微波辐射计新型检波器研究

董 帅，王振占，王新彪，贺秋瑞

（1.中国科学院 国家空间科学中心 微波遥技术重点实验室，北京100190；2.中国科学院大学北京100190）

微波辐射计新型检波器研究

董 帅1，2，王振占1，王新彪1，贺秋瑞1，2

（1.中国科学院 国家空间科学中心 微波遥技术重点实验室，北京100190；2.中国科学院大学北京100190）

介绍了肖特基二极管和乘法器的平方率检波原理，针对微波辐射计的功能设计了乘法检波模块和放大、滤波电路。乘法检波模块以ADL5391为核心，信号输入端采用差分电路，在50 MHz~2 GHz的带宽和-16~4dBm的动态范围内实现了0.999 99的输出线性度。对比测试了传统二极管检波器，与之相比，乘法检波器表现出有效带宽大、动态范围宽、线性度高、稳定性好的性能优势。

检波器；微波辐射计；模拟乘法器；平方律检波

微波辐射计是一种被动式微波遥感器，是微波辐射测量的有效手段，在遥感领域具有重要地位。作为一种被动式设备，微波辐射计自身不发射电磁波，只是接收和测量目标自身发射、反射或散射的电磁辐射。由于实际目标发射的微波噪声功率是相当微弱的，一般在10-20~10-9(W/m2)量级[1，2]，因此，微波辐射计是用来接收和记录微弱随机微波噪声的高灵敏度接收机。微波辐射计工作原理为，天线接收探测视场内的微波、毫米波甚至太赫兹频段电磁辐射能量，辐射信号经过接收机系统的放大、滤波、检波等环节转换为电压信号，再通过辐射计定标过程建立输出电压信号与天线视在温度的定量关系，从而得到观测目标的亮度温度，最终根据不同的反演方法分析得到人类感兴趣的观测目标各方面物理信息和特性[3]。

作为微波频段遥感器的一种，微波辐射计覆盖了可以穿透云雨等气象条件的透明窗区，也不受白天黑夜的日照影响，相比于可见光和红外等短波长遥感方式具有全天候、全时段工作的特点；而作为被动式遥感器，微波辐射计与主动式微波遥感器相比又具有功耗低、体积小、重量轻、多剖面、反辐射等优势。微波辐射计不仅在气象探测、海洋环境监测、农林监测预报、国土与地质探查、和天文观测等领域正发挥着越来越重要的作用，而且在医疗、军事侦察和导弹的末制导等方面也具有广泛的应用前景[4]。

1 传统二极管检波器分析

微波辐射计测量的是天线接收的辐射噪声功率，而辐射计输出量为电压值，因此需要采用平方律检波方式将功率量转换为电压幅度[5]。传统上，以肖特基二极管小信号模型为原理的二极管检波器是最常用的平方律检波器。肖特基二极管的伏安特性方程如下[6-7]：

式中i为二极管电流，V为跨在二极管上的净电压，Is为二极管反向饱和电流，α=q/nkT，k为波尔兹曼常数 （1.38×10-23J/K）；T是绝对温度，q是电子电荷（1.6×10-19C），而n是适应实验数据的修正常数。

二极管反向饱和电流Is是温度的函数：

其中，T0=300 K。上式表明二极管检波特性受到自身物理温度的影响，实验表明，温度每升高10℃，IS增加约1倍[8]。

二极管检波原理清晰可靠，电路结构简单小巧，是目前微波辐射计接收机中最常用的检波器[9]。然而随着辐射计技术的不断进步和对设备精度要求的不断提高，二极管检波器也表现出了一些不足之处，主要包括以下4点：1）二极管的平方律检波原理是基于其小信号模型的，而二极管的大信号模型为线性模型[10]，这就对二极管输入端的功率水平提出了限制，进而限制了辐射计测量的动态范围，为了适应辐射计测量宽辐亮温的要求，需要针对不同亮温范围反复调节前端和中频电路的自动增益控制（AGC），增加了测量延时；2）二极管的线性度也受到小信号模型的限制，虽然二极管检波器已经表现出了较高的线性度，但是在面对新型检波器的优异性能时仍显不足[11]；3）特定的肖特基二极管元件有效带宽较窄[12]，对射频前端的下变频要求更多，不利于射频前端的小型化；4）根据（2）式，环境温度能够改变二极管检波特[13]，引入不可控的误差，为保证检波精度，需要采用温度补偿技术，或者对检波器加以独立的温控，而这两种办法都额外增加了系统复杂度。

文中对某型号微波辐射计内部的二极管检波器进行了测试，其动态范围为-20 dBm至-10 dBm，其不同频点处的线性度如表1所示。

表1 二极管检波器各频点线性度

400 MHz频点的检波曲线与线性拟合示例如图1所示。

图1 400 MHz频点的二极管检波曲线和线性拟合结果

小数点后3个9的线性度指标是一个不错的结果，但是在图1中仍能看出实测曲线与直线拟合之间的微小差异。应当注意的是，此次测量的最大输入功率只达到-6 dBm，且测试频点只到600 MHz，如果继续增大输入功率或者提高频率，线性度指标会继续变差，而由检波器非线性因素导致的误差最终会影响辐射计的两点定标精度和测量准确度。

2 新型乘法检波器设计

针对上一节阐述的二极管检波器的一些弊端，本文设计了一种基于模拟乘法器的新型平方律检波器。模拟乘法器是现代信号处理系统的重要组成单元，它广泛应用于锁相环、混频器、滤波器等信号处理电路中，其工作原理由下述方程表示[14，15]：

根据上式表示的工作原理，将接收机中频滤波后的信号经过功分器分成两路信号，再经过差分电路接入乘法器的两个输入端，在乘法器的输出端接低频放大器和低通滤波器，则可以获得平方律检波后的信号。乘法检波器原理框图2所示，输出电压V正比于信号源的输入功率P。

图2 乘法检波器原理框图

根据上述原理，文中设计的乘法检波器模块由3部分组成：中频乘法器电路、低频放大器和滤波电路。乘法器电路实现两路信号的模拟相乘。低频放大器电路对乘法器输出结果的低频分量进行放大。滤波电路对放大后的信号进行低通滤波处理，滤掉高频谐波分量，同时对通过的低通分量进行积分处理。本乘法检波器模块采用的乘法器元件为ADI公司的ADL5391型宽频带、高性能、超对称的模拟乘法器。ADL5391的传递函数由下式给出：

其中X和Y是被乘数；U是乘法器的比例因子；α是乘法器增益；W是乘法器的输出；Z是一个求和输入。所有的变量和比例因子单位都是伏特。ADL5391具有2 GHz的可用带宽和极高的运算速度，相比传统乘法芯片具有低噪声、高线性度及稳定度等特点。ADL5391支持差分信号输入，此时其性能能够达到最佳，因此文中在中频乘法器电路中设计了巴伦电路来实现单端信号转差分信号变压器。

在模拟乘法器之后的低通滤波单元滤除了高频分量，同时对低频信号起到了积分作用。根据微波辐射计的工作原理，增加积分时间能够增辐射计接收机的灵敏度，但过长的积分时间又会由于系统稳定性的无法保证而增大误差。这是因为辐射计接收机系统的响应函数是时变的，虽然设计过程中尽量平滑这种时变特性，但实际应用中受到温度等环境因素影响，这种时变特性仍然存在。在较短的积分时间内，可以将辐射计系统响应函数近似为固定值，但随着积分时间的增加，系统参数的变化量累加，这种内部噪声式的随机变量将降低系统稳定性。因此积分时间的长短必须在增加系统灵敏度和减少由系统稳定性带来的变化之间做一个折衷。

积分电路的传输函数如下：

从频域上看，它是个一阶低通滤波器，其截止频率（-3 dB）为：

一般情况下检波前带宽Δf≫fg，有效积分时间如下[16]：

检波器输出的电压信号接到数据采集的A/D转换电路，信号的频谱形状由H（jω）决定。为了不使信号产生畸变，采样频率需要满足奈奎斯特采样定律fs≥2fg[17]。图3是包括了放大和积分电路的乘法检波器实物图。

图3 乘法检波器实物图

3 新型乘法检波器测试与分析

对设计的乘法检波器进行实测，以是德科技的N5183信号发生器作为信号源，采用射频功分器分成两路信号，经过相同电长度的传输线接入乘法检波器输入端，在积分单元的输出端采集输出的电压信号。经过多次反复测试表明，本乘法检波器的有效输入功率的动态范围为-16 dBm到4 dBm（上限受到了低频放大器截止作用的影响，单纯以ADL5391的性能而论，可以做到10 dBm）。实验测试了从50 MHz到2 GHz的整个ADL5391工作带宽，每隔100 MHz测试一个频点，测量结果如图4、图5所示。

由图4、图5可以发现线性度曲线在不同频率上的斜率不同，这是由实验电路的两路输入对不同频率的电长度差异引起的，同时也跟整个乘法器在不同频率上增益的变化有关。表2给出了各频点线性度测量值，试验结果表明，除了500 MHz处线性度为0.999 98外，其余测试频点处线性度均达到0.999 99。

图6以900 MHz频点为例显示了测量曲线与线性拟合结果。

表2 乘法检波器各频点线性度

图4 乘法检波器50~900 MHz测量结果

图5 乘法检波器1~2 GHz测量结果

图6 900 MHz频点的乘法检波曲线和线性拟合结果

对比乘法检波器和二极管检波器的测试结果可以得出以下几点结论：乘法检波器的动态范围为-16 dBm到4 dBm，明显大于二极管检波的-20 dBm至-10 dBm，这有利于辐射计探测亮温范围的展宽；乘法检波器在测量频带内具有高达0.999 99的线性度，远高于二极管检波器的0.999 7，这可以有效提高辐射计接收机的整机线性度，进而提高定标精度和测量精度；文中测试的乘法检波器的有效带宽（50 MHz~2 GHz）远大于二极管检波器 （50 MHz~600 MHz），微波辐射计的灵敏度随有效带宽的增加而升高，更大的带宽可以有效提高辐射计灵敏度。另外，由于乘法器输入端采用了差分电路，可以有效补偿元件温度对检波性能的影响，提高了检波器的温度稳定性，这一点对辐射计的野外测量应用非常重要。

4 结 论

平方率检波器担负着将辐射计接收的噪声功率信号转换为输出电压信号的功能，其性能对辐射计的整体线性度和有效带宽等指标有决定性影响，是微波辐射计接收机系统的重要功能单元。本文设计了一种以模拟乘法器作为核心元件的高稳定性乘法检波模块，测试结果显示，该乘法检波模块有效输入功率范围为-16 dBm到4 dBm，有效带宽2 GHz，线性度达到0.999 99，在与传统的二极管检波器对比中表现出了大带宽、高线性度、宽动态范围的性能优势，应用前景广阔。

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Research on the new type of detector for microwave radiometer

DONG Shuai1，2，WANG Zhen-zhan1，WANG Xin-biao1，HE Qiu-rui1，2
（1.CAS Key Lab.of Microwave Remote Sensing，National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

The principles of Schottky diodes and multiplier for square-law detection are introduced.The multiplicative detector，low frequency amplifier and low pass filter for microwave radiometer are designed.The multiplicative detector is based on ADL5391，and the signal input port is developed as differential circuit.A measured linearity of 0.99999 from 50MHz to 2GHz while maintaining an dynamic range between-16dBm and 4dBm is demonstrated.Compared with the traditional diode detector，the multiplicative detector has the advantages of high bandwidth，wide dynamic range，high linearity and good stability.

detector；microwave radiometer；analog multiplier；square-law detection

TN763.1

：A

：1674－6236（2017）01-0171-04

2016-04-22稿件编号：201604225

国家空间科学先导专项基金（XDA04061202）

董 帅（1988—），男，山东烟台人，博士研究生。研究方向：微波辐射计系统，定标技术。