|
| |
|
Слаботочка Книги ханической прочностью, хорошим теплоОтВодом (низкиМ тепловым сопротивлением) и весьма малыми значениями L„ и Ск. В табл. 1.2 [16-21, 27] приведены параметры переключательных и ограничительных диодов см диапазона при нормальной окружающей температуре (см. сноску   Рис. 1.16. Бескорпусный п-1-p-i-n диод см диапазона типа 2А505: а) конструкция; б) размещение в резонансной волноводной диафрагме - вставке; /) вывод для управляющего напряжения; 2) р-1-п структуры; 3) резонансная щель; 4) изоляционная трубка. на стр. 58). Следует учитывать, что параметры диодов несколько меняются с изменением окружающей температуры и зависят от величины тока 1+ и напряжения Uq [18, 19]. б) Диодные выключатели и ограничители Основными характеристиками диодных выключателей и ограничителей, зависящими не только от параметров диодов, но и ч значительной етепени от схемы и конструкции этих устройств, являются: потери пропускания (Lnp) в ."остоянии «открыто» (сигнал от входа к выходу проходит с малым ослаблением), потери запирания (i-san) в состоянии «закрыто» (сигнал от входа к выходу проходит с большим ослаблением), полоса пропускания (А/ или A fo), в пределах которой со.храняются значе-70   ния Lnp и L3,nn. Переход из одного состояния в другое происходит в выключателе под воздействием управляющего напряжения (изменение смещения), в ограничителе- при изменении уровня СВЧ монщости. В этом их основное отличие. Сходство же выключателя и ограничителя заключается в том, что их переход из одного состояния в другое вызывается одной и той же причиной - аналогичным по характеру изменением импеданса диода. Именно поэтому принципы проектирования диодных выключателей и ограничителей в значительной степени совпадают. Рассмотрим основы проектирования выключателей, а затем отметим особенности характеристик и построения ограничителей (подробное изложение этих вопросов см. в [16, 17]). В типичных волноводных выключателях результирующий импеданс диода (со вспомогательными элементами для настройки) включается параллельно линии передачи (рис. 1.17). Потери передачи мощности в такой схеме [15, 16] Рис. 1.17. Эквивалентная схема включения диода в линию передачи с согл асов а иными генератором и нагрузкой: И7 - волновое сопротивление линнн; 2 -импеданс диода. Lnp,3an=ll + l/2Z2 (1.5) определяются соотношением волнового сопротивления линии и параллельного ей импеданса Z. Существует теория оптимизации СВЧ коммутационных устройств [16], согласно которой для любой конструкции выключателя, при любом способе включения диода в волновод с любыми дополнигельными реактивными элементами (штыри, диафрагмы и др.) максимальное отйошение Lgan/Lnp получается тогда, когда Z - чисто активное коммутируемое сопротивление, равное RaW - в состоянии пропускания, r3<W -в состоянии запирания. В этом случае Lnp = (1 + Ш2Рэ) L3an= (1 + Г/2гэ) 2. (1.6) В таком оптимизированном выключателе (другие далее ие рассматриваются) при задании величины, например Lnp, потери запирания не могут превосходить величины, определяемой формулой (1.3) для заданных значений Lnp и Kji- Таким образом, качество диода определяет предельно возможные потери Lgan при заданных Lnp и наоборот. Заметим, что из (1.3) с учетом (1.6) следует (1.7) :„=Pэ/rэ. (1.8) Задание той или иной величины Lnp или Loan при заданном качестве /Сд производится, как это следует из (1.6), выбором соответствующего значения W (метод измерения последнего см. в [19, 23]). В режиме гвапирания рассматриваемый здесь выключатель {ra<W), как и РЗП, почти всю падающую мощность отражает, и лишь небольшая ее часть поглощается в сотротиБлении Лч, вызывая нагрев, главным образом, диодной структуры (активные потери последней преобладают по сравнению с другими источниками потерь). Можно показать, что потери отражения (или потери передачи в режиме отражения), например, высокого уровня мощности равны /-iiep - /sanJLjaa 1) Lsan - /nep/d /-пер O- (1.9) Из (1.3) и (1.9) следует, что все виды потерь выключателя (Lnp, Laan, Lnep) вззимосвязаны И опрсделяются качество.м диода. Поэтому для их расчета необходимо предварительно задаться величиной одного из наиболее важных видов потерь, и далее, зная качество диода, рассчитать остальные. Заданный вид потерь, как уже указывалось, должен быть обеспечен при проектировании выключателя выбором по формулам (1.6) соответствующего значения W эквивалентной линии передачи на основе известных параметров диода. Например, для выключателя 3-см диапазона при Сд = 300 (типичное качество диодов см диапазона) задаем Lnp=0,5 дб. По формулам (1.7), (1.9) получаем L3an = 25,6 дб, /,,.ср=0,47 дб. Заметим, что при том же качестве диода и малых потерях Lnp величина Lan может быть значительно увеличена, если в выключателе использовать ие один, а два или более дпода, включенных, например, вдоль линии передачи на расстояниях Л/4 друг от друга [16]. Поскольку для получения наилучших характеристик потерь коммутируемый импеданс Z (рис. 1.17) должен 72 быть чисто активным, а ДиоД -всегда содержит реактивности (как минимум - емкость структуры в бескорпусном диоде), то в схеме и в конструкции выключателя в общем случае должны быть предусмотрены компенсирующие реактивности, обеспечивающие резонанс в обоих состояниях [16]. При использовании резонансных диодов (см. выше) в простейшем случае выключатель не содержит дополнительных элементов (рис. 1.18,а): оба резонанса обеспечиваются самим диодом (рис. 1.13,6, в).  и LS. Рис. 1.18. Примеры конструкций волноводных выключателей с резонансным (а) и нерезонансным (б) диодами: / - резонансный днод; 2 - СВЧ дроссель; 3 - диэлектрические прокладки; 4 - вывод для управляющего напряжения; 5 - изоляционная трубка: - Я-волновод с плавными переходами иа прямоугольный волновод; 7 - n-i-p-i-n структура. При этом частота параллельного резонанса (Lk, Ск) при прямом смещении должна приблизительно равняться рабочей частоте выключателя, а последовательный резонанс на этой же частоте при обратном смещении устанавливают регулировкой смещения Lo (изменением емкости С). В случае значительного отличия резонансной частоты диода от рабочей в конструкцию выключателя вводят реактивные подстроечные элементы (ко-роткозамкнутые регулируемые отрезки коаксиала, штыри и др.). Заметим, что СВЧ дроссели, показанные на рис. 1.18,а (два четвертьволновых последовательно сое-диненныч коаксиальных отрезка, вложенных друг в друга: наружный - короткозамкнутый, внутренний - разом- кнутый ча конце) играют вспомогательную роль. Они служат для изоляции выводов диода по постоянному (лодача смещения) или по относительно низкочастотному току при одновременном бесконтактном коротком за. мыкании этих выводов с волноводом по СВЧ. Другая частая причина их использования - необходимость обеспечить соединение (контакт) ниппеля диода с ответным гнездом в виде цанги (на рис. 1.18,а разрезы цанги не показаны), Подобные дроссели широко используют в СВЧ устройствах на полупроводниковых диодах. Вопросы их проектирования рассмотрены в [12, гл. XIV]. В зависимости от того, какое состояние выключателя соответствует прямому смещению- состояние запирания или пропускания, различают прямую и инверсную схему соответственно. Примером инверсного выключателя является рис. 1.18,а. Если в выключателе подобного устройства резонансный диод поместить в конце четвертьволнового коаксиального шлейфа (см. рис. 1.20), получится выключатель по прямой схеме. Так как при обратном смещении рабочий уровень мощности диода, как уже отмечалось, значительно меньше, чем при прямом, то очевидно, что у инверсного выключателя в режиме запирания рабочая мощность тоже существенно меньше, чем у прямого. С другой стороны, в рассматриваемых в данной главе АП и УЗП высокий уровень мощности действует именно в режиме запирания, а на низком уровне сигнала должен быть режим пропускания. Поэтому в схемах АП и УЗП следует использовать только прямую схему выключателя. Примерами прямых схем выключателей на n-i-p-i-n диодах являются рис. 1.16,6 и 1.18,6. В первом из них емкость диодной структуры вместе с диафрагмой, помещаемой в поперечном сечении волновода, создают при нулевом (или обратном) смещении резонансную щель, эквивалентную параллельному резонансному контуру (режим пропускания). При прямом смещении этот контур практически закорачивается малым сопротивлепием г+ (режим запирания). Аналогично работает и выключатель на Я-волноводе (рис. 1.18,6), причем компенсация емкостной проводимости структуры в режиме пропускания может производиться, например, с помощью индуктивных диафрагм, располагаемых в плоскости диода. На волнах «ороче 3 см используют распределенные n-i-p-i-n структуры в виде пластины, длина которой вдоль волновода равна целому числу полуволн в материале полупроводника (рис. 1.18,6; см. [16, стр 554]). В прямой схеме выключателя (далее рассматриваем только ее) с учетом (1.3) и (1.8) можно считать: (1.10) Сопротизления г+ и г обычно имеют величину порядка одного или нескольких ом. Следовательно, при Кз,= = 200-800 сопротивление Ro имеет величину от нескольких сот до 1000 и более ом. Полоса пропускания выключателя, в пределах которой Lnp Lnp макс, Laan5 Laan мин (ГДС Lnp макс, Lsan мин - заданные значения), зависит как от параметров диода, так и от конструкции выключателя. В простейших резонансных выключателях приближенная оценка полосы пропускания может быть произведена по соотношению (полученному в предположении Г-~г+ [15]) (1.11) Например, при /Сд = 300 имеем А /о~5,8%. Существенно большие полосы пропускания можно получить в выключателях с несколькими последовательно (вдоль линии) включенными диодами, однако при этом обычно возрастают потери Lnp [16]. Типичные значения основных характеристик однодиодных выключателей на см и длинных м.ч вол)1ах лежат в следующих пределах: L„p=0,5-r-l,5 дб, 1зап = 20-30 дв, L„ep=0,3-l дб, Д/Яо= = 2-10%. Диодные выключатели могут применяться на см и мм волнах при Римакп < 100 кет как элементы схем БАП и УЗП только при использовании p-i-n диодов, при этом для уменьшения времени восстановления до величины не более нескольких микросекунд необходимо поддерживать на диоде отрицательное смещение в десятки или сотни вольт (на которое во время импульса передатчика накладывается импульс прямого смещения). Диоды со структурой р-п, как правило, для указанных целей непригодны, так как для них Римакс<1 кет. Их примене-нение может оказаться целесообразным только в некоторых частных случаях, например для обеспечения дополнительной защиты после РЗП. Переключение диода при его работе в составе АП или УЗП производится импуль- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 [10] 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 |
|||||||||||||||||