Обоснование конструкции детекторной секции

Для индикации сигнала, определения относительного уровня его мощности или для выделения низкочастотной огибающей модулированного сигнала в СВЧ и КВЧ диапазонах применяются кристаллические детекторы (полупроводниковые диоды).

В данной работе использовался высокочастотный детекторный диод с барьером Шоттки - КД924А, так как, разрабатываемый детектор работает в КВЧ – диапазоне, а выбранный диод используется в областях миллиметровых длин волн (30 – 50 ГГц).

Диод КД924А кремниевый, планарный, с барьером Шотки. Предназначен для применения в импульсных устройствах, в формирователях импульсов СВЧ и КВЧ диапазонов и преобразователях высокочастотного напряжения. Выпускается в металлокерамическом корпусе с жесткими выводами. Масса диода не более 0,15 г.

Основные технические характеристики диода КД924А:

· U_{oбp. max} - Максимальное постоянное обратное напряжение: 18 В;

· I_{np. max} - Максимальный прямой ток: 200 мА;

· F_раб. - Диапазон рабочих частот: 30 – 50 ГГц;

· U_пр./I_np. - Внутреннее сопротивление диода (R_i): 0,36/1 В/мА;

· I_обр. - Обратный ток диода: 5 мкА;

· С_д - Общая емкость: 3 пФ;

· U_np. - Постоянное прямое напряжение: не более 0,36 В при I_np. = 0,1 мА.

· Т - Диапазон рабочих температур: -40…+85 °C.

Конструкция данного диода представлена на рисунке 2.1.

 

 

Рисунок 2.1 - Конструкция КД924А

Зная основные технические характеристики диода (I_{np. max} = 200 мА, U_{oбp. max} = 18 В, I_обр. = 5 мкА и U_пр./I_np. = 0,36/1 В/мА), построим его вольт – амперную характеристику, предварительно вычислив: откуда ВАХ КД924А представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Вольт-амперная характеристика КД-924А

Детектор (диод) помещают в специальную секцию, схематический вид которой для волноводного тракта показан на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Детекторная секция

Детектор закреплен на специальном держателе (цанге) и помещен в волновод так, чтобы его выводы, между которыми включен выпрямляющий контакт, были коллинеарны вектору Е волны.

Настройка детекторной секции осуществляется подвижным короткозамыкающим поршнем, положение которого выбирается таким образом, чтобы детектор оказался в пучности электрического поля стоячей волны. Держатель детектора отделен от корпуса детекторной головки тонкой диэлектрической прокладкой. Детектор обеспечивает трансформацию высокочастотного сопротивления диода в сопротивление, равное волновому сопротивлению входной передающей линии. Это необходимо, чтобы избежать нежелательных отражений, поэтому детекторная секция должна обеспечивать поглощение СВЧ мощности без просачивания её при этом на выходные зажимы.

Так как разрабатываемый детектор имеет волноводное исполнение, то детекторная секция – это ничто иное как прямоугольной объёмный резонатор (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Прямоугольный резонатор

Рассчитаем параметры резонатора для разрабатываемого детектора, учитывая, что для изготовления волноводного переходника используется отрезок волновода с сечением: 5,2 × 2,6 мм. Для начала вычислим резонансную длину волны Λ_в в волноводе:

(2.1)

где λ₀ – резонансная длина волны в воздухе, а – длина широкой стенки волновода.

Так как разрабатываемый детектор работает в диапазоне от 35 до 45 ГГц, а выбранный диод на частотах до 50 ГГц, для расчёта возьмём частоту в 40 ГГц. Тогда λ₀ = c/f = 7,5 мм (с - скорость света, f - частота).

Отсюда найдём необходимую длину L, характеризующую положение детектора относительно закорачивающей стенки волновода:

(2.2)

где n – число полуволн вдоль резонатора.

Теперь вычислим собственную добротность резонатора:

(2.3)

 

где δ – глубина проникновения тока, см; ρ – удельное сопротивление, Ом∙см; μ – магнитная проницаемость; σ – удельная проводимость, Сим/см. Для изготовления конструкции детектора была использована латунь серии Л62, как «удобный», позволяющий получить высокую чистоту обработки материал. Для латуни: ρ = 0,07∙10^-3 (Ом ∙ см), μ = 1, σ = 1,56∙10⁹ (Сим/см).

Используем найденные параметры для разработки волноводной конструкции синхронного детектора.