楊德強，劉思豪，陳 波，張躍輝，潘 錦

(電子科技大學 電子工程學院，四川 成都 611731)

微波檢波器設(shè)計及其在天線實驗中的應用

楊德強，劉思豪，陳 波，張躍輝，潘 錦

(電子科技大學 電子工程學院，四川 成都 611731)

該文設(shè)計了一個低成本的微波檢波器實驗裝置，在10MHz～3GHz的頻率范圍內(nèi)，借助普通數(shù)字萬用表的毫伏擋做指示器，可檢測微波信號功率動態(tài)范圍達58dB以上。經(jīng)實驗驗證，利用該檢波器開展天線實驗，替代微波頻譜分析儀等高價值儀器，測量范圍和精度可以達到教學實驗要求，且能夠有效控制實驗成本。

微波檢波器；數(shù)字萬用表；動態(tài)范圍；天線實驗

在高等學校的電子信息工程專業(yè)課程教學中，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，需要配套開設(shè)相應的微波與天線實驗[1-2]；但由于微波儀器設(shè)備價格比較昂貴，實驗開設(shè)難度較大。部分高校在微波實驗領(lǐng)域大量采用虛擬儀器設(shè)計學生實驗[3-7]，也有一些高校采取購買少量儀器開展演示實驗的方式，以降低實驗門檻，在一定程度上解決了實驗的有無問題[8-10]。本文設(shè)計的低成本微波檢波器實驗裝置，可以替代價格高昂的微波功率計或頻譜分析儀等接收設(shè)備，在微波與天線實驗中進行參數(shù)測量，具有足夠的測量精度和動態(tài)范圍。

1 微波檢波器設(shè)計

微波功率是表征微波信號特性的一個重要參數(shù)。對微波功率電平的精確測量已成為現(xiàn)代微波測量中最重要的一環(huán)。微波檢波技術(shù)是微波接收檢測技術(shù)的一種，具有寬頻帶工作、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。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)換為脈動直流信號，其電流-電壓(I-U)關(guān)系具有非線性特性。低勢壘肖特基二極管的伏-安特性如圖1所示，其在原點附近的曲線表現(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是絕對溫度，q是電子電荷，n是修正常數(shù)。

(2)

該級數(shù)偶次項提供了檢波作用。對于小信號的檢波，只有二次項有意義，從而稱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。信號較大時，四次方項不能忽略，二極管按準平方律檢波，稱之為過渡區(qū)；信號再增大就進入線性檢波區(qū)。

源和帶匹配電阻的無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被檢測到后，得到與輸入功率相對應的直流輸出電壓Vo。對射頻信號而言，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

實際制作的微波檢波器電路如圖3所示，采用可檢測低電平射頻信號的無偏置肖特基二極管HSMS-285。通過同軸電纜送到檢波器的微波信號，經(jīng)電阻匹配后輸入到二極管進行檢測，得到與輸入功率相對應的脈動直流輸出電壓，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

實驗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SMA插座，便于通過同軸電纜與微波測試裝置連接，直流輸出端采用與數(shù)字萬用表的表筆插座相同的紅黑兩色單孔插座，分別代表直流信號的正極和負極。

圖4 微波檢波器實物照片

2 實驗結(jié)果驗證

2.1 微波檢波器定標

下面對制作完成的微波檢波器進行定標和動態(tài)范圍檢測，實驗框圖如圖5所示。從N9310A微波信號源輸出不同頻率和功率的微波信號，經(jīng)過檢波器檢波后產(chǎn)生直流電壓，并由數(shù)字萬用表的毫伏擋進行檢測。

圖5 微波檢波器定標實驗框圖

將微波信號源分別設(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，步進功率值為2 dBm，檢波器定標測量的結(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，在普通數(shù)字萬用表毫伏擋的測試靈敏度(最小0.1 mV)范圍內(nèi)，10 MHz～3 GHz中抽取的幾個測試頻點可以檢測的功率電平變化范圍均可達58 dB，完全可以覆蓋一般微波實驗和天線實驗的接收電平動態(tài)范圍要求。

2.2 天線方向圖測量實驗

天線測量實驗中，要測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)射信號源和接收設(shè)備。這里用自制的微波檢波器配合萬用表代替微波接收設(shè)備，構(gòu)成天線的方向圖測量實驗系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 微波檢波器構(gòu)成的方向圖測量實驗框圖

每次天線測量實驗的工作頻率不一定相同，一般可以采用兩種實驗方法。

1)事先制作好與表1類似的檢波器輸入功率和輸出電壓關(guān)系曲線，測方向圖時用萬用表讀出的天線不同接收方向檢波電壓，通過查曲線換算成對數(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源，不斷改變信號源功率，查找出對應電壓代表的對數(shù)功率值。

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

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

圖7 背腔天線的方向圖測量結(jié)果

利用微波檢波器對一個背腔式天線在1 GHz工作頻率時的方向圖進行測量，繪制的歸一化方向圖如圖7所示，其半功率點波瓣寬度約為125 °，與微波暗室測試結(jié)果基本一致，說明該方法在實驗教學中已有足夠的精度。

3 結(jié)束語

按此實驗方法在本科生的微波技術(shù)與天線實驗中使用，代替微波頻譜分析儀、微波功率計、場強測試儀等貴重儀器，實驗收發(fā)系統(tǒng)中接收機部分的成本顯著降低，使實驗更容易進行大規(guī)模開設(shè)。近幾年的教學效果表明，采用檢波器配合萬用表的微波接收方式，對于天線與微波教學實驗工作有顯著的促進作用。

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

G

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.020