Коммутационные свч диоды. Дискретные фазовращатели на коммутационных диодах: отражательные фазовращатели, проходные фазовращатели.

Коммутационные диоды позволяют управлять прохождением колебаний в трактах СВЧ при импульсной мощности до 100 кВт и при средней мощности до 1 кВт. В наиболее распространенных p-i-n-диодах (рис. 1) сильнолегированные торцевые р- и n-слои полупроводниковой пластинки разделены высокоомной областью с электропроводностью собственного типа (эту область обычно называют базой диода). Торцевые поверхности диода диаметром около 1 мм, прилегающие к р- и n-слоям, металлизируют и исполь­зуют в качестве выводов. При нулевом или обратном напряжении смещения на диоде контактные разности потенциалов p-i- и i -n-переходов препятствуют проникновению свободных носителей заряда из р- и n-областей в базу диода и диод обладает большим сопро­тивлением (единицы или десятки килоом). Вследствие значительной толщины базы (несколько сотен микрометров) диод оказыва­ется инерционным элементом. При подаче колебаний СВЧ на закрытый p-i-n диод не наблюдается эффекта выпрямления, так как за положительный полупериод колебаний в базе диода не успевают накопиться свободные носители заряда. Закрытый p-i-n-диод при обратном напряжении смещения и даже без него может вы­держивать без проявления свойств нелинейности напряжения СВЧ до 10³ В. Поэтому схему замещения закрытого p-i-n-диода (рис. 1, б) представляют в виде или параллельного соединения боль­шого (несколько килоом) активного сопротивления R и общей ем­кости диода С=0,3÷1 пФ, или последовательного соединения не­большого (несколько ом) активного сопротивления r_, учитывающего потери, и емкости базы С_. При подаче на диод положитель­ного управляющего смещения 1—2 В полупроводниковые переходы отпираются, база диода заполняется свободными носителями за­ряда— дырками из р-слоя и электронами из n-слоя — и сопротив­ление базы резко уменьшается. Для поддержания малого сопро­тивления базы необходим постоянный ток 1—200 мА, возмещаю­щий потери носителей заряда из-за рекомбинации электронов и дырок. Открытый диод способен пропускать токи СВЧ до 100 А при сохранении низкого сопротивления, так как отрицательная по­луволна колебания СВЧ не успевает вытянуть из базы диода часть пространственного заряда. Схема замещения открытого p-i-n-диода состоит из единственного активного сопротивления r+ (несколько ом), однако при наличии корпуса в эту схему иногда добавляют небольшую индуктивность вывода L_s (рис. 1, в).

Рис. 1. Диод типа p-i-n и его схемы замещения:

а — устройство диода;

б — диод в закрытом состоянии;

в — диод в открытом состоянии

Дискретные фазовращатели на коммутационных диодах

О тражательные фазовращатели. В качестве прототипа двухпозиционного отражательного фазовращателя обычно используют схе­му рис. 2, в которой параметры реактивного трансформирую­щего четырехполюсника выбираются из следующих условий:

1) разность фаз входных коэффициентов отражения в двух состоя­ниях диода должна быть равна заданному дискрету фазы: ∆φ=|φ₂-φ₁|;

2) модули коэффициентов отражения (р' и р") в двух состояниях диодов должны быть равны между собой и как можно меньше отличаться от единицы — это так называемая оптимизации фазовращателя по потерям.

Омические потери в отражательном фазовращателе принято оце­нивать вносимым ослаблением, L=l/p². Анализ показывает, что при равенстве модулей коэффициентов отражения р' = р" вносимое ослабление оказывается равным

(*)

т .е. не зависит от параметров реактивного трансформирующего четырехполюсника и определяется только заданным дискретом фа­зы и параметром качества диода. Заметим, что канонический ком­мутационный элемент с парой сопротивлений (r, Кr) можно рас­сматривать как отражательный фазовращатель с дискретом фазы π. Многопозиционные отражательные фазовращатели часто выпол­няют в виде отрезка линии передачи, шунтированного в ряде сечений каноническими коммутационными элементами (рис. 3).

Один из коммутационных элементов с низким сопротивлением (r<<1) “закорачивает” линию передачи, а остальные коммутацион­ные элементы имеют высокие сопротивления (Кr>>1) и не оказы­вают влияния на фазу коэффициента отражения. При переключе­нии коммутационных элементов изменяется положение плоскости короткого замыкания в линии передачи и фазы коэффициента отра­жения.

Проходные фазовращатели должны обеспечивать заданную разность фаз коэффициентов передачи ∆φ=|φ₂-φ₁| в двух состояни­ях при условии согласования входов и при минимальном вносимом ослаблении мощности.

Одним из простейших является проходной диодный фазовращатель на переключаемых отрезках линии передачи (рис. 4).

Изменение фазы коэффициента передачи на ∆φ=β(l₂-l₁) происходит в результате изменения пути прохождения колебаний — по отрезку l₂ или по отрезку l₁—осуществляемого диодными выключателями. Анализ показывает, что вносимое ослабление в таком фазовращателе при использовании диодов с параметром качества К>100 ма­ло зависит от величины ∆φ, примерно одинаково в каждом фазовом состоянии и определяется выражением L=l/|s₂₁|²≈ 1 + 4/ т. е. соответствует максимальному значению ослабления, даваемого формулой (*). Поэтому проходные фазовращатели на переклю­чаемых отрезках линии передачи невыгодны при малых фазовых сдвигах.