ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТЕКТОРОВ СИГНАЛА СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ С АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

АННОТАЦИЯ

Объектом исследования является детектор сигналов сверхвысокой частоты с амплитудной модуляцией. Характеристики детектора: входной динамический диапазон 55 дБ в диапазоне частот 5–7 ГГц, при мощности первой боковой частоты входного сигнала от минус 80 до минус 25 дБВт. В результате работы установлено, что наиболее подходящим типом детектора, для заданного сигнала, является RMS.

Ключевые слова: амплитудный детектор, сверхвысокие частоты, печатная плата, детектор среднеквадратического значения мощности, логарифмический детектор, ADL5906.

УДК 621.376.239

ВВЕДЕНИЕ

На данный момент детекторы СВЧ сигналов широко распространены в связи с высокой надобностью контроля и измерения мощности сигналов в сантиметровом диапазоне длин волн. Величины напряжений и токов в различных сечениях линии передачи могут отличаться, поэтому измеряется мощность СВЧ сигналов.

Исследуемый детектор должен обеспечивать входной динамический диапазон 55 дБ в диапазоне частот 5–7 ГГц, при мощности первой боковой частоты входного сигнала от минус 80 до минус 25 дБВт. Детектор должен быть способен измерять мощность АМ сигналов с частотой огибающей 100 кГц.

Планируемый научно-технический уровень ниже, чем в статье [1], так как в данной работе не рассматривается исследование изготовленных детекторов, а лишь приводятся теоретические сведения.

Преимущество данной работы перед другими заключается в том, что приведено подробное описание каждого типа детекторов, на основании чего можно выбрать подходящий тип детектора под необходимую задачу.

1 Типы детекторов

Можно выделить несколько типов АД: на нелинейном элементе (транзисторные и диодные), синхронные, ИС детекторов (RMS, логарифмический усилитель, SDLVA, на основе диода Шоттки).

1.1 RMS детектор

RMS детектор позволяет вычислять среднеквадратическое значение напряжения на выходе, может иметь линейную в вольтах или линейную в децибелах характеристику. RMS детектор не чувствителен к типу модуляции. Позволяет проводить очень точные измерения мощности, но имеет не слишком быстрый отклик (от 1 мкс).

1.2 Детектор на основе диода Шоттки

Детектор на основе диода Шоттки имеет очень быстрый отклик (менее 10 нс), но в тоже время низкую точность и чувствительность. Ещё одним недостатком детекторов на диоде Шоттки является характеристика с нелинейным участком. Такие детекторы применяются в устройствах, где важно быстро обнаружить факт наличия сигнала.

1.3 Логарифмический усилитель

Логарифмические усилители имеют постоянное напряжение на выходе пропорциональное логарифму входного СВЧ сигнала. Логарифмический усилитель позволяет производить достаточно точные измерения мощности с чувствительностью до минус 80 дБм и имеет быстрый отклик (10–100 нс) и таким образом по своим параметрам находится между RMS детекторами и детекторами на диоде Шоттки, представляя из себя компромисс. Такие детекторы широко используются и являются особенно полезными, когда сигнал имеет фиксированный тип модуляции и имеет широкий динамический диапазон с необходимостью быстрого отклика.

1.4 SDLVA детектор

SDLVA детекторы используются в военных и космических отраслях, имеют очень широкий динамический диапазон (до 100 дБ), широкий диапазон рабочих частот (0–30 ГГц), быстрый отклик (менее 10 нс) и главный плюс таких ИС заключается в плоской частотной характеристике. SDLVA детекторы применяются, например, в радарах, где сигнал – короткие радиоимпульсы.

2 Исследование отладочной платы детектора

В соответствии с характеристиками, приведёнными в введении была выбрана ИС ADL5906 – RMS детектор с динамическим диапазоном 67 дБ и диапазоном рабочих частот 0,01–10 ГГц. Типовая схема включения ADL5906 изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. Типовая схема включения ADL5906 [2]

Использование минимальной величины конденсатора C9 позволяет добиться быстрого отклика, но с высоким уровнем шума выходного сигнала. Тогда как, C9 большой величины уменьшает шумы выходного сигнала и увеличивает время отклика. Выберем величину C9 равной 0,1 мкФ, что обеспечивает компромисс между величиной выходного шума и быстродействием отклика. Резистор R3 и конденсаторы C10, C12 – входная цепь согласования, которая обеспечивает эквивалентное сопротивление 50 Ом, и является ФВЧ. Делитель из резисторов R10 и R11 обеспечивает напряжение на входе V_TGT равное 0,8 В для достижения компромисса между большим динамическим диапазоном и минимальной погрешностью выходного напряжения. Напряжение на входе V_TADJ равное 1 В обеспечивается делителем R12, R9 для температурной компенсации на частотах 5,8-10 ГГц. Конденсаторы C3, C4, C5, C7 сглаживают пульсации напряжения питания и являются непосредственными источниками питания вблизи микросхемы. Материал печатной платы – Rogers 4350b.

3 Программа экспериментальных исследований

На рисунке 2 изображена схема экспериментальных исследований СВЧ детектора.

Рисунок 2. Схема экспериментальных исследований

В качестве параметров, подверженных исследованию, выбраны характеристики детектора: динамический диапазон и диапазон рабочих частот. Для измерения диапазона рабочих частот задаётся несколько уровней мощности СВЧ генератора. Изменяя частоту СВЧ сигнала на 200 МГц, от 5 ГГц до 7 ГГц снимается зависимость выходного напряжения от частоты входного сигнала.

Динамический диапазон измеряется на центральной и крайних частотах: 5, 6, 7 ГГц. Для измерения динамического диапазона на выходе генератора устанавливается сигнал с одной из измеряемых частот и уровнем мощности 0 дБм, и изменяя мощность СВЧ сигнала на входе с шагом 5 дБм, снимается зависимость выходного напряжения от мощности СВЧ сигнала на входе, характеристика снимается в положительную и в отрицательную сторону, до тех пор, пока напряжение на выходе изменяется линейно относительно мощности на входе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения научно-исследовательской работы было проведено исследование детекторов мощности СВЧ сигналов. Подробно рассмотрены типы ИС детекторов и приведено их развёрнутое описание, с примерами применения. Можно сделать вывод, что наиболее подходящим для модулированных сигналов является RMS детектор. Было проведено исследование отладочной платы детектора ADL5906, которая способна обеспечивать входной динамический диапазон до 67 дБ и диапазон рабочих частот 5–7 ГГц. ADL5906 имеет сопротивление 50 Ом, полученное посредством внутри-элементного согласования и внешней согласующей цепи. При составлении программы экспериментальных исследований установлено, что динамический диапазон оценивается шириной линейного участка на зависимости выходного напряжения от относительной мощности СВЧ сигнала на входе. Диапазон рабочих частот характеризуется полосой частот, в которой сохраняется заданный динамический диапазон.

Список литературы:

1. Saad Qayyum, Renato Negra (2018) “Analysis and Design of Distributed Power Detectors”. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, September 2012, vol. 66, no. 9. С. 4191–4203.
2. ADL5906: 10 MHz to 10 GHz 67 dB TruPwr Detector [Электронный ресурс]. 2017. URL: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADL5906.pdf (Дата обращения: 2019-05-11).