波導(dǎo)檢波裝置的失效模式及改善措施

孔占興

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009）

1 引言

波導(dǎo)檢波裝置一端連接在發(fā)射機(jī)功率輸出端，另一端與波導(dǎo)同軸電纜轉(zhuǎn)換組件相連接，使用時(shí)在主波導(dǎo)中傳輸功率信號，為了對主波導(dǎo)中傳輸信號功率進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)又不影響主波導(dǎo)中的信號傳輸，需在主波導(dǎo)上開孔，利用耦合機(jī)構(gòu)取出小部分能量。這一小部分功率信號，再經(jīng)過檢波器和濾波電路輸出一個(gè)檢波信號。該檢波信號用于監(jiān)控功率源的輸出功率，同時(shí)作為控制信號及時(shí)傳遞給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對功率源的輸出功率進(jìn)行調(diào)整。其工作原理見圖1。

2 典型失效模式

2個(gè)樣本的具體失效模式分別見表1～表2。從表1、表2樣本中可以看出，1#樣本在常溫下隨著測試時(shí)間的增長，檢波電壓幅值出現(xiàn)較大跳變；2#樣本在高溫（85℃）、低溫（-55℃）、常溫（25℃）下檢波電壓幅值和變化率均不滿足指標(biāo)要求（根據(jù)實(shí)際使用要求檢波電壓幅值高低常三溫下變化率應(yīng)不大于25%；檢波電壓幅值在高低常三溫下幅值應(yīng)在250～900 mV范圍內(nèi)，且不能在工作過程中出現(xiàn)大于50 mV的跳變）。

3 失效機(jī)理分析

3.1 二極管對檢波裝置的影響

檢波幅值常溫下發(fā)生跳變主要是受國內(nèi)檢波二極管功率容量的限制，目前國內(nèi)還沒有滿足功率容量要求的檢波二極管，因此檢波裝置中選用的檢波二極管功率容量小于實(shí)際應(yīng)用的功率容量，檢波二極管在工作時(shí)處于飽和區(qū)。

導(dǎo)引頭中調(diào)制采用的是正弦波調(diào)幅，基帶信號是脈沖方波信號，其頻率為f，占空比為q，方波信號的脈沖峰值功率p為180 W，則平均功率P=p×q，不同的脈沖功率對應(yīng)于檢波二極管的不同工作區(qū)間，則檢波特性也會不同。檢波二極管在輸入信號很小時(shí)，檢波特性呈平方律曲線，即輸出電壓正比于輸入電壓的平方，也就是正比于輸入功率。檢波輸入電壓與輸入功率的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 檢波器的飽和特性

當(dāng)輸入功率增大時(shí)，檢波器就變成線性的。在該區(qū)內(nèi)，輸出電壓的變化正比于輸入電壓的變化，平方律檢波區(qū)和線性檢波區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)通常稱為壓縮點(diǎn)，見圖2中A點(diǎn)所示。當(dāng)輸入功率增大到二極管上的反向偏壓達(dá)到擊穿點(diǎn)時(shí)，反向電流增大，它將抵消一部分正向檢波電流，使輸出電壓下降，見圖2中曲線B點(diǎn)以上的彎曲線段[1]。若輸入信號功率進(jìn)一步增強(qiáng)，過大的電流損耗將使二極管結(jié)溫上升。由于檢波管結(jié)面積較小，通常直徑為20 μm，過高的功率密度將使二極管PN結(jié)性能惡化，導(dǎo)致檢波二極管的輸出能力降低，檢波幅值出現(xiàn)跳變。

檢波幅值在高低常三溫下變化主要來自于兩方面的因素。一方面是肖特基檢波二極管固有的特性，在工作溫度升高時(shí)，二極管的正向特性曲線將左移，在工作溫度降低時(shí)，二極管的正向特性曲線將右移，如圖3所示。檢波二極管的I-V特征曲線可用公式表示如下：

Iout為檢波二極管的電流，IS為反向飽和電流，Vin為外加電壓，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電荷，n為理想因子，取決于制造工藝，一般為1～2，其理想值為1。

由圖3可以看出，在輸入功率Pin一定時(shí)，隨著工作溫度T的變化，其檢波電壓Vout（檢波電流Iout）發(fā)生變化，在不同的工作區(qū)域，其I-V曲線的溫度偏移差異較大，即檢波二極管溫度特性是隨著特性曲線上工作區(qū)間的不同而不同。

將公式（1）代入高溫、低溫下檢波電壓幅值變化率計(jì)算公式后最終得出：

圖3 檢波二極管的典型I-V特征曲線

其中，Vout-L(H)、Iout-L(H)為高低溫檢波電壓、電流，Vout-o、Iout-o為常溫檢波電壓、電流，ISL(H)為高低溫反向飽和電流，ISO為常溫反向飽和電流，TL(H)、TO為高低溫、常溫絕對溫度。由公式（2）可以看出，檢波電壓幅值變化率除了與溫度有關(guān)外，還與輸入電壓（輸入功率）有關(guān)。從圖4（檢波二極管檢波幅值溫度特性曲線由實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制）中可以明顯看出，當(dāng)輸入功率超過10 dBm后，隨著溫度變化波導(dǎo)檢波幅值變化量大幅度增加，容易引起波導(dǎo)檢波幅值變化率的超差。

圖4 檢波二極管檢波幅值溫度特性曲線

3.2 檢波盒體對檢波裝置的影響

檢波幅值變化不滿足使用要求的另一方面原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，產(chǎn)品的封閉檢波盒體產(chǎn)生的諧振，影響輸出的檢波幅值。檢波幅值的大小與檢波裝置從主波導(dǎo)中耦合的能量多少成正比，微帶檢波器采用小孔耦合的方式[2]，其耦合度與諧振腔的狀態(tài)有著很大聯(lián)系，因此諧振腔的尺寸對檢波幅值大小有直接的影響。檢波裝置產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)檢波功能是利用肖特基檢波二極管的特性，但其自身的特性是隨溫度變化檢波性能有較大的變化。為了彌補(bǔ)肖特基檢波二極管固有的特性，改善產(chǎn)品在高低溫下的檢波性能，實(shí)現(xiàn)檢波輸出的穩(wěn)定，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中利用檢波腔體內(nèi)部形成的諧振，通過調(diào)諧螺釘調(diào)整諧振Q值來起到補(bǔ)償作用，使得在高低溫下的檢波性能得到提高。但由于諧振腔本身的特點(diǎn)，Q值曲線的頻帶較窄，諧振狀態(tài)容易產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，使得調(diào)諧對檢波二極管的溫度變化彌補(bǔ)不夠。因?yàn)槠焚|(zhì)因數(shù)Q值與腔體尺寸有關(guān)，檢波腔體結(jié)構(gòu)尺寸的微小變化將會很大程度地改變諧振狀態(tài)，所以在高低溫情況下由于檢波腔體尺寸的微小變化使得諧振狀態(tài)改變而導(dǎo)致產(chǎn)品高低溫檢波電壓幅值變化大。

4 結(jié)論

針對樣本常溫下檢波幅值發(fā)生跳變的故障模式，加強(qiáng)檢波二極管二次篩選老化試驗(yàn)，剔除早期檢波二極管不穩(wěn)定產(chǎn)品。

二次篩選中加嚴(yán)對二極管檢波幅值溫度特性的測試，將高低常三溫下檢波幅值波動(dòng)較大的二極管在裝配前進(jìn)行早期剔除，優(yōu)選三溫下檢波二極管檢波幅值隨溫度變化不敏感的二極管。

同時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)對檢波腔體進(jìn)行三維全波電磁場仿真，對其進(jìn)行本征模分析，計(jì)算出腔體的本征值，即腔體的諧振基頻和各次諧頻。通過改變腔體尺寸及調(diào)諧螺釘進(jìn)入腔體的深度改變腔體諧振頻率，獲取所需的基頻分量，使二次以上的高次諧頻遠(yuǎn)離工作頻率；而且可以通過容差分析先仿真出高、低溫下檢波腔體尺寸微小變化對諧波頻率的影響，使得諧振腔體設(shè)計(jì)更好地補(bǔ)償檢波二極管的溫度變化。

[1] 劉丹，尹應(yīng)增. 微波二極管檢波特性分析[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，30（6）：810-818.

[2] Lin Wei-Gan. Coupling between a rectangular waveguide and a circular waveguide or a cylindrical cavity through a small hole[J]. ACTA Physical Sinica,1959,15(7): 368-376.