒉ㄐ盘栟D(zhuǎn)化為視頻信號，再通過微帶線傳輸至同軸電纜線輸出，這時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)。

這個媒質(zhì)取代了微帶線的空氣和電介質(zhì)區(qū)域。當(dāng)相對介電常數(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，特征阻抗可以計算為：

式中，W 為微帶線寬度。對于給定的特征阻抗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)行了測試驗證，進(jìn)口產(chǎn)品型號分別為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，對微波檢波二極管研制、生產(chǎn)、檢驗等過程中測試微波性能參數(shù)提供了一種高精度的手段，對其它頻段產(chǎn)品的測試也具有參考意義。