Теория детектирования в СВЧ и КВЧ диапазонах

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время наблюдается интерес к сантиметровым и миллиметровым волнам. Им соответствуют частоты от 300 МГц до 300 ГГц, и они объединены в диапазоны сверхвысоких частот (СВЧ). Переход в эту часть диапазона связан с тем, что с увеличением частоты увеличивается возможность концентрации электромагнитного излучения в узкий луч. Если длина волны много меньше размеров объекта, то использование остронаправленных лучей обеспечивает снижение взаимных полей одновременно работающих радиолокаторов, увеличивает дальность действия радиосистем, позволяет достичь высокой точности определения координат лоцируемых объектов.

Частью СВЧ диапазона является крайне высокочастотный (КВЧ) диапазон радиоволн от 30 до 300 ГГц. Эта часть диапазона находит применение в медицине (КВЧ - терапия), а в перспективе – в растительной и ветеринарной селекции.

В электронных системах СВЧ диапазона применяются полупроводниковые и вакуумные приборы. Однако, улучшенные массогабаритные, стоимостные, технологические показатели, низковольтность схем питания твердотельных активных элементов позволяют предпочесть их вакуумным приборам СВЧ. Таким элементом является полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении – диод с барьером Шоттки (ДБШ). Современные ДБШ имеют высокие технические характеристики, высокую устойчивость к воздействию электростатических разрядов, а также весьма малое прямое падение напряжения (0,2 – 0,4 В) и очень высокое быстродействие, которое определяется только барьерной емкостью, что делает ДБШ весьма перспективными в областях детектирования СВЧ.

Детектор, демодулятор — электронный узел устройств, отделяющий полезный (модулирующий) сигнал от несущей составляющей.

Детектор радиоприёмного устройства, или демодулятор, восстанавливает информацию из радиосигнала, заложенную в него модулятором. Например, приём радио- или телепередач возможен за счёт демодуляции высокочастотного сигнала, поступившего на антенну устройства.

Синхронное детектирование — это детектирование, при котором используется опорное колебание с частотой и фазой соответствующими частоте и фазе несущего колебания. Синхронный детектор — устройство для извлечения информации из ВЧ-сигнала, модулированного по амплитуде или фазе, путём нелинейного преобразования - умножения на синхронный опорный сигнал с последующей НЧ-фильтрацией.

Детекторы СВЧ были первыми индикаторами СВЧ – мощности и продолжают активно сохранять эту функцию в коротковолновой части миллиметрового диапазона, где другие индикаторы пока ещё не разработаны. Кроме того, детекторы нашли широкое применение в измерительной технике.

В данной работе основное внимание уделяется вопросам теории и разработке синхронного детектора миллиметрового диапазона длин волн на диоде с барьером Шоттки.

 

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Теория детектирования в СВЧ и КВЧ диапазонах

 

Детектирование осуществляется в устройствах - детекторах. Условное графическое обозначение детектора имеет вид, изображённый на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Условное графическое обозначение детектора: а) при когерентном приеме, б) при некогерентном приеме

Характеристиками детектора являются: детекторная, частотная характеристики и коэффициент передачи.

Детекторная характеристика представляет собой зависимость постоянной составляющей напряжения на выходе детектора от изменения информационного параметра несущей, подводимой к нему. При детектировании амплитудно - модулированных (АМ) сигналов информационным параметром является амплитуда, при частотной модуляции (ЧМ) - частота, при фазовой (ФМ) - фаза.

Идеальная характеристика является линейной, проходя через начало координат под углом α к оси абсцисс (рисунок 1.2). Реальная характеристика имеет отклонение, которое приводит к нелинейным искажениям модулирующего сигнала.

Рисунок 1.2 - Детекторная характеристика

Частотная характеристика представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения Um_u детектора от частоты модулирующего гармонического сигнала. Реальная характеристика имеет линейный характер и постоянна для Um_u на всех частотах (рисунок 1.3). Отклонение реальной характеристики от идеальной приводит к частотным искажениям модулирующего сигнала. Также, как и для модуляторов, по частотной характеристике определяют полосу пропускания детектора.

Рисунок 1.3 - Частотная характеристика детектора

Коэффициент передачи детектора определяется для гармонического модулирующего сигнала и равен отношению амплитуды гармонического сигнала Um_u к амплитуде приращения информационного параметра несущей.

Синхронное детектирование - это детектирование, при котором используется опорное колебание с частотой и фазой соответствующими частоте и фазе несущего колебания.

Структурная электрическая схема синхронного детектора представлена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Структурная электрическая схема синхронного детектора

На входы балансного или кольцевого модулятора поступают сигнал S_АМ(t) и опорное колебание от генератора u_г(t):

	(1.1)
	(1.2)

На выходе модулятора формируется сигнал u₁(t):

	(1.3)
	(1.4)

ФНЧ на выходе модулятора подавляет высокочастотные и постоянную составляющие и выделяет составляющие модулирующего сигнала:

(1.5)

Для получения опорного колебания с частотой и фазой несущего колебания используется блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Блок ФАПЧ выделяет несущее колебание из поступившего сигнала и подстраивает под его параметры генератор.

Свойством и основным достоинством синхронного детектора является сохранение отношения сигнал-помеха на выходе детектора. Это объясняется тем, что данный детектор представляет собой преобразователь частоты, который переносит спектр сигнала в область низких частот без изменения формы сигнала и соотношений между составляющими спектра. Это свойство детектора позволяет применять последетекторную обработку сигнала.

Синхронный детектор позволяет также детектировать балансно-модулированные и однополосно-модулированные сигналы. Однако в данном случае возникают трудности с получением информации о частоте и фазе несущего колебания, т. к. составляющая несущего колебания в спектре этих сигналов отсутствует. Поэтому для детектирования этих сигналов применяют два технических решения:

1) при детектировании используют пилот-сигнал, который представляет собой остаток несущего колебания и передается вместе с сигналом, а на приеме выделяется системой ФАПЧ;

2) при детектировании на приемной стороне используется высокостабильный опорный генератор, который вообще не синхронизируется. Для детектирования используется местная несущая отличающаяся от передаваемой на ΔΩ. При этом возникает сдвиг частот в канале связи (рисунок 1.5). Если этот сдвиг не превышает 10 Гц для телефонного сигнала, то получатель его не ощущает.

Рисунок 1.5 - Процесс сдвига частот в канале связи