1.2 Выключатели как элемент коммутаторов

В настоящее время получили распространение три основных способа включения диода в линию передачи:

а) параллельно линии передачи;

б) через трансформирующий отрезок;

в) последовательно с линией передачи.

При создании коммутаторов наиболее приемлемы варианты (а) и (в). Рассмотрим выключатели с параллельным включением диода. Допус­тим, диод имеет бескорпусное исполнение. Тогда эквивалентная схема выключателя будет выглядеть следующим образом:

Рис.1.2. Эквивалентная схема параллельного включения диода

в линию передачи.

При обратном смещении активное сопротивление i-слоя R, велико, следовательно, можно рассматривать лишь шунтирующее действие емкости диода. Установлено, что в линии с волновым сопротивлением 50 Ом, допустимый уровень согласования, при КcTu ≤ 1,5 для частот f≤20ГГц, обеспечивается применением диодов с емкостью С ≤0,05пФ.

Величиной емкости диода определяется его критическая частота:

(1.1)

где - прямое сопротивление потерь переключательного диода, явля­ется одним из параметров, характеризующих качество переключательного диода; - обратное сопротивление потерь переключательного диода, для последовательной эквивалентной схемы, зависящее от об­ратного напряжения. Для современных диодов практически всегда справедливо неравенство:

<<1/2 . (1.2)

Для уменьшения шунтирующего действия емкости диода напрашивается вариант создания на ее основе параллельного резонансного кон­тура за счет включения компенсирующей индуктивности. Теоретически самой простой реализацией компенсирующей индуктивности L являет­ся вариант в виде сосредоточенного индуктивного элемента. И такое исполнение возможно практически на частотах дециметрового диапа­зона.

Таким образом, в режиме пропускания схема параллельного включения диода представляет собой параллельный колебательный контур, состоящий из сосредоточенной индуктивности и емкости закрытого диода. В этом случае потери пропускания можно оценить по выраже­нию:

(1.3)

где добротность контура (Во – нормированная проводимость емкостной ветви контура на резонансной частоте ω =ω о); = (ω / ω о )-( ω о/ ω ) - частотная переменная (ω о - частота резонанса, ω -текущая частота).

Пример 1.1 Рассчитать потери пропускания линии (zo= 50 Ом) с параллельно включенным диодом КА536А-5 (С= 0,1 пФ) в режиме обрат­ного смещения, на частоте f = 11 ГГц, при f0 = 10 ГГц ( = 0,191).

или Ln =0,0038 дБ.

Заметим для сравнения: при С= 0,5 пФ, Ln = 0,0965 дБ.

Более применим метод компенсации емкости диода с помощью короткозамкнутого шлейфа (рисунок 1.3).

В данной схеме, изменяя волновую проводимость короткозамкнутого шлейфа и его длину, при неизменной резонансной частоте выключа­теля в режиме пропускания можно изменять нагруженную добротность эквивалентного параллельного колебательного контура.

(1.4)

Потери пропускания в таком варианте могут быть оценены по следующему выражению [2]

(1.5)

где - нормированная частота, Вш - нормированная волновая проводимость шлейфа;

Вд - нормированная реактивная проводимость диода на резонансной частоте; - электрическая длина шлейфа на той же частоте.

Рис. 1.3. Компенсация емкости диода короткозамкнутым шлейфом:

а) эквивалентная схема, б) возможный вариант реализации: 1 – микрополосковая линия; 2 - бескорпусной диод; 3 - соединительная плоская перемычка; 4 - шлейф с высоким волновым сопротивлением; 5 - коротко-замыкающая втулка;6 – блокировочный керамический конденсатор.

Продолжим рассмотрение примера 1.1:

Примем ; Вш =0,5; В =0,314.

Найдем

Тогда или дБ.

Рассмотрим теперь свойства схемы параллельного включения диода в режиме запирания: через диод протекает прямой ток и сопротивление диода практически равно гпр. В данном случае рост полного сопротивления на рабочей частоте может вызвать индуктивность выводов. Если модуль индуктивного сопротивления выводов диода много меньше сопротивления базы отнрытого диода, то последовательной компенсации не требуется и вносимое затухание в этом режиме можно оценить по выражению:

(1.6)

Например, для того же диода (КА536А-5), будем иметь:

или дБ.

При наличии заметного индуктивного сопротивления, модуль которого соизмерим с сопротивлением базы открытого диода, необходима компенсация индуктивности вывода, которая может быть произведена включением последовательной емкости, выполняющей одновременно функции блокировочного конденсатора, предназначенного для разде­ления сигналов СВЧ и управления.

На рисунке 1.4. показана функциональная схема и вариант реализации параллельного включения диода, с последовательным компенсирующим элементом.

Для схемы параллельного включения диода с компенсирующей емкостью потери запирания можно оценить по следующей формуле:

(1.7)

Например, для диода НА536А-5, имеем:

или L3= 30,47 дБ.

Рис. 1.4. Параллельное включение переключательного диода в МПЛ, с после­довательной компенсирующей емкостью: а) эквивалентная схема параллельно включенного диода, с последовательной цепью компенсации, в режиме прямого смещения; б) вариант реализации на МПЛ: 1 - подложка из поликора; 2 - керамиче­ская шайба; 3 - диододержатель бескорпусного диода; 4 - бескорпусной диод; 5 - пе­ремычка из медной или золотой фольги; 6 - проводник МПЛ; 7 - дроссель - либо ко­роткого замыкания, либо цепи подачи управляющего напряжения.

Использование керамической шайбы в качестве компенсирующей емкости имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что при определенных условиях потери запирания уменьшаются практиче­ски до нуля. Такое явление имеет место тогда, когда возникающие в керамической шайбе радиальные волны образуют пучности по периметру шайбы, трансформирующиеся в пучность электрического поля вблизи центра шайбы. Такое явление может возникнуть при условии, что радиус шайбы приблизительно равен половине длины радиальной волны в диэлектрике шайбы. Общим недостатком параллельного включения пе­реключательных диодов является необходимость сверления отверстий в керамической подложке. На рисунке 1.5 показан вариант построения выключателя с параллельным включением диода, в котором указанные недостатки в какой-то мере устранены.

Рис. 1.5. Выключатель с параллельно включенным диодом, с компенсирую­щим короткозамкнутым шлейфом и разомкнутым шлейфом, в роли блокировочного элемента: а) вариант реализации: 1 - бескорпусной диод; 2 - разомкнутый низкоомный четвертьволновый шлейф; 3 - перемычка; 4 - компенсирующий короткозамкнутый шлейф; 5 - короткое замыкание через край платы; 6 - высокоомный четверть­волновый участок фильтра цепи управления; 7 - низкоомный четвертьволновый ра­зомкнутый участок фильтра цепи управления; 8 - контактная площадка цепи управ­ления; б) эквивалентная схема выключателя: Вш - нормированная проводимость шлейфа, - нормированное волновое сопротивление разомкнутого шлейфа; и - электрические длины.

Нагруженную добротность схемы такого выключателя можно оценить по следующему выражению:

. (1.8)

Чтобы добротность схемы была равна добротности варианта с компенсирующим шлейфом (рисунок 1.З.), необходимо соблюдать условие: .

Пример 1.2. Приняв , zo= 50 Ом найти нагруженную доброт­ность выключателя, представленного на рисунке 1.5. Используя (1.8) найдем добротность схемы.

В соответствии с (1.1) и (1.7), получаем:

Zn= 1,00335 или Ln= 0,0145 дБ

и Z3= 299,1 или Z,3= 24,76 дБ.

Если требуется увеличить потери запирания при сравнительно небольшом увеличении потерь пропускания, то используют в выключателях два диода, разделенных четвертьволновым отрезком линии передачи. Эквивалентная схема такого соединения показана на рисунке 1.6.

Рис. 1.6. Эквивалентная схема выключателя, с двумя параллельно включенными в линию на расстоянии диодами.

В режиме закрытых диодов и скомпенсированной емкостной прово­димости В = 0 потери пропускания будут равны:

(1.9)

где - нормированная активная проводимость закрытого диода.

При открытом диоде потери запирания оцениваются выражением:

, (1.10)

а при N каскадно включенных диодах:

(1.11)

где - затухание одиночного диода. Схема с последовательным включением диода нашла широкое применение в микрополосковых вы­ключателях малого уровня мощности. Она обладает приемлемыми потерями пропускания, а при использовании диодов с малой емкостью, позволяет получить хорошее развязывающее действие.

На рисунке 1.7 показан вариант такого выключателя.

Рис. 1.7. Выключатель, с последовательно включенным диодом:

а) схема электрическая принципиальная; б) реализация на микрополосковой ли­нии: 1 - диод переключательный; 2 - проводник МПЛ; 3 -дроссель короткого замыка­ния, выполненный в виде четвертьволнового высокоомного (80-90 Ом) участка МПЛ; 4 - короткое замыкание через край линии; 5 - высокоомный четвертьволновый уча­сток МПЛ фильтра цепи управления; 6 - низкоомный (15 30 Ом) четвертьволновый участок МПЛ фильтра цепи управления; 7 - контактная площадка цепи управления переключательным диодом.

В открытом состоянии диод представляет собой активное сопротивление rпр и потери пропускания могут быть найдены из следующего выражения:

Zn=1 + R⁺. (1.12)

где R⁺ = rпр /z0.

Например, при rпр = 1,5 Ом и zc= 50 Ом, Zn= 1,03 или Ln= 0,128 дБ.

В закрытом состоянии полное сопротивление диода может быть представлено выражением:

, (1.13)

где - нормированное к z0 емкостное сопротивление диода. Для увеличения развязывающего действия, в данном случае, необходи­мо было бы применить компенсацию емкости включением параллельно диоду индуктивности. Но из-за технологических трудностей и трудно­стей подачи управляющих сигналов такая компенсация применяется редко.

При больших значениях R_ потери в закрытом состоянии диода определяются следующим выражением:

. (1.14)

Например, для диода КА536А-5, имеющего С= (0,О8 0,1б) пФ на час­тоте f= 6 ГГц и волновом сопротивлении МПЛ Zo= 50 Ом потери запирания находятся в пределах от 10,4 дБ до 4,4 дБ. Как видим, значение изоляции невелико. Для увеличения затухания в закрытом состоянии устанавливают несколько диодов, разделенных отрезками линии элек­трической длиной , например, два, т.е. каскадно соединяют два выключателя. В этом случае потери пропускания и потери запирания определяются по следующим выражениям:

, . (1.15)

Потери пропускания практически увеличиваются в два раза, а потери выключателя в режиме "выключено" для рассмотренного выше примера составят 26,8 дБ и 14,81 дБ для крайних значений емкости диода соот­ветственно.

Широкое применение как элемент коммутационных устройств находит простая и компактная схема с параллельно-последовательным включением диода (рисунок 1.8.).

Рис. 1.8. Выключатель с параллельно-последовательным

включением диодов: а) схема электрическая принципиальная; б) эквивалентная схема, в режиме пропускания; в) эквивалентная схема, в режиме запирания.

В режиме пропускания при малой емкостной проводимости параллельно включенного диода или ее компенсации с учетом того, что , а , потери пропускания можно найти из формулы:

(1.16)

где R⁺ и R_ - нормированные относительно волнового сопротивления МПЛ сопротивления диода при прямом и обратном смещении соответственно.

В режиме запирания, с учетом того, что , потери определяются следующим образом:

. (1.17)

Допустим, что оба диода КА536А-5 (С= 0,08 0,16 пФ, rпр = 1,5 Ом), то на частоте f= 6 ГГц

или L3 = 10\gZ3 = 10lg 12228 =40,87дБ.

И числовые примеры, и выражение (1.16) показывают, что в схеме с параллельно-последовательным включением диодов потери запирания в децибелах превышают на 6 дБ сумму потерь запирания, обеспечивае­мых порознь схемами с последовательно включенным диодом с малой емкостью и параллельно включенным диодом с малым сопротивлени­ем.

Последовательно-параллельное включение диодов успешно используется в качестве элементов выключателей и коммутаторов [4].