微波輻射計(jì)新型檢波器研究

董 帥，王振占，王新彪，賀秋瑞

（1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心 微波遙技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100190）

微波輻射計(jì)新型檢波器研究

董 帥1，2，王振占1，王新彪1，賀秋瑞1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心 微波遙技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100190）

介紹了肖特基二極管和乘法器的平方率檢波原理，針對(duì)微波輻射計(jì)的功能設(shè)計(jì)了乘法檢波模塊和放大、濾波電路。乘法檢波模塊以ADL5391為核心，信號(hào)輸入端采用差分電路，在50 MHz~2 GHz的帶寬和-16~4dBm的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了0.999 99的輸出線性度。對(duì)比測(cè)試了傳統(tǒng)二極管檢波器，與之相比，乘法檢波器表現(xiàn)出有效帶寬大、動(dòng)態(tài)范圍寬、線性度高、穩(wěn)定性好的性能優(yōu)勢(shì)。

檢波器；微波輻射計(jì)；模擬乘法器；平方律檢波

微波輻射計(jì)是一種被動(dòng)式微波遙感器，是微波輻射測(cè)量的有效手段，在遙感領(lǐng)域具有重要地位。作為一種被動(dòng)式設(shè)備，微波輻射計(jì)自身不發(fā)射電磁波，只是接收和測(cè)量目標(biāo)自身發(fā)射、反射或散射的電磁輻射。由于實(shí)際目標(biāo)發(fā)射的微波噪聲功率是相當(dāng)微弱的，一般在10-20~10-9(W/m2)量級(jí)[1，2]，因此，微波輻射計(jì)是用來接收和記錄微弱隨機(jī)微波噪聲的高靈敏度接收機(jī)。微波輻射計(jì)工作原理為，天線接收探測(cè)視場(chǎng)內(nèi)的微波、毫米波甚至太赫茲頻段電磁輻射能量，輻射信號(hào)經(jīng)過接收機(jī)系統(tǒng)的放大、濾波、檢波等環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再通過輻射計(jì)定標(biāo)過程建立輸出電壓信號(hào)與天線視在溫度的定量關(guān)系，從而得到觀測(cè)目標(biāo)的亮度溫度，最終根據(jù)不同的反演方法分析得到人類感興趣的觀測(cè)目標(biāo)各方面物理信息和特性[3]。

作為微波頻段遙感器的一種，微波輻射計(jì)覆蓋了可以穿透云雨等氣象條件的透明窗區(qū)，也不受白天黑夜的日照影響，相比于可見光和紅外等短波長(zhǎng)遙感方式具有全天候、全時(shí)段工作的特點(diǎn)；而作為被動(dòng)式遙感器，微波輻射計(jì)與主動(dòng)式微波遙感器相比又具有功耗低、體積小、重量輕、多剖面、反輻射等優(yōu)勢(shì)。微波輻射計(jì)不僅在氣象探測(cè)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)林監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、國(guó)土與地質(zhì)探查、和天文觀測(cè)等領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用，而且在醫(yī)療、軍事偵察和導(dǎo)彈的末制導(dǎo)等方面也具有廣泛的應(yīng)用前景[4]。

1 傳統(tǒng)二極管檢波器分析

微波輻射計(jì)測(cè)量的是天線接收的輻射噪聲功率，而輻射計(jì)輸出量為電壓值，因此需要采用平方律檢波方式將功率量轉(zhuǎn)換為電壓幅度[5]。傳統(tǒng)上，以肖特基二極管小信號(hào)模型為原理的二極管檢波器是最常用的平方律檢波器。肖特基二極管的伏安特性方程如下[6-7]：

式中i為二極管電流，V為跨在二極管上的凈電壓，Is為二極管反向飽和電流，α=q/nkT，k為波爾茲曼常數(shù) （1.38×10-23J/K）；T是絕對(duì)溫度，q是電子電荷（1.6×10-19C），而n是適應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正常數(shù)。

二極管反向飽和電流Is是溫度的函數(shù)：

其中，T0=300 K。上式表明二極管檢波特性受到自身物理溫度的影響，實(shí)驗(yàn)表明，溫度每升高10℃，IS增加約1倍[8]。

二極管檢波原理清晰可靠，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧，是目前微波輻射計(jì)接收機(jī)中最常用的檢波器[9]。然而隨著輻射計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步和對(duì)設(shè)備精度要求的不斷提高，二極管檢波器也表現(xiàn)出了一些不足之處，主要包括以下4點(diǎn)：1）二極管的平方律檢波原理是基于其小信號(hào)模型的，而二極管的大信號(hào)模型為線性模型[10]，這就對(duì)二極管輸入端的功率水平提出了限制，進(jìn)而限制了輻射計(jì)測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍，為了適應(yīng)輻射計(jì)測(cè)量寬輻亮溫的要求，需要針對(duì)不同亮溫范圍反復(fù)調(diào)節(jié)前端和中頻電路的自動(dòng)增益控制（AGC），增加了測(cè)量延時(shí)；2）二極管的線性度也受到小信號(hào)模型的限制，雖然二極管檢波器已經(jīng)表現(xiàn)出了較高的線性度，但是在面對(duì)新型檢波器的優(yōu)異性能時(shí)仍顯不足[11]；3）特定的肖特基二極管元件有效帶寬較窄[12]，對(duì)射頻前端的下變頻要求更多，不利于射頻前端的小型化；4）根據(jù)（2）式，環(huán)境溫度能夠改變二極管檢波特[13]，引入不可控的誤差，為保證檢波精度，需要采用溫度補(bǔ)償技術(shù)，或者對(duì)檢波器加以獨(dú)立的溫控，而這兩種辦法都額外增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。

文中對(duì)某型號(hào)微波輻射計(jì)內(nèi)部的二極管檢波器進(jìn)行了測(cè)試，其動(dòng)態(tài)范圍為-20 dBm至-10 dBm，其不同頻點(diǎn)處的線性度如表1所示。

表1 二極管檢波器各頻點(diǎn)線性度

400 MHz頻點(diǎn)的檢波曲線與線性擬合示例如圖1所示。

圖1 400 MHz頻點(diǎn)的二極管檢波曲線和線性擬合結(jié)果

小數(shù)點(diǎn)后3個(gè)9的線性度指標(biāo)是一個(gè)不錯(cuò)的結(jié)果，但是在圖1中仍能看出實(shí)測(cè)曲線與直線擬合之間的微小差異。應(yīng)當(dāng)注意的是，此次測(cè)量的最大輸入功率只達(dá)到-6 dBm，且測(cè)試頻點(diǎn)只到600 MHz，如果繼續(xù)增大輸入功率或者提高頻率，線性度指標(biāo)會(huì)繼續(xù)變差，而由檢波器非線性因素導(dǎo)致的誤差最終會(huì)影響輻射計(jì)的兩點(diǎn)定標(biāo)精度和測(cè)量準(zhǔn)確度。

2 新型乘法檢波器設(shè)計(jì)

針對(duì)上一節(jié)闡述的二極管檢波器的一些弊端，本文設(shè)計(jì)了一種基于模擬乘法器的新型平方律檢波器。模擬乘法器是現(xiàn)代信號(hào)處理系統(tǒng)的重要組成單元，它廣泛應(yīng)用于鎖相環(huán)、混頻器、濾波器等信號(hào)處理電路中，其工作原理由下述方程表示[14，15]：

根據(jù)上式表示的工作原理，將接收機(jī)中頻濾波后的信號(hào)經(jīng)過功分器分成兩路信號(hào)，再經(jīng)過差分電路接入乘法器的兩個(gè)輸入端，在乘法器的輸出端接低頻放大器和低通濾波器，則可以獲得平方律檢波后的信號(hào)。乘法檢波器原理框圖2所示，輸出電壓V正比于信號(hào)源的輸入功率P。

圖2 乘法檢波器原理框圖

根據(jù)上述原理，文中設(shè)計(jì)的乘法檢波器模塊由3部分組成：中頻乘法器電路、低頻放大器和濾波電路。乘法器電路實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的模擬相乘。低頻放大器電路對(duì)乘法器輸出結(jié)果的低頻分量進(jìn)行放大。濾波電路對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，濾掉高頻諧波分量，同時(shí)對(duì)通過的低通分量進(jìn)行積分處理。本乘法檢波器模塊采用的乘法器元件為ADI公司的ADL5391型寬頻帶、高性能、超對(duì)稱的模擬乘法器。ADL5391的傳遞函數(shù)由下式給出：

其中X和Y是被乘數(shù)；U是乘法器的比例因子；α是乘法器增益；W是乘法器的輸出；Z是一個(gè)求和輸入。所有的變量和比例因子單位都是伏特。ADL5391具有2 GHz的可用帶寬和極高的運(yùn)算速度，相比傳統(tǒng)乘法芯片具有低噪聲、高線性度及穩(wěn)定度等特點(diǎn)。ADL5391支持差分信號(hào)輸入，此時(shí)其性能能夠達(dá)到最佳，因此文中在中頻乘法器電路中設(shè)計(jì)了巴倫電路來實(shí)現(xiàn)單端信號(hào)轉(zhuǎn)差分信號(hào)變壓器。

在模擬乘法器之后的低通濾波單元濾除了高頻分量，同時(shí)對(duì)低頻信號(hào)起到了積分作用。根據(jù)微波輻射計(jì)的工作原理，增加積分時(shí)間能夠增輻射計(jì)接收機(jī)的靈敏度，但過長(zhǎng)的積分時(shí)間又會(huì)由于系統(tǒng)穩(wěn)定性的無(wú)法保證而增大誤差。這是因?yàn)檩椛溆?jì)接收機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)是時(shí)變的，雖然設(shè)計(jì)過程中盡量平滑這種時(shí)變特性，但實(shí)際應(yīng)用中受到溫度等環(huán)境因素影響，這種時(shí)變特性仍然存在。在較短的積分時(shí)間內(nèi)，可以將輻射計(jì)系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)近似為固定值，但隨著積分時(shí)間的增加，系統(tǒng)參數(shù)的變化量累加，這種內(nèi)部噪聲式的隨機(jī)變量將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此積分時(shí)間的長(zhǎng)短必須在增加系統(tǒng)靈敏度和減少由系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的變化之間做一個(gè)折衷。

積分電路的傳輸函數(shù)如下：

從頻域上看，它是個(gè)一階低通濾波器，其截止頻率（-3 dB）為：

一般情況下檢波前帶寬Δf?fg，有效積分時(shí)間如下[16]：

檢波器輸出的電壓信號(hào)接到數(shù)據(jù)采集的A/D轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)的頻譜形狀由H（jω）決定。為了不使信號(hào)產(chǎn)生畸變，采樣頻率需要滿足奈奎斯特采樣定律fs≥2fg[17]。圖3是包括了放大和積分電路的乘法檢波器實(shí)物圖。

圖3 乘法檢波器實(shí)物圖

3 新型乘法檢波器測(cè)試與分析

對(duì)設(shè)計(jì)的乘法檢波器進(jìn)行實(shí)測(cè)，以是德科技的N5183信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源，采用射頻功分器分成兩路信號(hào)，經(jīng)過相同電長(zhǎng)度的傳輸線接入乘法檢波器輸入端，在積分單元的輸出端采集輸出的電壓信號(hào)。經(jīng)過多次反復(fù)測(cè)試表明，本乘法檢波器的有效輸入功率的動(dòng)態(tài)范圍為-16 dBm到4 dBm（上限受到了低頻放大器截止作用的影響，單純以ADL5391的性能而論，可以做到10 dBm）。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了從50 MHz到2 GHz的整個(gè)ADL5391工作帶寬，每隔100 MHz測(cè)試一個(gè)頻點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)線性度曲線在不同頻率上的斜率不同，這是由實(shí)驗(yàn)電路的兩路輸入對(duì)不同頻率的電長(zhǎng)度差異引起的，同時(shí)也跟整個(gè)乘法器在不同頻率上增益的變化有關(guān)。表2給出了各頻點(diǎn)線性度測(cè)量值，試驗(yàn)結(jié)果表明，除了500 MHz處線性度為0.999 98外，其余測(cè)試頻點(diǎn)處線性度均達(dá)到0.999 99。

圖6以900 MHz頻點(diǎn)為例顯示了測(cè)量曲線與線性擬合結(jié)果。

表2 乘法檢波器各頻點(diǎn)線性度

圖4 乘法檢波器50~900 MHz測(cè)量結(jié)果

圖5 乘法檢波器1~2 GHz測(cè)量結(jié)果

圖6 900 MHz頻點(diǎn)的乘法檢波曲線和線性擬合結(jié)果

對(duì)比乘法檢波器和二極管檢波器的測(cè)試結(jié)果可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：乘法檢波器的動(dòng)態(tài)范圍為-16 dBm到4 dBm，明顯大于二極管檢波的-20 dBm至-10 dBm，這有利于輻射計(jì)探測(cè)亮溫范圍的展寬；乘法檢波器在測(cè)量頻帶內(nèi)具有高達(dá)0.999 99的線性度，遠(yuǎn)高于二極管檢波器的0.999 7，這可以有效提高輻射計(jì)接收機(jī)的整機(jī)線性度，進(jìn)而提高定標(biāo)精度和測(cè)量精度；文中測(cè)試的乘法檢波器的有效帶寬（50 MHz~2 GHz）遠(yuǎn)大于二極管檢波器 （50 MHz~600 MHz），微波輻射計(jì)的靈敏度隨有效帶寬的增加而升高，更大的帶寬可以有效提高輻射計(jì)靈敏度。另外，由于乘法器輸入端采用了差分電路，可以有效補(bǔ)償元件溫度對(duì)檢波性能的影響，提高了檢波器的溫度穩(wěn)定性，這一點(diǎn)對(duì)輻射計(jì)的野外測(cè)量應(yīng)用非常重要。

4 結(jié) 論

平方率檢波器擔(dān)負(fù)著將輻射計(jì)接收的噪聲功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號(hào)的功能，其性能對(duì)輻射計(jì)的整體線性度和有效帶寬等指標(biāo)有決定性影響，是微波輻射計(jì)接收機(jī)系統(tǒng)的重要功能單元。本文設(shè)計(jì)了一種以模擬乘法器作為核心元件的高穩(wěn)定性乘法檢波模塊，測(cè)試結(jié)果顯示，該乘法檢波模塊有效輸入功率范圍為-16 dBm到4 dBm，有效帶寬2 GHz，線性度達(dá)到0.999 99，在與傳統(tǒng)的二極管檢波器對(duì)比中表現(xiàn)出了大帶寬、高線性度、寬動(dòng)態(tài)范圍的性能優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。

[1]WEI En-bo，LIU Shu-bo，WANG Zhen-zhan，et al.Emissivity measurements and theoretical model of foam -covered sea surface at C-band[J]. International Journal of Remote Sensing，2014，35（4）:1511-1525.

[2]WEI En-bo，LIU Shu-bo，WANG Zhen-zhan，et al.Emis-sivity measurements of foam-covered water surface at L -band for low water temperatures[J].Remote Sensing，2014，6（11）: 10913-10930.

[3]何杰穎.微波毫米波大氣溫濕度探測(cè)定標(biāo)與反演的理論和方法研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，2012.

[4]陸浩.數(shù)字相關(guān)型全極化微波輻射計(jì)的研制、定標(biāo)和誤差分析[D].北京：中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，2012.

[5]趙晗彤，張德海.微波輻射計(jì)中檢波器的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（16）:3806-3809.

[6]楊海.常用檢波器原理淺談[J].物探裝備，2001，11（4）:281-282.

[7]朱祥維，王飛雪.基于平方律檢波的二相編碼信號(hào)分段相關(guān)-視頻積累方法研究 [J].電子學(xué)報(bào)，2005，33（3）:545-548.

[8]徐達(dá)旺，李志亮.二極管式微波功率檢波器的溫度補(bǔ)償技術(shù) [J].電子測(cè)量技術(shù)，2006，29（6）:172-174.

[9]李丹娜，張升偉，雙頻段直接檢波型微波輻射計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（16）:4728-4732.

[10]Aiqun Wang， Nanning Zheng， Lixing Yuan. Multiplicative inhibitory velocity detector（MIVD）and multi-velocity motion detection neural network model[C] // International Confe -rence on Multisensor Fusion and Integration for Intelligent Systems，Washington，US，IEEE Press，1996：476-483.

[11]M.Frey.A GLRT detector for bursty targets in multiplicativenoise [J].IEEE Signal Processing Letters，1999，6（5）:119-121.

[12]曹務(wù)祥.模擬和數(shù)字檢波器的資料響應(yīng)特征對(duì)比分析 [J].勘探地球物理進(jìn)展，2007，30（2）:96-99.

[13]T S Uhm，J C Son，I Song，el al.Performance analysis of detectors in additive and multiplicative noise[C]//Military Communications Conference，McLean，VA，IEEE Press，1991：566-570.

[14]方勇，黃建，甘體國(guó).Ka波段寬帶、大動(dòng)態(tài)平方律檢波器的研制 [J].微波學(xué)報(bào)，2009，25（4）:78-81.

[15]鄧建華，甘體國(guó)，喻志遠(yuǎn).高性能K波段寬頻帶檢波器[J].電訊技術(shù)，2003，43（2）:105-108.

[16]王新彪.Ka波段模擬型全極化微波輻射計(jì)研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，2011.

[17]蔡朋飛，趙飛.基于FPGA的狄克型輻射計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（16）: 109-111.

Research on the new type of detector for microwave radiometer

DONG Shuai1，2，WANG Zhen-zhan1，WANG Xin-biao1，HE Qiu-rui1，2
（1.CAS Key Lab.of Microwave Remote Sensing，National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

The principles of Schottky diodes and multiplier for square-law detection are introduced.The multiplicative detector，low frequency amplifier and low pass filter for microwave radiometer are designed.The multiplicative detector is based on ADL5391，and the signal input port is developed as differential circuit.A measured linearity of 0.99999 from 50MHz to 2GHz while maintaining an dynamic range between-16dBm and 4dBm is demonstrated.Compared with the traditional diode detector，the multiplicative detector has the advantages of high bandwidth，wide dynamic range，high linearity and good stability.

detector；microwave radiometer；analog multiplier；square-law detection

TN763.1

：A

：1674－6236（2017）01-0171-04

2016-04-22稿件編號(hào)：201604225

國(guó)家空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)基金（XDA04061202）

董 帥（1988—），男，山東煙臺(tái)人，博士研究生。研究方向：微波輻射計(jì)系統(tǒng)，定標(biāo)技術(shù)。