波導檢波裝置的失效模式及改善措施

孔占興

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

1 引言

波導檢波裝置一端連接在發射機功率輸出端，另一端與波導同軸電纜轉換組件相連接，使用時在主波導中傳輸功率信號，為了對主波導中傳輸信號功率進行監控，同時又不影響主波導中的信號傳輸，需在主波導上開孔，利用耦合機構取出小部分能量。這一小部分功率信號，再經過檢波器和濾波電路輸出一個檢波信號。該檢波信號用于監控功率源的輸出功率，同時作為控制信號及時傳遞給計算機控制系統，對功率源的輸出功率進行調整。其工作原理見圖1。

2 典型失效模式

2個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間的增長，檢波電壓幅值出現較大跳變；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要求（根據實際使用要求檢波電壓幅值高低常三溫下變化率應不大于25%；檢波電壓幅值在高低常三溫下幅值應在250～900 mV范圍內，且不能在工作過程中出現大于50 mV的跳變）。

3 失效機理分析

3.1 二極管對檢波裝置的影響

檢波幅值常溫下發生跳變主要是受國內檢波二極管功率容量的限制，目前國內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際應用的功率容量，檢波二極管在工作時處于飽和區。

導引頭中調制采用的是正弦波調幅，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于檢波二極管的不同工作區間，則檢波特性也會不同。檢波二極管在輸入信號很小時，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系曲線如圖2所示。

圖2 檢波器的飽和特性

當輸入功率增大時，檢波器就變成線性的。在該區內，輸出電壓的變化正比于輸入電壓的變化，平方律檢波區和線性檢波區的轉折點通常稱為壓縮點，見圖2中A點所示。當輸入功率增大到二極管上的反向偏壓達到擊穿點時，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點以上的彎曲線段[1]。若輸入信號功率進一步增強，過大的電流損耗將使二極管結溫上升。由于檢波管結面積較小，通常直徑為20 μm，過高的功率密度將使二極管PN結性能惡化，導致檢波二極管的輸出能力降低，檢波幅值出現跳變。

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，二極管的正向特性曲線將左移，在工作溫度降低時，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，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，隨著工作溫度T的變化，其檢波電壓Vout（檢波電流Iout）發生變化，在不同的工作區域，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外，還與輸入電壓（輸入功率）有關。從圖4（檢波二極管檢波幅值溫度特性曲線由實際的實驗數據繪制）中可以明顯看出，當輸入功率超過10 dBm后，隨著溫度變化波導檢波幅值變化量大幅度增加，容易引起波導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構設計方面，產品的封閉檢波盒體產生的諧振，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有著很大聯系，因此諧振腔的尺寸對檢波幅值大小有直接的影響。檢波裝置產品中實現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。為了彌補肖特基檢波二極管固有的特性，改善產品在高低溫下的檢波性能，實現檢波輸出的穩定，產品設計中利用檢波腔體內部形成的諧振，通過調諧螺釘調整諧振Q值來起到補償作用，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，Q值曲線的頻帶較窄，諧振狀態容易產生不穩定現象，使得調諧對檢波二極管的溫度變化彌補不夠。因為品質因數Q值與腔體尺寸有關，檢波腔體結構尺寸的微小變化將會很大程度地改變諧振狀態，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改變而導致產品高低溫檢波電壓幅值變化大。

4 結論

針對樣本常溫下檢波幅值發生跳變的故障模式，加強檢波二極管二次篩選老化試驗，剔除早期檢波二極管不穩定產品。

二次篩選中加嚴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較大的二極管在裝配前進行早期剔除，優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，產品設計時對檢波腔體進行三維全波電磁場仿真，對其進行本征模分析，計算出腔體的本征值，即腔體的諧振基頻和各次諧頻。通過改變腔體尺寸及調諧螺釘進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，使得諧振腔體設計更好地補償檢波二極管的溫度變化。

[1] 劉丹，尹應增. 微波二極管檢波特性分析[J]. 西安電子科技大學學報，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.