ГОСТ 19656.9-79
Диоды полупроводниковые СВЧ параметрические и умножительные. Методы измерения постоянной времени и предельной частоты

ГОСТ 19656.9-79

Группа Э29

     
     
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

ДИОДЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЧ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ И УМНОЖИТЕЛЬНЫЕ

Методы измерения постоянной времени и предельной частоты

Semiconductor microwave varactors and multiplier diodes.
Methods of measuring time constant and limiting frequency

Дата введения 1981-01-01

Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 11 сентября 1979 г. N 3457 срок введения установлен с 01.01.81

Проверен в 1985 г. Постановлением Госстандарта СССР от 20.12.85 N 4271 срок действия продлен до 01.01.91**
________________
** Ограничение срока действия снято по протоколу N 3-93 Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС N 5/6, 1993 год). - Примечание изготовителя базы данных.

ВЗАМЕН ГОСТ 19656.9-74

* ПЕРЕИЗДАНИЕ. Апрель 1988 г


Настоящий стандарт распространяется на полупроводниковые СВЧ параметрические и умножительные диоды (далее - диоды) и устанавливает следующие методы измерения постоянной времени и предельной частоты: , :

метод четырехполюсника;

метод последовательного резонанса диода;

резонаторный метод.

Методы измерения постоянной времени и предельной частоты диода учитывают потери в измерительной диодной камере.

Общие условия должны соответствовать ГОСТ 19656.0-74.

1. МЕТОД ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА

1. МЕТОД ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА

1.1. Принцип и условия измерений

1.1.1. Постоянная времени или предельная частота диода должна определяться из измерения входного комплексного сопротивления измерительной камеры с включенным диодом с учетом коэффициентов пассивного линейного четырехполюсника, которые находят с помощью эквивалентного холостого хода (XX) и короткого замыкания (КЗ).

1.1.2. СВЧ-мощность , частота измерений , напряжение смещения , при которых производят измерения, должны приводиться в стандартах и технических условиях на диоды конкретных типов.

1.2. Аппаратура

1.2.1. Измерения следует производить на установке, электрическая структурная схема которой приведена на черт.1.

- генератор СВЧ мощности; - ферритовый вентиль; - переменный аттенюатор;
- измерительная линия; - измерительный усилитель; - измерительная камера;
- источник напряжения смещения (варианты I, II подачи напряжения смещения
определяются конструкцией измерительной камеры)

Черт.1

1.2.2. Эквивалентом XX является корпус диода, в котором полупроводниковая структура не подсоединена к выводу диода или отсутствует.

Эквивалентом КЗ является корпус диода, в котором осуществлено короткое замыкание в месте установки полупроводниковой структуры без изменения внутренней геометрии корпуса.

Эквиваленты XX и КЗ выполняются в соответствии со стандартами и техническими условиями на диоды конкретных типов.

1.2.3. Измерительная линия должна иметь абсолютную погрешность отсчета положения зонда не более 0,001, где - длина волны в линии передачи, в мм, на которой производят измерение.

1.2.4. Источник напряжения смещения должен удовлетворять следующим требованиям:

обеспечивать плавную установку и поддержание заданного напряжения смещения с погрешностью в пределах ±2%;

коэффициент пульсации напряжения смещения при токе нагрузки до 10 мА не должен превышать 0,1%.

1.2.5. Измерительный усилитель должен иметь чувствительность по напряжению не более 10 мкВ.

1.2.6. Измерительная камера в зависимости от диапазона частот должна обеспечивать коэффициент стоячей волны по напряжению () с эквивалентами XX и КЗ:

	диапазон частот измерения, ГГц	, не менее
	40-80	20
	20-40	30
	10-20	50
	5-10	80
	менее 5	100

камеры с измеряемым диодом не менее 1,2 при заданном напряжении смещения.

Измерение производят методом удвоенного минимума в соответствии с рекомендуемым приложением 1.

1.3. Подготовка и проведение измерений

1.3.1. Устанавливают заданный режим измерений по частоте и мощности .

1.3.2. Находят положение минимума стоячей волны с эквивалентом XX - в мм и измеряют .

Находят положение плоскости отсчета , в мм, по формуле

. (1)

1.3.3. Находят положение минимума стоячей волны с эквивалентом КЗ, ближайшее к плоскости отсчета, и измеряют расстояние до плоскости отсчета , в мм, и .

Определяют угол сдвига минимума стоячей волны по напряжению относительно плоскости отсчета при напряжении

,

где , мм.

Если 45°, то проводят дополнительные измерения при , при котором 45°.

1.4. Обработка результатов

1.4.1. Определяют постоянную времени диода в секундах по одной из формул:

при

45°

, (2)

где - частота измерений, Гц;

- расчетная величина, определяемая по формуле

; (3)

при 45°80°

45°

, (4)

где , - коэффициенты стоячей волны по напряжению при напряжении смещения , соответственно;

, - расстояния от плоскости отсчета до положения минимума стоячей волны по напряжению при и соответственно, мм;

при 80° и 45°

, (5)

где - отношение емкостей перехода при смещении и соответственно;

, - емкость перехода при смещении и , измеренная по ГОСТ 18986.4-73, Ф;

и - приводят в стандартах или технических условиях на диоды конкретных типов.

1.4.2. Предельную частоту диода в Гц определяют по формуле

. (6)

1.5. Погрешность измерения постоянной времени и предельной частоты должна быть в пределах ±15% с доверительной вероятностью *=0,997 и определяется по формулам (1) и (2) справочного приложения 2.

2. МЕТОД ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО РЕЗОНАНСА ДИОДА

2.1. Принцип и условия измерений

2.1.1. Постоянная времени или предельная частота на частоте последовательного резонанса диода должна определяться:

измерением частот и амплитудно-частотной характеристики измерительной камеры с диодом, на которых мощность в А раз больше, чем на резонансной частоте;

измерением ослабления измерительной камеры с диодом на резонансной частоте и измерением ослабления измерительной камеры без диода на той же частоте.

2.1.2. СВЧ-мощность , частота измерений , напряжение смещения , при которых производят измерения, должны приводиться в стандартах или технических условиях на диоды конкретных типов.

2.2. Аппаратура

2.2.1. Измерения следует производить на установке, электрическая структурная схема которой приведена на черт.2.

ГКЧ - генератор качающейся частоты; ИУ - индикаторное устройство; НО1, НО2, НО3 - направленные ответвители;
АФ - фиксированный аттенюатор; Ч - частотомер; АП - переменный аттенюатор; ИК - измерительная камера;
ИС - источник напряжения смещения; СН - согласованная нагрузка

Черт.2

2.2.2. Генератор ГКЧ и индикаторное устройство ИУ, входящие в состав автоматического измерителя , и ослабления, должны удовлетворять требованиям нормативно-технической документации, утвержденной в установленном порядке Госстандартом СССР.

2.2.3. Погрешность измерения частоты частотомером Ч должна быть в пределах ±0,01% - при измерении полосы частот , и не более 0,5% - при измерении ослабления Т.

2.2.4. Направленные ответвители HO1, HO2, НО3 должны отвечать следующим требованиям:

направленность не менее 25 дБ;

переходное ослабление должно быть в пределах 10-30 дБ;

входа и выхода не более 1,15.

2.2.5. Аттенюатор АФ должен иметь ослабление в пределах 5-10 дБ и не более 1,2.

2.2.6. Переменный аттенюатор АП должен иметь пределы изменения ослабления 0-40 дБ с погрешностью установки ослабления (0,15±0,005), где - вводимое ослабление, в дБ, аттенюатора не более 1,25.

2.2.7. Источник напряжения смещения ИС должен удовлетворять требованиям п.1.2.3.

2.2.8. Согласованная нагрузка СН должна иметь не более 1,1 в полосе резонансных частот измеряемых диодов.

2.2.9. Измерительная камера ИС при измерении полосы частот должна удовлетворять следующим требованиям:

высота волновода в плоскости включения измеряемого диода должна быть равна высоте корпуса диода. В случае коаксиальной линии расстояние между внутренним и внешним проводниками должно быть равно высоте корпуса диода;

камеры в полосе резонансных частот должен быть не более 1,2;

камера должна обеспечивать подачу на диод постоянного напряжения смещения;

значение измеряемого сигнала на частоте последовательного резонанса должно превышать уровень помех не менее чем на 3 дБ;

ослабление камеры с диодом на частоте последовательного резонанса должно быть не менее 6 дБ.

2.2.10. Измерительная камера ИК при измерении ослабления должна удовлетворять следующим требованиям:

камера в плоскости включения диода должна иметь волновое сопротивление , которое указывается в стандартах или технических условиях на измерительную установку;

камера должна иметь элементы настройки, позволяющие осуществить последовательный резонанс камеры с диодом и без диода на частоте , заданной в стандартах или технических условиях на диоды конкретных типов;

камеры на частоте - не более 1,06 при условиях, исключающих влияние элементов настройки.

Камера должна обеспечивать выполнение условия

.

2.3. Подготовка и проведение измерений

2.3.1. Устанавливают заданный режим измерений по мощности и частоте.

2.3.2. Калибруют генератор качающейся частоты и индикаторное устройство по ослаблению в соответствии с нормативно-технической документацией.

2.3.3. Устанавливают в измерительную камеру диод и подают напряжение смещения . Настраивают генератор качающейся частоты на резонансную частоту.

2.3.4. При измерении полосы частот расстраивают генератор в режиме ручной перестройки частоты в сторону верхних частот и измеряют частоту на которой мощность на выходе измерительной камеры измеряется в раз по сравнению с мощностью в минимуме резонансной характеристики. Аналогично при расстройке в сторону нижних частот измеряют частоту . Уровень отсчитывают по индикаторному устройству или аттенюатору АП.

2.3.5. При измерении ослабления настраивают измерительную камеру с диодом в резонанс на частоте и измеряют ослабление в минимуме резонансной характеристики. Извлекают диод из камеры и настраивают измерительную камеру без диода в резонанс на частоте и измеряют ослабление в минимуме резонансной характеристики.

2.4. Обработка результатов

2.4.1. Предельную частоту , в Гц, при измерении по п.2.3.4 определяют по формуле

, (7)

где , - измеренные частоты, Гц;

- уровень, показывающий, во сколько раз изменена мощность на выходе измерительной камеры при расстройке генератора до частот и по сравнению с мощностью на частоте последовательного резонанса диода.

2.4.2. Предельную частоту при измерении по п.2.3.5 определяют по формуле

, (8)

где - волновое сопротивление камеры в плоскости включения диода, Ом;

- емкость перехода диода при заданном напряжении смещения, измеренная по ГОСТ 18986.4-73, Ф;

- конструктивная емкость диода указывается в стандартах или технических условиях на диоды конкретных типов, Ф;

- последовательная индуктивность диода указывается в стандартах или технических условиях на диоды конкретных типов, Гн;

, - ослабления, измеренные по п.2.3.4, в разах;

- частота измерения, заданная в стандартах или технических условиях на диоды конкретных типов, Гц.

2.4.3. Постоянную времени , в секундах, определяют по формуле

. (9)

2.5. Погрешность измерения постоянной времени и предельной частоты должна быть в пределах ±15% с доверительной вероятностью 0,997 и определяется по формулам (3), (4) справочного приложения 2.

3. РЕЗОНАТОРНЫЙ МЕТОД

3.1.Принцип и условия измерений

3.1. Постоянную времени или предельную частоту диода следует определять измерением резонансной частоты камеры с диодом , частот и , на которых мощность на выходе камеры изменяется в раз по сравнению с мощностью на частоте резонанса.

3.1.2. СВЧ-мощность , диапазон резонансных частот, напряжение смещения , при которых производят измерения, должны приводиться в стандартах или технических условиях на диоды конкретных типов.

3.1.3. Частота измерений должна удовлетворять условиям

; ; ,

где - резонансная частота измерительной камеры с диодом, Гц;

- резонансная частота измерительной камеры без диода, Гц;

- частота последовательного резонанса, Гц;

- скорость света, мм/с;

- высота корпуса диода, мм.

3.2. Аппаратура

3.2.1. Измерения следует производить на установке, электрическая структурная схема которой приведена на черт.3.

ГКЧ - генератор качающейся частоты; ИУ - индикаторное устройство; НО1, НО2 - направленные ответвители;
АФ - фиксированный аттенюатор; Ч - частотомер; АП - переменный аттенюатор; ИК - измерительная камера;
ИС - источник напряжения смещения; ДС - детекторная секция

Черт.3

3.2.2. Элементы структурной схемы должны удовлетворять требованиям пп.2.2.2-2.2.7.

3.2.3. Детекторная секция ДС должна иметь не более 2 в диапазоне рабочих частот.

3.2.4. Измерительная камера ИК должна удовлетворять следующим требованиям:

обеспечивать подачу на диод постоянного напряжения смещения;

высота промежутка, в который помещают диод, должна быть равна высоте корпуса диода;

полоса пропускания камеры с диодом должна более чем в 3 раза превышать полосу пропускания камеры без диода, настроенной на ту же резонансную частоту с помощью подстроечных элементов;

значение измеряемого сигнала на резонансной частоте должно превышать уровень помех не менее чем на 3 дБ.

3.3. Подготовка и проведение измерений

3.3.1. Устанавливают заданный режим измерений по мощности и частоте.

3.3.2. Калибруют генератор качающейся частоты и индикаторное устройство по ослаблению. Конкретный порядок калибровки должен приводиться в стандартах или технических условиях на измерительную установку.

3.3.3. Устанавливают в измерительную камеру диод и подают напряжение смещения .

Настраивают генератор качающейся частоты на резонансную частоту и измеряют частоту .

Расстраивают генератор качающейся частоты в сторону верхних частот и измеряют частоту , на которой мощность на выходе измерительной камеры изменяется в раз по сравнению с мощностью на резонансной частоте камеры с диодом. Аналогично при расстройке генератора качающейся частоты в сторону нижних частот измеряют частоту . Значение отсчитывают по индикаторному устройству и аттенюатору АП. Определяют полосу частот в Гц по формуле

.

3.4. Обработка результатов

3.4.1. Предельную частоту диода в Гц определяют по формуле

, (10)

где - резонансная частота камеры без диода определяется при аттестации измерительной камеры, Гц;

- последовательная индуктивность диода указывается в стандартах или технических условиях на диоды конкретных типов, Гн;

- конструктивная емкость диода указывается в стандартах и технических условиях на диоды конкретных типов, Ф;

- емкость перехода диода при заданном напряжении смещения измеряется по ГОСТ 18986.4-73, Ф;

- полоса частот измерительной камеры без диода, настроенной на частоту с помощью подстроечных элементов. Определение в Гц производится методом, аналогичным изложенному в п.3.3.3.

3.4.2. Постоянную времени диода определяют в соответствии с п.2.4.3.

3.5. Показатели точности измерения

3.5.1. Погрешность измерения постоянной времени и предельной частоты должна быть в пределах ±15% с доверительной вероятностью 0,997 и определяется по формуле (5) справочного приложения 2.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 (рекомендуемое). ИЗМЕРЕНИЕ K(стU) МЕТОДОМ УДВОЕННОГО МИНИМУМА

ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Рекомендуемое

     
ИЗМЕРЕНИЕ МЕТОДОМ УДВОЕННОГО МИНИМУМА

1. Для измерения больших может быть использован метод "удвоенного минимума", основанный на измерении поля вблизи минимума стоячей волны напряжения.

2. Измерение производится на установке, электрическая структурная схема которой приведена на черт.1.

Г - генератор СВЧ мощности; АР - аттенюатор развязывающий; ИЛ - измерительная линия;
ИН - измеряемая нагрузка; ИП - индикаторный прибор

Черт.1

3. Измерение производят следующим образом:

установить каретку измерительной линии (зонд) в минимум напряженности поля стоячей волны;

определить расстояние между двумя положениями зонда по обе стороны минимума , в которых показания индикатора в два раза больше показания индикатора в минимуме (черт.2);

вычислить по формуле

, (1)

где - расстояние между двумя положениями зонда, мм;

- длина волны в линии передачи, на которой производят измерение, мм.

Черт.2

При 0,12 и квадратичности детектора линии формулу (1) можно заменить более простой формулой

. (2)

При этом ошибка при вычислении не будет превышать 1%.

Относительную погрешность измерения методом удвоенного минимума можно определить по формуле

, (3)

где

; (4)

; (5)

- относительная погрешность измерения отношения напряжений;

- относительная погрешность измерения расстояния между двумя положениями зонда;

- относительная погрешность измерения длины волны в линии.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 (справочное). РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ И ПРЕДЕЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Справочное

1. Метод четырехполюсника

1.1. Погрешность измерения постоянной времени, определяемой по формулам (2) и (4) настоящего стандарта, рассчитывается по формуле

(1)

где , , , , - определяют по формулам

;

;

;

.

, , ; - относительные погрешности соответствующих величин, обозначенных в соответствии с пп.1.3.2-1.3.4 настоящего стандарта.

Погрешность определяется по формуле

,

где , , - определяются по формулам

;

где , - относительные погрешности измерения и .

1.2. Погрешность измерения постоянной времени, определяемой по формуле (5) настоящего стандарта, рассчитывается по формуле

(2)

где ; ; ; ; - определяются по формулам, указанным в п.1.1 настоящего приложения.

Погрешность измерения определяется по формуле

,

где - относительная погрешность емкостей и .

1.3. Пример расчета погрешности формул (1) и (2) настоящего приложения.

1.3.1. Исходные данные для расчета 32 мм; 0,5%; 4,3 мм; 0,745%; ;

80 (0,127 мм; 25,2%); 1,5%; 3,2 мм;

1%; 15 (0,68 мм; 4,7%) 0,0124 Ом; 7%.

%;

%;

%.

1.3.3. Подставляя полученные значения в формулу (1), получим

1.3.4. Подставляя полученные значения в формулу (2), получим

2. Метод последовательного резонанса диода

2.1. Погрешность измерения предельной частоты, определяемой по формуле (7) настоящего стандарта, рассчитывается по формуле

, (3)

где ; - относительные погрешности измерения частоты частотомером, %;

- относительная погрешность измерения уровня , %.

2.2. Погрешность измерения предельной частоты, определяемой по формуле (8) настоящего стандарта, рассчитывается по формуле

, (4)

где ; ; ; ; - определяют по формулам

;

;

; ;

.

; ; ; ; ; ; - относительные погрешности соответствующих величин в процентах, обозначенных в п.2.4.2.

Относительная погрешность измерения частоты мала по сравнению с остальными погрешностями, и ею можно пренебречь.

2.3. Пример расчета погрешности

2.3.1. Исходные данные для расчета формулы (3):

1920 МГц; 1960 МГц;

±0,01%;

3,16 раза (5 дБ);

±15% (±0,6 дБ).

Подставляя приведенные данные в формулу (3), получим

2.3.2. Исходные данные для расчета по формуле (4):

2 пФ; 5%;

0,4 пФ; 5%;

20 Ом; 5%;

0,2 нГн; 35%;

63; 1000;

10%; 10%; 2 ГГц.

Подставляя приведенные данные в формулу (4), получим

3. Резонаторный метод

3.1. Погрешность измерения предельной частоты, определяемой по формуле (10) настоящего стандарта, рассчитывается по формуле

, (5)

где ; ; ; ; - определяют по формулам:

;

;

;

;

;

; ; ; ; ; - относительные погрешности соответствующих величин в процентах, обозначенных в п.3.4.1.

Погрешности, вносимые в формулу (5) за счет погрешностей измерения ; и , малы по сравнению с остальными погрешностями, и ими можно пренебречь.

3.2. Пример расчета погрешности

3.2.1. Исходные данные для расчета формулы (5)

1960 МГц; 16 МГц; 0,8 пФ;

3,16 раза (5 дБ); 4 МГц;

2400 МГц; 0,2 пФ; 0,52 нГн;

±10%; ±15% (±0,6 дБ);

4,9%; 1,2%; 5%.

Подставляя полученные данные в формулу (5), получим