28. Схемотехнические аспекты применения транзисторов в микроволновом диапазоне. Малошумящий усилитель.

В микроволновых устройствах детекторные диоды монтируют в так называемые детекторные головки, где встроены согласующие элементы и разъемы для включения в типовой микроволновый тракт: коаксиальный, микрополосковый, волноводный и т. п. В гибридных ИС диоды монтируются на печатную плату, на которой размещены также согласующие и соединительные элементы. На рисунке 1 а показана эквивалентная схема такой ИС и топология (рис. 1 б) устройства. Параметры схемы приведены для диода SMS7630. Схема обеспечивает коэффициент стоячей волны (КСВ) порядка 1,2 в диапазоне 1...18 ГГц. В данной схеме имеются дополнительные элементы, обеспечивающие развязку цепей подачи смещения, микроволновой части и выходной НЧ цепи. Для этого применяются фильтры, выполненные на распределенных и сосредоточенных элементах. Четвертьволновый шлейф на входе используется для трансформации короткого замыкания в холостой ход. Это обеспечивает беспрепятственное прохождение ВЧ сигнала на диод. Такой же шлейф, присоединенный к другому контакту диода, обеспечивает холостой ход на выходном контакте диода и отсутствие прохождения ВЧ сигнала в цепь подачи смещения.

В настоящее время область применения детекторных диодов расширяется за счет их использования в системах беспроводной передачи энергии. Они служат для приема микроволновой энергии и преобразования ее в энергию постоянного тока, аналогично работе солнечных элементов. Большое количество диодов образуют приемную антенну, называемую ректенной (от англ. rectifying antenna — выпрямляющая антенна). В таком применении требования малых шумов уходят на второй план, а КПД преобразования и устойчивость к повышенному уровню мощности на первый.

Рис. 1 а – эквивалентная схема; б – топология устройства

Схемотехнические особенности применения смесительного диода

Рис. 2 Простейшая схема смесителя микроволнового дипазона

На рисунке 2 изображена схема простейшего преобразователя частоты. В ней на смесительный диод СД подаются сигналы от антенны А и от гетеродина. На диод подается также постоянное смещение от источника U. Полосно-пропускающий фильтр ППФ (преселектор) позволяет настроиться на сигнал с нужной частотой. Сигнал гетеродина поступает на СД через направленный ответвитель НО. Смещение на диод подается через фильтр нижних частот, образованный компонентами С_ф, L_ф2. Сигнал промежуточной частоты поступает на усилитель промежуточной частоты (УПЧ) через индуктивность L_ф1, препятствующую прохождению на вход усилителя высокочастотных составляющих спектра. Для согласования диода с микроволновым трактом используется плунжер Пл.

Рис. 3 Схема балансного смесителя

• Для компенсации амплитудных шумов гетеродина используются различные балансные схемы. Широкое аспространение получила схема двухдиодного балансного смесителя (БС), в котором используется 3 дБ направленный ответвитель. Такие ответвители получили название мосты. На рисунке 3 показана упрощенная конструкция волноводного балансного смесителя. Она состоит из двух смесительных секций с диодами D₁ и D₂, к которым через волноводный щелевой мост (ВЩМ) подаются: сигнал на частоте w_s с мощностью P_s и сигнал гетеродина на частоте w_г с мощностью P_г.

Если положить начальные фазы этих колебаний на входе щелевого моста (ЩМ) равными нулю, то благодаря сдвигу фаз сигналов в выходных плечах моста на в ответвленном сигнале, получим:

• На диоде напряжение складывается из компонент:

• На диоде :

Диоды включены встречно-параллельно, поэтому через нагрузку течет разность токов промежуточной частоты . При полной симметрии схемы результирующий ток

т. е. токи полезных сигналов складываются в нагрузке синфазно. Представим амплитудные шумы гетеродина, действующие в полосе сигнала и в полосе зеркального канала как боковые полосы АМ колебаний с несущей , т. е. , где – изменение фазы шумового сигнала. Прием шумов гетеродина в полосе сигнала на встречно включенных диодах дает шумовой ток: . Следуя предыдущему анализу, получим взаимную компенсацию шумов гетеродина в нагрузке. Аналогичными выкладками можно показать, что шумы гетеродина также вычитываются в нагрузке.

В реальных БС вследствие неизбежного различия в параметрах диодов шумы гетеродина подавляются на 15…30 дБ. На практике проводят подбор пар диодов для БС.

Особенности схемотехнического использования p-i-n диодов

ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ

Рассмотрим простейшие схемы переключателей, фазовращателей и ограничителей. Переключатели — важнейшие элементы приемо-передающих трактов любой радиоэлектронной системы. От них требуются малые потери мощности в режиме пропускания, высокая изоляция при запирающем режиме, низкие нелинейные искажения.

Рис. 4 Схема переключателя на 2 канала

В качестве примера на рисунке 4 представлена топология микрополоскового переключателя на два канала (SPDT — Single Pole Double Throw) с использованием четырех диодов D –D . В этой схеме микроволновый сигнал, 14 идущий из плеча 1, попадает в плечо 2 или 3, в зависимости от полярности поданного на диоды управляющего напряжения от источников U_A и U_B. При подаче на D₁ и D₂ положительного напряжения, а на D₃ и D₄ отрицательного, сигнал пойдет в плечо 3. При обратной полярности в плечо 2. Длина микрополосковых линий, определяющая место подключения диодов относительно входного Т разветвления, выбирается из условия одинаковых фаз сигналов, поступающих на диоды, и обеспечения малых потерь.

Блокировочные конденсаторы исключают замыкание цепей управления через проводники микрополоскового тракта.

Следует заметить, что в настоящее время с развитием микроэлектромеханики (MEMS — Micro Electro Mechanic Systems) у переключателей на p–i–n диодах появилась достойная конкуренция в виде MEMS􏰀переключателей. Такие приборы работают как обычные механические ключи в низкочастотном диапазоне. Их параметры в низкочастотной части микроволнового диапазона превосходят параметры p–i–n диодов, особенно в части динамического диапазона использования, вносимых искажений и потерь.

ФАЗОВРАЩАТЕЛИ

С развитием техники фазированных антенных решеток (ФАР) и совершенствованием измерительной техники возникла необходимость в создании малоинерционных фазовращателей. Для этой цели используются, в частности переключающие диоды, обеспечивающие дискретное изменение фазы проходящего сигнала. Обычно такое изменение достигается за счет изменения пути, проходимого волной.

Рис. 5 Схема дискретного фазовращателя и таблица управляющих сигналов с результирующим фазовым набегом

Пример фазовращателя на p–i–n диодах показан на рисунке 5 Устройство состоит из отрезков линий передачи и шлейфов различной электрической длины. Шесть диодов исполняют роль коммутирующих ключей, определяющих путь, по которому идет волна. Состояние этих ключей определяется управляющими сигналами, подаваемыми от источников А, В, С. Таблица управляющих напряжений, обеспечивающих изменение фазы с определенным шагом («дискретом»), приведена на рисунке 5 При уровне 1 диод открыт, при уровне 0 — закрыт. Индуктивности L1 исключают прохождение микроволнового сигнала в управляющую цепь. Блокировочные конденсаторы С1 обеспечивают развязку между элементами по постоянному току, не внося потерь в передаваемый микроволновый сигнал. Если на всех управляющих входах А, В, С будет единичный уровень, сигнал пойдет по наикратчайшему пути. Возникший фазовый набег волны принимается за нулевой, так как для работы устройства важна разность фаз, а не ее абсолютное значение. В случае нулевого уровня на всех управляющих входах сигнал проходит наибольший путь по всем шлейфам, обеспечивая максимальный набег фазы в сравнении с наименьшим путем. При различных сигналах на диодах разность хода и фазовый набег будут находиться между этими предельными значениями. Количество и размеры дугообразных элементов подбираются так, чтобы обеспечить набег фазы, кратный набегу фаз в меньшем по размерам элементе. Этот набег фазы называется дискретом. В данной схеме он составляет 22,5 град.

ОГРАНИЧИТЕЛИ И АТТЕНЮАТОРЫ

В работе этих устройств используется нелинейность диода при больших значениях поданной микроволновой мощности. Простейшая схема ограничителя с автосмещением представлена на рисунке 6. В ней наряду с p–i–n диодом используется и диод с барьером Шоттки (ДБШ), который, детектируя часть мощности проходящего сигнала, обеспечивает положительное смещение на ограничительный диод. Такая схема включения позволяет уменьшить пороговую мощность срабатывания такого прибора и его инерционность. В ней ДБШ исполняет роль прибора, быстро реагирующего на поданный микроволновый сигнал прибора, обеспечивая положительное смещение на ограничительный диод.

Рис. 6 Схема ограничителя с автосмещением

Рис. 7 Ограничитель для высокого уровня мощности: а – схема включения; б – временная диаграмма

Для работы на большом уровне мощности применяют диоды с разной шириной i-области. Они включены друг за другом, как это показано на рисунке 7а. У такого ограничителя в начальный момент срабатывает диод с малой толщиной i-области 5 мкм, имеющий малую инерционность. Далее средний с толщиной 20 мкм и, наконец, на возросшем уровне мощности срабатывает «медленный» мощный диод с толщиной 100 мкм. В целом длительность фронта входного сигнала (рис. 7б) должна быть не меньше, чем время срабатывания самого мощного диода в цепи.