Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. Сиверса А.П. 1976г

1й [икс}, характеризующее время после окончания входного импуль­ са СВЧ, в течение которого потери РЗГ1 снизятся до условной ве­ личины Lnp + 6 дБ (иногда £Пр + 3 дБ). Максимальные значе­ ния параметров (за исключением величины Пгаб//'о, которая яв­ ляется минимальной) широкополосных РЗП сантиметровых и мил­ лиметровых волн приведены в табл. 4.7. Устройство, свойства и ха­ рактеристики РЗП подробно рассмотрены в [91.

Диодный ограничитель, в отличие от РЗП, как правило, не тре­ бует никаких питающих напряжений и поэтому обеспечивает затягу как при включенной, так и при выключенной аппаратуре. Он ха-

Активным элементом ограничителя является полупроводниковый ограничительный диод, импеданс которого изменяется при измене­ нии мощности воздействующего сигнала. Полупроводниковая струк­ тура ограничительного диода может быть р—п- и p—i—п-тша, но чаще она ближе к р—п-типу [91. Конструктивно ограничитель­ ные диоды, как и все другие типы СВЧ диодов, могут быть корпус­ ными и бескорпусными. В первых (рис. 4.35) полупроводниковая структура заключена в герметичный корпус (обычно керамический), с металлическими выводами. У вторых полупроводниковая струк­ тура либо не содержит никаких элементов корпуса, либо имеет ме­ таллическое или керамическое основание и заливку электроизоля­ ционной смолой, подобно таблеточной конструкции диода (рис. 4.37).

Конструктивная емкость корпуса Ск011 бескорпусного диода (рис. 4.36) обычно весьма мала (не более 0,05 пФ). Последователь­ ная индуктивность вводов диода Lnoc - 0,2 ... 2нГ. Емкость корпу­ са миниатюрных корпусных диодов равна Ск011 = 0,1 ... 0,4 пФ.

Основными параметрами ограничительного диода являются не­ линейная емкость перехода (Спер) и эквивалентные сопротивления потерь диода на низком (гниз) и высоком (гВЫс) уровнях мощности (рис. 4.36). Обобщенным параметром диода является его критиче­ ская частота

равная такой рабочей частоте, на которой Lap — L3fint т. е. отсутст­ вует ограничение. На практике значения этих -параметров для Диодов сантиметровых и миллиметровых волн лежат в следующих пределах: Спер — от сотых долей до одной пикофарады, гшм

зов

от единиц до 20—30 Ом, гвыо — от десятых долей до единиц ом,

—от десятков до сотен гигагерц (нижний предел Спер и верхний предел остальных параметров соответствуют миллиметровым вол­ нам). Например, бескорпусный ограничительный диод сантиметро­

Характерная особенность ограничительных диодов заключается в том, что, начиная с некоторого низкого уровня мощности (порядка 1 мВт), называемого порогом ограничения (Рпор), импеданс их полу­ проводниковой структуры быстро уменьшается с увеличением пада­

вспомогательными элементами, предназначенными для настройки, включают параллельно линии передачи, по которой проходит сиг­ нал. Следовательно, эквивалентная схема включения ограничителя

втракт представляет собой параллельное соединение импеданса Z

слинией, имеющей волновое сопротивление W и нагруженной на согласованные источник сигнала и нагрузку [91. Как следует из теории, максимальное отношение L3an/Lnv получается тогда, когда Z — чисто активное коммутируемое сопротивление, величина ко­ торого R:) в состоянии пропускания'много больше сопротивления

U7 (Pa W7). а в состоянии запирания оно равно гэ и много меньше величины W lr:i<PW). Для получения чисто активного сопротив­ ления необходимо в обоих состояниях схемы обеспечить резонанс, что характерно для ограничителей, называемых резонансными. Далее рассматриваем только такие ограничители. В этом случае

с помощью (4.107) и (4.105) рассчитывают необходимую величину волнового сопротивления W основной линии передачи, при котором будут обеспечиваться эти значения потерь. Следует учитывать, что, как видно из (4.106), при заданных параметрах диода величины Lnp и £зап взаимосвязаны: выбор одной из них однозначно опреде­ ляет и другую согласно соотношениям

kp = [1 +Г(У1^-1)/ад = +/кр(У LTpWT

(4.108)

204

Потери запирания ограничителя можно существенно увеличить, если использовать не один, а два диода (или более), включенных вдоль линии передачи на расстояниях Л/4 друг от друга [17], при этом потери Тпр возрастут незначительно.

Полоса рабочих частот Праб, в пределах которой потери пропус­ кания не превышают, а потери запирания не ниже заданных значе­ ний, зависит как от параметров диода, так и от схемно-конструк­

тельно отличаться, вследствие чего отличаются также рабочие по­ лосы частот на низком Праб ниа и высоком Праб выс уровнях мощ­ ности. Полоса пропускания Праб низ обычно значительно больше полосы запирания Праб выс, так как гпиз заметно больше гвыс. Поэтому обычно достаточно обеспечить требуемую полосу запира­ ния на высоком уровне мощности.

В режиме запирания большая часть подводимой к ограничителю мощности отражается, лишь небольшая ее часть (Ррао) рассеивает­ ся в диоде, вызывая нагрев полупроводниковой структуры. Допу­ стимая величина РраетазЕ оговаривается в технических условиях и справочных данных на диод. Именно она определяет максимально допустимый рабочий уровень импульсной (Ра пд тах) и средней (Рпд тах)> или непрерывной, мощности, подводимой ко входу ограни­ чителя. Величину Ррас можно рассчитать через значение Lsaa-

Отсюда же определяется максимально допустимая средняя мощ­ ность Рпа тах, если задана максимально допустимая мощность

Ррас max-

Вмикрополосковом однодиодном резонансном ограничителе

(рис. 4.37) бескорпусный диод с настроечными шлейфами Z2, 13 подключается параллельно к основной линии через четвертьволно­ вый отрезок линии 1г.

Длина и волновое сопротивление W3 короткозамкнутого шлейфа /3 выбираются такими, чтобы его реактивное сопротивление ]Х3 == == jU73tg (2л/3/Л0) компенсировало реактивное сопротивление ди­ ода на низком уровне мощности ]ХД = jcooZ,noc — ]7сооСпер. Таким образом, в режиме пропускания диод и шлейф /3 образуют последова­ тельный резонансный контур, а емкость шлейфа /2 (С2) оказывается зашунтированной малым сопротивлением этого контура, равным гпаз. Следовательно, нагрузкой четвертьволнового отрезка Zj являет­ ся малый импеданс параллельного соединения rms и С2, равный

205

t/(l/rHIi3 + jw0C2) m гниз. Поэтому входное сопротивление отрезка llt представляющее собой сопротивление /?э, будет большим и близ­ ким к чисто активному. Его величина в этом случае равна

(4.111)

где Wi — волновое сопротивление отрезка линии /j. Значит, основ­ ная линия шунтируется слабо, что обеспечивает режим пропуска­ ния с малым затуханием Lnp.

На высоком уровне мощности импеданс диода изменится: вместо '•1 емкости СП8р и сопротивления гниз будет действовать сопротивление

Рис. 4.37. Пример конструкции и топологической схемы микрополосковой пла­

чтобы его эквивалентная емкость С2 вместе с индуктивностями дио- :

сопротивление гэ, будет достаточно малым, что приведет к весьма значительному отражению в основной линии с волновым сопротив­ лением W и большому затуханию Ьзаи. Так осуществляется режим запирания. Сопротивление гл в этом случае равно

206

на входе диода (рис. 4.37, а), служит для создания замкнутой це­ пи диода по постоянному (выпрямленному) току. При отсутствии замкнутой цепи и при подаче большого сигнала на диоде водникает большое отрицательное напряжение автосмещения. Волновое со­ противление этого шлейфа выбирается максимально возможным с точки зрения практической реализуемости, чтобы его входной им­ педанс был достаточно большим в широкой полосе частот и слабо влиял на цепь, к которой он подключен. Поэтому на эквивалент­ ной схеме рис. 4.37,6 он не отражен. Обычно для получения задан­ ных величин Lm, Ьзяп по результатам расчета оказывается, что волновое сопротивление W основной линии должно быть отличным от сопротивления Й7О подводящих линий. Для согласования этих сопротивлений на входе и выходе ограничителя включают четверть­ волновые трансформирующие отрезки линий с волновым сопротив­ лением Й7тр = ]/WV70 (рис. 4.37).

Пример 4.11. Требуется рассчитать и спроектировать микропо-

Расчет

1. Выбираем бескорпусный ограничительный диод со следующими параметрами: Спер = 0,4 пФ, гниз < 12 Ом, гВЬ10 < 1,8 Ом, Luoc == = 0,4 Hr, Ррас max = 0,3 Вт.

2. По формуле (4.104) минимальная критическая частота диода

равна /кр = 1/6,28 . 0,4 • 10~12 р"12 • 1,8 = 85,4 ГГц.

3. Расчет ограничителя будем производить на основе заданной величины Lsan — 20, считая, что в данном примере важно полу­ чить не максимально возможные потери запирания, а минимальные потери пропускания. Последние находим по формуле (4.108): £пр =

= [1 + 9.3752 • 1018 (/20 - 1)/85,42 • 1018]2 = 1,085 или 0,35 дБ.

линии по результатам проектирования топологической схемы мож­ но легко рассчитать по формулам (3.59)—(3.62) и прибавить (в де­ цибелах) к полученной величине LIIP = 0,35 дБ.

4. По формуле (4.109) оценим полосу запирания ограничителя: Праб выс = 2л/аСпергВЫ0 = 6,28 • 9,3752 . Ю18 • 0,4 • 10~12 • 1,8 =» == 398 МГц.

207

линиями используем два четвертьволновых трансформатора с вол­

ляем по формуле (3.586), (3.55), (3.56): Wi — 0,21 мм, w5 = 0,97 мм,"

= 90 Ом по соображениям, изложенным в примере 3.6, из данных

2 tt)0 Cuep

208

Таблица 4.8

Параметры разрядника-ограничителя типа

11. Для определения длины шлейфа 1а вычисляем его требуемое входное сопротивление jXs = ]'Wa tg2nla/Xoa из условия получе­ ния последовательного резонанса в цепи диода 1//<о0 Спер+/Юо7.иос+ 4- /X 3 = 0. Отсюда

А'3 = 1/сооСпер — ®<ЛпиС = 1/6,28 • 9,375 • 109 • 0,4 • 10-12 —

Основным недостатком диодных ограничителей является отно­

статка и объединения достоинств РЗГ1 и ограничителей используют так называемые разрядники-ограничители (рис. 4.38). Они представ­ ляют собой сочетание РЗП (нередко без электрода вспомогатель­ ного разряда, см. с. 201) и следующего за ним диодного ограничи­ теля. Разрядники-ограничители, не требующие никаких источников питания, выдерживают большие импульсные мощности (свыше Ю кВт) и обеспечивают защиту приемника от всех возможных силь­ ных сигналов помех. Параметры ряда разрядников-ограничителей без электрода вспомогательного разряда (за исключением отмечен­ ного звездочкой) приведены в табл. 4.8.

Ферритовые циркуляторы и вентили

Ферритовые циркуляторы и вентили представляют собой невза­ имные СВЧ устройства, свойства которых неодинаковы при изме­ нении направления передачи сигнала через них на обратное. Они разрабатываются в волноводном, полосковом и микрополосковом

209

является изолированным. Теперь устройство обладает невзаимными свойствами: мощность, поданная в плечо 2, выйдет из плеча 3, а плечо 1 будет изолированным.

Направление прохождения сигнала с малыми потерями от од­ ного плеча циркулятора к другому обозначают стрелкой. Для рис. 4.39, а последовательность такого прохождения соответствует

]—2—3—1. При изменении направления поля Но на противопо­ ложное последовательность прохождения сигнала с малыми поте­ рями станет также противоположной: /—3—2—1.

Основными электрическими параметрами циркулятора являют­ ся: потери пропускания (прямого прохождения) La = 10 lg Pi/P2 [дБ], развязка изолированного плеча Lpa3 = 10 lg P^IP^ [дБ], КСВ (коэффициент стоячей волны) плеч р, определяющий степень со­ гласования входных импедансов плеч циркулятора с подводящими линиями, и относительная полоса рабочих частот Праб//0, внутри которой эти параметры не выходят за пределы заданных значений,

На миллиметровых волнах чаще применяют волноводные /-цир­ куляторы, параметры которых имеют тот же порядок, однако в ко­ ротковолновой части миллиметрового диапазона потери Z.n дости­ гают 1,5—2 дБ. Электрические параметры циркуляторов в основном определяются экспериментальными методами. Диаметр металличе­ ского диска /-циркулятора, равный диаметру ферритового диска, если последний монтируется на диэлектрической подложке, рассчи­ тывают по формуле

Согласование входных импедансов плеч циркулятора с подводя­ щими линиями осуществляют в основном экспериментальными ме­ тодами с помощью четвертьволновых трансформаторов (рис. 4.39, б) и реактивных шлейфов в виде разомкнутых отрезков МПЛ, подклю­ чаемых параллельно подводящей линии вблизи металлического дис­ ка. Четвертьволновые трансформаторы с волновым сопротивлением №тр преобразуют входное сопротивление циркулятора Рв на стыке металлического диска с полосковой линией до величины сопротивле­

ния W подводящей линии, при этом необходимо, чтобы ./1р = Сопротивление Рц определяется по формуле [7, 19]

Можно построить ферритовый вентиль и формировать схемы много­ плечных циркуляторов (рис. 4.40). Вентиль является невзаимным

211