Детектор СВЧ: как измерить уровень сигнала

Что делает детектор

Детектор превращает высокочастотный сигнал в постоянное напряжение, пропорциональное его мощности. Внутри — диод с барьером Шоттки или туннельный диод, конденсатор и нагрузка. Диод выпрямляет волну, конденсатор сглаживает, и на выходе остаётся напряжение, по которому судят об уровне сигнала или об огибающей импульса.

Детектор — самый простой и быстрый измеритель мощности: без генератора, без смесителя, без обработки. Его ставят в петли автоматической регулировки мощности передатчиков, в скалярные анализаторы для измерения АЧХ фильтров и усилителей, в системы контроля огибающей радарных импульсов и в индикаторы присутствия сигнала.

Квадратичный и линейный режим

При малых уровнях — примерно до −20 дБм — выходное напряжение пропорционально мощности. Это квадратичный режим, в нём детектор показывает истинную среднюю мощность даже для сложных сигналов с модуляцией. Выше начинается переходный участок, а примерно от 0 дБм — линейный режим, где напряжение пропорционально амплитуде, то есть корню из мощности. Там детектор удобен для огибающей импульсов, но уже не измеряет среднюю мощность шумоподобных сигналов.

Модель для чувствительностей 500 и 150 мВ/мВт из таблиц серии: в квадратичной зоне десять дБ по входу — десять раз по напряжению, в линейной — только в три раза.

Чувствительность в мВ/мВт задаёт наклон квадратичного участка. Пример, что покажет вольтметр на выходе по модели:

На −40 дБм напряжение — десятки микровольт: здесь уже важен шум и дрейф нуля усилителя после детектора. Поэтому нижний предел детектора ограничен не диодом, а тем, что стоит после него. Для слабых сигналов перед детектором ставят малошумящий усилитель, для сильных — аттенюатор, чтобы не выйти из квадратичной зоны.

Чувствительность и полоса

У широкополосных коаксиальных детекторов чувствительность падает с ростом верхней частоты: модели до 18 ГГц дают 500 мВ/мВт, до 26,5 ГГц — 180, до 40 ГГц — 150. Растёт и неравномерность АЧХ — от ±0,3 дБ до ±3,5 дБ. Волноводные детекторы работают в полосе своего сечения и держат 100–300 мВ/мВт вплоть до 110 ГГц:

Каждый круг — группа моделей с одинаковой полосой и чувствительностью из таблиц серий ДТ и ДТВ.

Полярность и выход

Детекторы выпускают с положительной и отрицательной полярностью выхода — это определяется включением диода. Полярность выбирают под вход осциллографа, АЦП или компаратора системы регулировки: так проще обойтись без инвертирующего каскада. Выходной разъём — SMA, N или BNC: BNC удобен для прямого подключения к осциллографу.

Выходное сопротивление детектора — сотни ом и больше, а нагрузка определяет и чувствительность, и скорость. На высокоомном входе вольтметра напряжение максимальное, но фронты медленные; на входе 50 Ом фронты короткие, а напряжение ниже. Для импульсов радара детектор нагружают на согласованную линию, для измерения средней мощности — на высокоомный вход.

Коаксиальные и волноводные детекторы

Коаксиальные детекторы серии ДТ перекрывают от 10 МГц до 40 ГГц одной моделью: удобно для скалярных измерений АЧХ в широкой полосе. Волноводные детекторы серии ДТВ работают в одном волноводном сечении от 7 до 110 ГГц и нужны в миллиметровом диапазоне, где коаксиальные разъёмы теряют смысл. Внутренние поверхности серебрят или золотят, чтобы снизить потери.

Диоды: Шоттки и туннельные

Большинство детекторов построено на диодах с барьером Шоттки: низкий порог открывания, малая ёмкость и работа до сотен гигагерц. Диоды с нулевым смещением работают без внешнего питания — удобно для простых измерительных головок. Если нужна максимальная чувствительность, на диод подают небольшой ток смещения, но тогда появляется дрейф нуля. Туннельные (обращённые) диоды мало зависят от температуры и устойчивее к перегрузке, но их чувствительность ниже и выходное напряжение меньше.

Выбор диода задаёт компромисс между чувствительностью, температурной стабильностью и стойкостью. Для лабораторных детекторов обычно берут Шоттки с нулевым смещением, для аппаратуры, работающей на улице, — схемы с температурной компенсацией.

Защита детектора

Диод детектора выдерживает около +20 дБм — 100 мВт. Случайный выброс передатчика, перегрузка усилителя или разряд статики сжигают его мгновенно. Для защиты перед детектором ставят ограничитель мощности: он пропускает слабый сигнал без изменений и срезает сильный до безопасного уровня.

Ограничитель на 5 Вт средней мощности с выходом 10 дБм защищает и детектор, и вход анализатора спектра. Разряд статики опасен даже без сигнала: подключайте детектор только к заземлённому тракту и храните с защитными колпачками на разъёмах.

Скалярный анализ АЧХ

Классическое применение детектора — измерение АЧХ фильтров, усилителей и кабелей без векторного анализатора. Генератор качает частоту, детектор на выходе испытуемого узла выдаёт напряжение, второй детектор через ответвитель следит за уровнем на входе. Отношение двух напряжений — коэффициент передачи. Фазы такая схема не даёт, зато проста и работает до сотен гигагерц. Для обратных потерь добавляют направленный ответвитель на входе и третий детектор.

Детектор в петле регулировки мощности

В передатчике часть выходной мощности отводят ответвителем на детектор, его напряжение сравнивают с заданным и подстраивают усиление. Так выходная мощность держится постоянной при нагреве усилителя, изменении питания и частоты. Для петли важны повторяемость и температурная стабильность детектора: уход его чувствительности сразу превращается в уход мощности передатчика.

Температура и дрейф

Чувствительность диода зависит от температуры: на квадратичном участке она меняется на доли процента на градус. Для лабораторных измерений это незаметно, для аппаратуры на мачте с перепадом от −40 до +50 °C — уже десятки процентов. Поэтому в серьёзных системах детектор ставят с опорным диодом для компенсации, термостатируют или калибруют по температуре.

Видеополоса и импульсы

Скорость детектора определяется ёмкостью на выходе и сопротивлением нагрузки. С нагрузкой 50 Ом фронт импульса — единицы и десятки наносекунд, и детектор показывает форму огибающей радарного импульса. С высокоомной нагрузкой напряжение выше, но фронты растягиваются до микросекунд — детектор показывает уже среднюю мощность, а не форму импульса. Для огибающей выбирают модели с малой выходной ёмкостью и короткий кабель до осциллографа.

Детектор или измеритель мощности

Измеритель мощности с термодатчиком или датчиком на диодах с калибровкой точнее детектора и работает в широком динамическом диапазоне. Детектор проще, быстрее и встраивается в аппаратуру. Для лабораторных измерений уровня выбирают ваттметр, для встроенного контроля, регулировки и огибающей — детектор. Часто детектор калибруют по ваттметру один раз на нужных частотах и дальше используют как быстрый индикатор.

Типичные ошибки

• Измеряют мощность модулированного сигнала в линейной зоне и получают завышенный или заниженный результат.
• Подключают детектор без ограничителя к выходу усилителя и сжигают диод.
• Не учитывают неравномерность АЧХ и сравнивают уровни на разных частотах без поправки.
• Берут высокоомную нагрузку для импульсов и видят «заваленные» фронты.
• Забывают про дрейф нуля усилителя после детектора при измерении слабых сигналов.
• Ставят длинный кабель между детектором и осциллографом и получают звон на фронтах.

Как выбрать детектор

• Полоса частот: широкополосный коаксиальный или волноводный под сечение.
• Чувствительность: чем выше, тем меньше нужно усиления после детектора.
• Неравномерность АЧХ: для измерений без частотной калибровки — как можно меньше.
• Полярность выхода и разъём — под вход осциллографа или АЦП.
• Допустимая входная мощность и защита ограничителем.
• Скорость: для импульсов — нагрузка 50 Ом и короткий кабель.
• Условия работы: для аппаратуры на улице — температурная компенсация или калибровка по температуре.
• Разъём входа: N, SMA или 2,92 мм под тракт, для миллиметров — волноводный фланец.

Модели KADAMM

Детекторы и ограничители — в разделе детекторов и фазовращателей KADAMM.

KADAMM · ДТ

коаксиальные детекторы

Частоты	10 МГц – 40 ГГц
Моделей	50

Перейти к товару →

KADAMM · ДТВ

волноводные детекторы

Частоты	7 – 110 ГГц
Моделей	15

Перейти к товару →

KADAMM · ОМ

ограничители мощности

Частоты	30 МГц – 18 ГГц
Моделей	6

Перейти к товару →