一种高效可调谐X频段检波二极管测试腔体的研制

戴裕华 王霄 黄爱琴 郝守泉 施凡

（南京固体器件有限公司 江苏省南京市 210016）

肖特基势垒二极管利用正向偏置时I-V 曲线的非线电阻特性，将射频信号转变为视频信号，实现检波功能，也可以将输入信号和本振信号产生差频得到中频而实现混频功能。与PN 结二极管相比，该类产品开启电压比较小，无少子贮存效应，工作速度快，能在很高频率下工作，是高性能、宽频带和低成本混频器和检波器应用电路的首选，在电子对抗、雷达、微波测量和微波仪器中广泛使用。由于被检测的微波信号一般比较弱，因而要求检波二极管的灵敏度很高，检波二极管的输出电压由视频放大器放大，这就构成了晶体视频接收机，其灵敏度低于超外差接收机。在研制生产中准确测试其微波参数具有重要的意义。检波二极管管的主要微波参数为电压灵敏度和正切灵敏度[1]。

1 检波二极管的工作原理

肖特基势垒二极管是利用金属与半导体接触形成肖特基势垒这一工作原理制作，其电流和电压之间为非线性关系，其非线性阻抗特性是实现检波功能的关键，即利用非线性阻抗特性直接将微弱的射频信号直接转变为视频信号。

2 检波二极管主要微波参数

2.1 电压灵敏度βv

检波二极管在输入信号功率前后检波器负载上电压的变化值与输入信号功率之比（信号电平很小）即为电压灵敏度，可用公式（1）表示：

式中，ΔV 是检波器输入信号功率前后检波器负载上电压的变化值，Pm是输出信号功率。

2.2 正切灵敏度Tss

当不加微波信号时，在放大器的输出端用示波器观察到图1 中a 所示的噪声波形，然后加入微波方波信号，则在示波器上出现的如图1 中b 所示的波形（如图1 所示）。调节输入功率，使没有脉冲时的最高噪声峰值和脉冲存在的最低噪声在同一水平线上，这时候的输入微波脉冲功率即为正切灵敏度，用Tss 表示，其单位通常用dBm 或dBW。

3 测试系统框图

电压灵敏度和正切灵敏度测试系统方框图如图2 所示。

4 一种高效可调谐X频段测试腔体的研制

检波二极管的微波性能测试通常需放置在波导系统中进行，研制一款可调谐的波导测试腔体是解决电压灵敏度和正切灵敏度测试的一种途径，测试腔体的设计主要涉及波导尺寸的选择，截止波长的范围和主模波的选取，以及功率输入接口和微带线同轴转换输出等方面的设计。其测试原理图如图3 所示。

图1：正切灵敏度测试的示波器显示法

图2：测试系统方框图

图3：电压灵敏度和正切灵敏度测试原理图

图4：微带型检波二极管测试腔体结构示意图

信号发生器给定测试频率的功率信号，通过调节螺丝杆的移动到适当的位置，TE波（横电波）主要模TE10波全反射，达到阻抗匹配，微波在腔体传输到被测试二极管的一端，微波信号通过二极管的另一端再由介质片上的微带线传输到同轴电缆线传输到毫伏表和示波器。波导测试腔体的结构示意图如图4 所示。

4.1 波导腔体的设计

在确定波导尺寸后，波导中必须单模传输TE 波（横电波），TE 波的主模为TE10模。即单模传输TE10模。其截止波长、截止频率可以下列公式计算：

截止波长为：

表1：进口产品标称值与新设计腔体测试值对比

图5：电压灵敏度示波器显示图

图6：正切灵敏度示波器显示图

截止频率为：

式中，m、n 代表不同的波形，具有不同的场分布。a、b 分别代表矩形波导内截面的宽边和窄边，kC为矩形波导TE 波（横电波）和TEM 波（横电磁波）的截止波数，μ 为磁导率，ε 为介电常数。

矩形波导通常工作在TE10模单模传输情况，这是因为TE10模容易实现单模传输，此外，当电磁波频率一定时传输TE10模的波导尺寸最小，若波导尺寸一定，则实现单模传输的频带最宽，为实现单模传输，电磁波的工作波长必须满足下述条件：λc(TE20)<λ<λc(TE10)，a<λ<2a，λ>λc(TE01)，λ>2b。 波 导 尺 寸 满 足λ/2

设计采用BJ-100 型国产矩形波导尺寸，矩形波导尺寸：a=22.86mm、b=10.16mm,计算出部分波形的截至波长。

将m=2，n=0 代入（2）得到λc(TE20)=a=22.86mm；

将m=1，n=0 代入（2）得到λc(TE10)=2a=45.72mm；

将m=0，n=1 代入（2）得到λc(TE01)=2b=20.32mm。

计算结果：λc(TE10)=2a=45.72mm，TE10波的截至波长最长，当λ=50mm 时，波导对所有波形都截至，当λ=40mm 时，波导只能传输TE10波，工作在这种情况的波导则称为单模波导。当λ=15mm 时，同时允许TE10、TE20、E01、TE11、TM11、TE30等波形传输，工作在这种情况的波导称为多模波导。测试频率10GHz，工作波长，λ工作=30mm，在单模传输范围内。计算算结果表明WJ-100 型矩形波导可以满足该频段的测试条件。矩形波导尺寸选定。

4.2 全反射短路块设计

矩形波导传输微波，微波在矩形波导腔体内两侧壁间来回反射，矩形波导内中间位置微波最强，测试在矩形波导内轴向中间位置最佳，因此矩形波导可分成对称的两部分。测试过程中微波在矩形波导腔体内必须全反射，采用全反射短路块解决全反射问题，矩形全反射短路块一端设计为凹凸形状，凹槽深λ/2 工作波长（见图4 所示），矩形全反射短路块另一端打螺丝孔连接调节螺丝杆，测试过程中通过调节全反射短路块在矩形波导内的位置，达到微波信号在矩形波导内全反射的目的。微波全反射时，信号在二极管上叠加，检波二极管测试出最大的电压灵敏度和正切灵敏度。

4.3 介质片带状线设计

微带线传输TEM 波（横电磁波），介质片带状线起到将矩形波导腔体信号传输到同轴电缆线的作用，检波二极管正向导通，其微波信号转化为视频信号，再通过微带线传输至同轴电缆线输出，这时微带线特征阻抗与同轴电缆线的阻抗相匹配。

确定带状线尺寸，阻抗计算公式[2]为：

式中，t 为带状线厚度 ，W 为带状线宽度，d 为介质板厚度。微带线的有效介电常数可以解释为一个均匀媒质的介电常数。工程算式[3]如下：

式中，εe为均匀媒质的介电常数，εr为介质板的介电常数。

这个媒质取代了微带线的空气和电介质区域。当相对介电常数为εr电介质板被有效介电常数为εe的均匀媒质取代，给定微带线尺寸，特征阻抗可以计算为：

式中，W 为微带线宽度。对于给定的特征阻抗Z0和介电常数。

带状线特征阻抗Z0制作成50 欧姆微带线。带状线阻抗同轴电缆线阻抗相匹配，介质材料选取介电常数大的覆铜板，测试时容易调节匹配。

5 新研制X频段测试腔体测试进口产品示波器显示图

5.1 测试电压灵敏度示波器显示图

如图5 所示。

5.2 测试正切灵敏度示波器显示图

如图6 所示。

5.3 测试结果

在完成X 频段检波测试腔体研制后，采用进口产品进行了测试验证，进口产品型号分别为MA4E929 和MA4E932，测试频率10GHz，其电压灵敏度、正切灵敏度测试结果如表1 所示。

从表1 的测试结果可以看出，采用新研制的检波测试波导腔体，测试进口检波二极管的正切灵敏度和电压灵敏度，其测试数据均优于产品手册中的标称值。

6 结论

X 频段波导型可调谐测试腔体的研制成功，提供了一种微波检波二极管电压灵敏度和正切灵敏度的测试方法，测试结果完全满足X 频段检波二极管微波性能参数的测试要求，测试方便、简便、高效、重复性高，对微波检波二极管研制、生产、检验等过程中测试微波性能参数提供了一种高精度的手段，对其它频段产品的测试也具有参考意义。