波导检波装置的失效模式及改善措施

孔占兴

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

1 引言

波导检波装置一端连接在发射机功率输出端，另一端与波导同轴电缆转换组件相连接，使用时在主波导中传输功率信号，为了对主波导中传输信号功率进行监控，同时又不影响主波导中的信号传输，需在主波导上开孔，利用耦合机构取出小部分能量。这一小部分功率信号，再经过检波器和滤波电路输出一个检波信号。该检波信号用于监控功率源的输出功率，同时作为控制信号及时传递给计算机控制系统，对功率源的输出功率进行调整。其工作原理见图1。

2 典型失效模式

2个样本的具体失效模式分别见表1～表2。从表1、表2样本中可以看出，1#样本在常温下随着测试时间的增长，检波电压幅值出现较大跳变；2#样本在高温（85℃）、低温（-55℃）、常温（25℃）下检波电压幅值和变化率均不满足指标要求（根据实际使用要求检波电压幅值高低常三温下变化率应不大于25%；检波电压幅值在高低常三温下幅值应在250～900 mV范围内，且不能在工作过程中出现大于50 mV的跳变）。

3 失效机理分析

3.1 二极管对检波装置的影响

检波幅值常温下发生跳变主要是受国内检波二极管功率容量的限制，目前国内还没有满足功率容量要求的检波二极管，因此检波装置中选用的检波二极管功率容量小于实际应用的功率容量，检波二极管在工作时处于饱和区。

导引头中调制采用的是正弦波调幅，基带信号是脉冲方波信号，其频率为f，占空比为q，方波信号的脉冲峰值功率p为180 W，则平均功率P=p×q，不同的脉冲功率对应于检波二极管的不同工作区间，则检波特性也会不同。检波二极管在输入信号很小时，检波特性呈平方律曲线，即输出电压正比于输入电压的平方，也就是正比于输入功率。检波输入电压与输入功率的关系曲线如图2所示。

图2 检波器的饱和特性

当输入功率增大时，检波器就变成线性的。在该区内，输出电压的变化正比于输入电压的变化，平方律检波区和线性检波区的转折点通常称为压缩点，见图2中A点所示。当输入功率增大到二极管上的反向偏压达到击穿点时，反向电流增大，它将抵消一部分正向检波电流，使输出电压下降，见图2中曲线B点以上的弯曲线段[1]。若输入信号功率进一步增强，过大的电流损耗将使二极管结温上升。由于检波管结面积较小，通常直径为20 μm，过高的功率密度将使二极管PN结性能恶化，导致检波二极管的输出能力降低，检波幅值出现跳变。

检波幅值在高低常三温下变化主要来自于两方面的因素。一方面是肖特基检波二极管固有的特性，在工作温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，在工作温度降低时，二极管的正向特性曲线将右移，如图3所示。检波二极管的I-V特征曲线可用公式表示如下：

Iout为检波二极管的电流，IS为反向饱和电流，Vin为外加电压，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷，n为理想因子，取决于制造工艺，一般为1～2，其理想值为1。

由图3可以看出，在输入功率Pin一定时，随着工作温度T的变化，其检波电压Vout（检波电流Iout）发生变化，在不同的工作区域，其I-V曲线的温度偏移差异较大，即检波二极管温度特性是随着特性曲线上工作区间的不同而不同。

将公式（1）代入高温、低温下检波电压幅值变化率计算公式后最终得出：

图3 检波二极管的典型I-V特征曲线

其中，Vout-L(H)、Iout-L(H)为高低温检波电压、电流，Vout-o、Iout-o为常温检波电压、电流，ISL(H)为高低温反向饱和电流，ISO为常温反向饱和电流，TL(H)、TO为高低温、常温绝对温度。由公式（2）可以看出，检波电压幅值变化率除了与温度有关外，还与输入电压（输入功率）有关。从图4（检波二极管检波幅值温度特性曲线由实际的实验数据绘制）中可以明显看出，当输入功率超过10 dBm后，随着温度变化波导检波幅值变化量大幅度增加，容易引起波导检波幅值变化率的超差。

图4 检波二极管检波幅值温度特性曲线

3.2 检波盒体对检波装置的影响

检波幅值变化不满足使用要求的另一方面原因是结构设计方面，产品的封闭检波盒体产生的谐振，影响输出的检波幅值。检波幅值的大小与检波装置从主波导中耦合的能量多少成正比，微带检波器采用小孔耦合的方式[2]，其耦合度与谐振腔的状态有着很大联系，因此谐振腔的尺寸对检波幅值大小有直接的影响。检波装置产品中实现检波功能是利用肖特基检波二极管的特性，但其自身的特性是随温度变化检波性能有较大的变化。为了弥补肖特基检波二极管固有的特性，改善产品在高低温下的检波性能，实现检波输出的稳定，产品设计中利用检波腔体内部形成的谐振，通过调谐螺钉调整谐振Q值来起到补偿作用，使得在高低温下的检波性能得到提高。但由于谐振腔本身的特点，Q值曲线的频带较窄，谐振状态容易产生不稳定现象，使得调谐对检波二极管的温度变化弥补不够。因为品质因数Q值与腔体尺寸有关，检波腔体结构尺寸的微小变化将会很大程度地改变谐振状态，所以在高低温情况下由于检波腔体尺寸的微小变化使得谐振状态改变而导致产品高低温检波电压幅值变化大。

4 结论

针对样本常温下检波幅值发生跳变的故障模式，加强检波二极管二次筛选老化试验，剔除早期检波二极管不稳定产品。

二次筛选中加严对二极管检波幅值温度特性的测试，将高低常三温下检波幅值波动较大的二极管在装配前进行早期剔除，优选三温下检波二极管检波幅值随温度变化不敏感的二极管。

同时，产品设计时对检波腔体进行三维全波电磁场仿真，对其进行本征模分析，计算出腔体的本征值，即腔体的谐振基频和各次谐频。通过改变腔体尺寸及调谐螺钉进入腔体的深度改变腔体谐振频率，获取所需的基频分量，使二次以上的高次谐频远离工作频率；而且可以通过容差分析先仿真出高、低温下检波腔体尺寸微小变化对谐波频率的影响，使得谐振腔体设计更好地补偿检波二极管的温度变化。

[1] 刘丹，尹应增. 微波二极管检波特性分析[J]. 西安电子科技大学学报，2003，30（6）：810-818.

[2] Lin Wei-Gan. Coupling between a rectangular waveguide and a circular waveguide or a cylindrical cavity through a small hole[J]. ACTA Physical Sinica,1959,15(7): 368-376.