微波檢波器設(shè)計(jì)及其在天線實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

楊德強(qiáng)，劉思豪，陳 波，張躍輝，潘 錦

(電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731)

微波檢波器設(shè)計(jì)及其在天線實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

楊德強(qiáng)，劉思豪，陳 波，張躍輝，潘 錦

(電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731)

該文設(shè)計(jì)了一個(gè)低成本的微波檢波器實(shí)驗(yàn)裝置，在10MHz～3GHz的頻率范圍內(nèi)，借助普通數(shù)字萬(wàn)用表的毫伏擋做指示器，可檢測(cè)微波信號(hào)功率動(dòng)態(tài)范圍達(dá)58dB以上。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利用該檢波器開(kāi)展天線實(shí)驗(yàn)，替代微波頻譜分析儀等高價(jià)值儀器，測(cè)量范圍和精度可以達(dá)到教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求，且能夠有效控制實(shí)驗(yàn)成本。

微波檢波器；數(shù)字萬(wàn)用表；動(dòng)態(tài)范圍；天線實(shí)驗(yàn)

在高等學(xué)校的電子信息工程專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中，微波技術(shù)與天線課程是重要的組成部分之一。該課程工程性很強(qiáng)，需要配套開(kāi)設(shè)相應(yīng)的微波與天線實(shí)驗(yàn)[1-2]；但由于微波儀器設(shè)備價(jià)格比較昂貴，實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)難度較大。部分高校在微波實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域大量采用虛擬儀器設(shè)計(jì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)[3-7]，也有一些高校采取購(gòu)買(mǎi)少量?jī)x器開(kāi)展演示實(shí)驗(yàn)的方式，以降低實(shí)驗(yàn)門(mén)檻，在一定程度上解決了實(shí)驗(yàn)的有無(wú)問(wèn)題[8-10]。本文設(shè)計(jì)的低成本微波檢波器實(shí)驗(yàn)裝置，可以替代價(jià)格高昂的微波功率計(jì)或頻譜分析儀等接收設(shè)備，在微波與天線實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，具有足夠的測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)范圍。

1 微波檢波器設(shè)計(jì)

微波功率是表征微波信號(hào)特性的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)微波功率電平的精確測(cè)量已成為現(xiàn)代微波測(cè)量中最重要的一環(huán)。微波檢波技術(shù)是微波接收檢測(cè)技術(shù)的一種，具有寬頻帶工作、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。微波檢波器主要采用二極管檢波技術(shù)[11]。

1.1 二極管檢波器工作原理

二極管利用其單向?qū)щ娦詫⑽⒉芰哭D(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流信號(hào)，其電流-電壓(I-U)關(guān)系具有非線性特性。低勢(shì)壘肖特基二極管的伏-安特性如圖1所示，其在原點(diǎn)附近的曲線表現(xiàn)為平方律特性。

圖1 檢波二極管的伏-安特性

檢波二極管的伏-安特性可以表示為：

I=Is[e(qU/nkT)-1]

(1)

式中，Is是反相飽和電流，k是波爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，q是電子電荷，n是修正常數(shù)。

(2)

該級(jí)數(shù)偶次項(xiàng)提供了檢波作用。對(duì)于小信號(hào)的檢波，只有二次項(xiàng)有意義，從而稱(chēng)為二極管工作在平方律區(qū)域。在這一區(qū)域，輸出電流正比于射頻輸入電壓的平方。信號(hào)較大時(shí)，四次方項(xiàng)不能忽略，二極管按準(zhǔn)平方律檢波，稱(chēng)之為過(guò)渡區(qū)；信號(hào)再增大就進(jìn)入線性檢波區(qū)。

源和帶匹配電阻的無(wú)偏置肖特基二極管檢波器的電路圖如圖2所示。輸入到二極管的微波信號(hào)被檢測(cè)到后，得到與輸入功率相對(duì)應(yīng)的直流輸出電壓Vo。對(duì)射頻信號(hào)而言，二極管電阻必須與源電阻完全匹配，這樣才能使二極管得到最大的射頻功率。

圖2 二極管檢波器的電路圖

1.2 微波檢波器的制作

實(shí)際制作的微波檢波器電路如圖3所示，采用可檢測(cè)低電平射頻信號(hào)的無(wú)偏置肖特基二極管HSMS-285。通過(guò)同軸電纜送到檢波器的微波信號(hào)，經(jīng)電阻匹配后輸入到二極管進(jìn)行檢測(cè)，得到與輸入功率相對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)直流輸出電壓，經(jīng)接地的高頻電容和串聯(lián)電感濾波后，變成穩(wěn)定的直流電壓。

圖3 微波二極管檢波器原理圖

實(shí)驗(yàn)用的微波檢波器封裝成70 mm×70 mm×18 mm的屏蔽盒，如圖4所示。檢波器的射頻輸入端采用四孔法蘭盤(pán)SMA插座，便于通過(guò)同軸電纜與微波測(cè)試裝置連接，直流輸出端采用與數(shù)字萬(wàn)用表的表筆插座相同的紅黑兩色單孔插座，分別代表直流信號(hào)的正極和負(fù)極。

圖4 微波檢波器實(shí)物照片

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

2.1 微波檢波器定標(biāo)

下面對(duì)制作完成的微波檢波器進(jìn)行定標(biāo)和動(dòng)態(tài)范圍檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)框圖如圖5所示。從N9310A微波信號(hào)源輸出不同頻率和功率的微波信號(hào)，經(jīng)過(guò)檢波器檢波后產(chǎn)生直流電壓，并由數(shù)字萬(wàn)用表的毫伏擋進(jìn)行檢測(cè)。

圖5 微波檢波器定標(biāo)實(shí)驗(yàn)框圖

將微波信號(hào)源分別設(shè)置為10 MHz、100 MHz、1 GHz、3 GHz頻率，輸出功率從-46 dBm到12 dBm范圍變化，步進(jìn)功率值為2 dBm，檢波器定標(biāo)測(cè)量的結(jié)果如表1所示。

表1 不同頻率不同功率下檢波輸出電壓

表1(續(xù))

由表1可見(jiàn)，在普通數(shù)字萬(wàn)用表毫伏擋的測(cè)試靈敏度(最小0.1 mV)范圍內(nèi)，10 MHz～3 GHz中抽取的幾個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)可以檢測(cè)的功率電平變化范圍均可達(dá)58 dB，完全可以覆蓋一般微波實(shí)驗(yàn)和天線實(shí)驗(yàn)的接收電平動(dòng)態(tài)范圍要求。

2.2 天線方向圖測(cè)量實(shí)驗(yàn)

天線測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，要測(cè)量天線的輻射特性參數(shù)，如方向圖、增益、極化等，通常需要具備微波頻段的發(fā)射信號(hào)源和接收設(shè)備。這里用自制的微波檢波器配合萬(wàn)用表代替微波接收設(shè)備，構(gòu)成天線的方向圖測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 微波檢波器構(gòu)成的方向圖測(cè)量實(shí)驗(yàn)框圖

每次天線測(cè)量實(shí)驗(yàn)的工作頻率不一定相同，一般可以采用兩種實(shí)驗(yàn)方法。

1)事先制作好與表1類(lèi)似的檢波器輸入功率和輸出電壓關(guān)系曲線，測(cè)方向圖時(shí)用萬(wàn)用表讀出的天線不同接收方向檢波電壓，通過(guò)查曲線換算成對(duì)數(shù)功率值。

2)直接記錄天線不同接收方向檢波電壓，然后將檢波器直接連到信號(hào)源，不斷改變信號(hào)源功率，查找出對(duì)應(yīng)電壓代表的對(duì)數(shù)功率值。

方法1)必須制作出功率步進(jìn)精度較高的檢波器關(guān)系曲線，適合于長(zhǎng)期使用的測(cè)試頻率。

方法2)可以用信號(hào)源輸入含有小數(shù)的信號(hào)源功率，適合于臨時(shí)采用的測(cè)試頻率。

圖7 背腔天線的方向圖測(cè)量結(jié)果

利用微波檢波器對(duì)一個(gè)背腔式天線在1 GHz工作頻率時(shí)的方向圖進(jìn)行測(cè)量，繪制的歸一化方向圖如圖7所示，其半功率點(diǎn)波瓣寬度約為125 °，與微波暗室測(cè)試結(jié)果基本一致，說(shuō)明該方法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中已有足夠的精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

按此實(shí)驗(yàn)方法在本科生的微波技術(shù)與天線實(shí)驗(yàn)中使用，代替微波頻譜分析儀、微波功率計(jì)、場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試儀等貴重儀器，實(shí)驗(yàn)收發(fā)系統(tǒng)中接收機(jī)部分的成本顯著降低，使實(shí)驗(yàn)更容易進(jìn)行大規(guī)模開(kāi)設(shè)。近幾年的教學(xué)效果表明，采用檢波器配合萬(wàn)用表的微波接收方式，對(duì)于天線與微波教學(xué)實(shí)驗(yàn)工作有顯著的促進(jìn)作用。

[1] 夏祖學(xué), 李少甫, 胥磊, 等.《天線與微波技術(shù)》課程的教學(xué)改革研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013,11(6):49-51.

[2] 黃健全, 蔣純志, 譚喬來(lái), 等.電磁場(chǎng)與無(wú)線技術(shù)實(shí)踐教學(xué)體系[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2015,34(4):179-181.

[3] 李曉明, 房少軍, 金紅.基于VB的虛擬微波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2007,26(3):49-51.

[4] 姜志森, 翟龍軍, 張樹(shù)森.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的微波技術(shù)與天線課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐與探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2010,27(6):85-88.

[5] 汪濤, 毛劍波, 劉士興, 等.天線仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2012,29(12):89-93.

[6]戴晴.微波測(cè)量虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究, 2011,110(4):70-71.

[7]全紹輝.微波虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2005,27(3):96-99.

[8]李豐麗, 陳美鑾, 侯林濤, 等.遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2011,28(7):102-105.

[9]蘭明乾.演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2008,29(8):102-104.

[10]李文聯(lián).虛擬儀器在電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2004,23(1):20-22.

[11] 戴晴, 黃紀(jì)軍, 莫錦軍.現(xiàn)代微波與天線測(cè)量技術(shù)[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2008.

Microwave Detector Design and its Application in Antenna Experiment

YANG Deqiang, LIU Sihao, Chen Bo, ZHANG Yuehui, PAN Jin

(School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

A low cost microwave detector experimental device is designed in this paper.By setting a common digital multimeter to “mV” range as the indicator, the dynamic range of detected microwave signal is over 58 dB in a frequency range of 10 MHz～3 GHz.Conducting antenna experiment with the detector instead of valuable instruments such as microwave spectrum analyzer will reduce the cost of experiments.And it is proved that the measuring range and accuracy can meet requirements of experiment in education, and can effectively control the experiment cost.

microwave detector, digital multimeter, dynamic range, antenna experiment

2015-09-21；修改日期:2015-10-28

楊德強(qiáng)(1971-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事電磁場(chǎng)與微波技術(shù)方面的研究工作。

G

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.020