微波輻射計新型檢波器研究

董 帥，王振占，王新彪，賀秋瑞

（1.中國科學院 國家空間科學中心 微波遙技術重點實驗室，北京100190；2.中國科學院大學北京100190）

微波輻射計新型檢波器研究

董 帥1，2，王振占1，王新彪1，賀秋瑞1，2

（1.中國科學院 國家空間科學中心 微波遙技術重點實驗室，北京100190；2.中國科學院大學北京100190）

介紹了肖特基二極管和乘法器的平方率檢波原理，針對微波輻射計的功能設計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，信號輸入端采用差分電路，在50 MHz~2 GHz的帶寬和-16~4dBm的動態范圍內實現了0.999 99的輸出線性度。對比測試了傳統二極管檢波器，與之相比，乘法檢波器表現出有效帶寬大、動態范圍寬、線性度高、穩定性好的性能優勢。

檢波器；微波輻射計；模擬乘法器；平方律檢波

微波輻射計是一種被動式微波遙感器，是微波輻射測量的有效手段，在遙感領域具有重要地位。作為一種被動式設備，微波輻射計自身不發射電磁波，只是接收和測量目標自身發射、反射或散射的電磁輻射。由于實際目標發射的微波噪聲功率是相當微弱的，一般在10-20~10-9(W/m2)量級[1，2]，因此，微波輻射計是用來接收和記錄微弱隨機微波噪聲的高靈敏度接收機。微波輻射計工作原理為，天線接收探測視場內的微波、毫米波甚至太赫茲頻段電磁輻射能量，輻射信號經過接收機系統的放大、濾波、檢波等環節轉換為電壓信號，再通過輻射計定標過程建立輸出電壓信號與天線視在溫度的定量關系，從而得到觀測目標的亮度溫度，最終根據不同的反演方法分析得到人類感興趣的觀測目標各方面物理信息和特性[3]。

作為微波頻段遙感器的一種，微波輻射計覆蓋了可以穿透云雨等氣象條件的透明窗區，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遙感方式具有全天候、全時段工作的特點；而作為被動式遙感器，微波輻射計與主動式微波遙感器相比又具有功耗低、體積小、重量輕、多剖面、反輻射等優勢。微波輻射計不僅在氣象探測、海洋環境監測、農林監測預報、國土與地質探查、和天文觀測等領域正發揮著越來越重要的作用，而且在醫療、軍事偵察和導彈的末制導等方面也具有廣泛的應用前景[4]。

1 傳統二極管檢波器分析

微波輻射計測量的是天線接收的輻射噪聲功率，而輻射計輸出量為電壓值，因此需要采用平方律檢波方式將功率量轉換為電壓幅度[5]。傳統上，以肖特基二極管小信號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 （1.38×10-23J/K）；T是絕對溫度，q是電子電荷（1.6×10-19C），而n是適應實驗數據的修正常數。

二極管反向飽和電流Is是溫度的函數：

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，實驗表明，溫度每升高10℃，IS增加約1倍[8]。

二極管檢波原理清晰可靠，電路結構簡單小巧，是目前微波輻射計接收機中最常用的檢波器[9]。然而隨著輻射計技術的不斷進步和對設備精度要求的不斷提高，二極管檢波器也表現出了一些不足之處，主要包括以下4點：1）二極管的平方律檢波原理是基于其小信號模型的，而二極管的大信號模型為線性模型[10]，這就對二極管輸入端的功率水平提出了限制，進而限制了輻射計測量的動態范圍，為了適應輻射計測量寬輻亮溫的要求，需要針對不同亮溫范圍反復調節前端和中頻電路的自動增益控制（AGC），增加了測量延時；2）二極管的線性度也受到小信號模型的限制，雖然二極管檢波器已經表現出了較高的線性度，但是在面對新型檢波器的優異性能時仍顯不足[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（2）式，環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，需要采用溫度補償技術，或者對檢波器加以獨立的溫控，而這兩種辦法都額外增加了系統復雜度。

文中對某型號微波輻射計內部的二極管檢波器進行了測試，其動態范圍為-20 dBm至-10 dBm，其不同頻點處的線性度如表1所示。

表1 二極管檢波器各頻點線性度

400 MHz頻點的檢波曲線與線性擬合示例如圖1所示。

圖1 400 MHz頻點的二極管檢波曲線和線性擬合結果

小數點后3個9的線性度指標是一個不錯的結果，但是在圖1中仍能看出實測曲線與直線擬合之間的微小差異。應當注意的是，此次測量的最大輸入功率只達到-6 dBm，且測試頻點只到600 MHz，如果繼續增大輸入功率或者提高頻率，線性度指標會繼續變差，而由檢波器非線性因素導致的誤差最終會影響輻射計的兩點定標精度和測量準確度。

2 新型乘法檢波器設計

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

根據上式表示的工作原理，將接收機中頻濾波后的信號經過功分器分成兩路信號，再經過差分電路接入乘法器的兩個輸入端，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。乘法檢波器原理框圖2所示，輸出電壓V正比于信號源的輸入功率P。

圖2 乘法檢波器原理框圖

根據上述原理，文中設計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。乘法器電路實現兩路信號的模擬相乘。低頻放大器電路對乘法器輸出結果的低頻分量進行放大。濾波電路對放大后的信號進行低通濾波處理，濾掉高頻諧波分量，同時對通過的低通分量進行積分處理。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、超對稱的模擬乘法器。ADL5391的傳遞函數由下式給出：

其中X和Y是被乘數；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算速度，相比傳統乘法芯片具有低噪聲、高線性度及穩定度等特點。ADL5391支持差分信號輸入，此時其性能能夠達到最佳，因此文中在中頻乘法器電路中設計了巴倫電路來實現單端信號轉差分信號變壓器。

在模擬乘法器之后的低通濾波單元濾除了高頻分量，同時對低頻信號起到了積分作用。根據微波輻射計的工作原理，增加積分時間能夠增輻射計接收機的靈敏度，但過長的積分時間又會由于系統穩定性的無法保證而增大誤差。這是因為輻射計接收機系統的響應函數是時變的，雖然設計過程中盡量平滑這種時變特性，但實際應用中受到溫度等環境因素影響，這種時變特性仍然存在。在較短的積分時間內，可以將輻射計系統響應函數近似為固定值，但隨著積分時間的增加，系統參數的變化量累加，這種內部噪聲式的隨機變量將降低系統穩定性。因此積分時間的長短必須在增加系統靈敏度和減少由系統穩定性帶來的變化之間做一個折衷。

積分電路的傳輸函數如下：

從頻域上看，它是個一階低通濾波器，其截止頻率（-3 dB）為：

一般情況下檢波前帶寬Δf?fg，有效積分時間如下[16]：

檢波器輸出的電壓信號接到數據采集的A/D轉換電路，信號的頻譜形狀由H（jω）決定。為了不使信號產生畸變，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物圖。

圖3 乘法檢波器實物圖

3 新型乘法檢波器測試與分析

對設計的乘法檢波器進行實測，以是德科技的N5183信號發生器作為信號源，采用射頻功分器分成兩路信號，經過相同電長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。經過多次反復測試表明，本乘法檢波器的有效輸入功率的動態范圍為-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）。實驗測試了從50 MHz到2 GHz的整個ADL5391工作帶寬，每隔100 MHz測試一個頻點，測量結果如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可以發現線性度曲線在不同頻率上的斜率不同，這是由實驗電路的兩路輸入對不同頻率的電長度差異引起的，同時也跟整個乘法器在不同頻率上增益的變化有關。表2給出了各頻點線性度測量值，試驗結果表明，除了500 MHz處線性度為0.999 98外，其余測試頻點處線性度均達到0.999 99。

圖6以900 MHz頻點為例顯示了測量曲線與線性擬合結果。

表2 乘法檢波器各頻點線性度

圖4 乘法檢波器50~900 MHz測量結果

圖5 乘法檢波器1~2 GHz測量結果

圖6 900 MHz頻點的乘法檢波曲線和線性擬合結果

對比乘法檢波器和二極管檢波器的測試結果可以得出以下幾點結論：乘法檢波器的動態范圍為-16 dBm到4 dBm，明顯大于二極管檢波的-20 dBm至-10 dBm，這有利于輻射計探測亮溫范圍的展寬；乘法檢波器在測量頻帶內具有高達0.999 99的線性度，遠高于二極管檢波器的0.999 7，這可以有效提高輻射計接收機的整機線性度，進而提高定標精度和測量精度；文中測試的乘法檢波器的有效帶寬（50 MHz~2 GHz）遠大于二極管檢波器 （50 MHz~600 MHz），微波輻射計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，可以有效補償元件溫度對檢波性能的影響，提高了檢波器的溫度穩定性，這一點對輻射計的野外測量應用非常重要。

4 結 論

平方率檢波器擔負著將輻射計接收的噪聲功率信號轉換為輸出電壓信號的功能，其性能對輻射計的整體線性度和有效帶寬等指標有決定性影響，是微波輻射計接收機系統的重要功能單元。本文設計了一種以模擬乘法器作為核心元件的高穩定性乘法檢波模塊，測試結果顯示，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，線性度達到0.999 99，在與傳統的二極管檢波器對比中表現出了大帶寬、高線性度、寬動態范圍的性能優勢，應用前景廣闊。

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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：201604225

國家空間科學先導專項基金（XDA04061202）

董 帥（1988—），男，山東煙臺人，博士研究生。研究方向：微波輻射計系統，定標技術。