Проектирование СВЧ-устройств (РТФ 6 семестр Анисимов) / Зачет

Ограничители мощности СВЧ

характеристики Основными характеристиками таких разрядников являются потери в дуге, время срабатывания и восстановления. Время срабатывания разрядника составляет 10-8 с, а время восстановления 10-6 с.

Диодный ограничитель мощности.

Наиболее часто используемая схема полупроводникового СВЧ-ограничителя – это схема на основе встречно-параллельных диодов. В ней обычно используются p-i-n-диоды либо диоды Шотки. Схема имеет два состояния: состояние пропускания при малой мощности входного сигнала и состояние запирания – при большой мощности. Переход из одного состояния в другое основывается на нелинейных свойствах полупроводниковых диодов и осуществляется с помощью управляющего напряжения, образуемого за счет пришедшей СВЧ-мощности.

Встречные диоды ограничивают как положительные, так и отрицательные полуволны сигнала на некотором уровне напряжения.

1

Двухкаскадный ограничитель на встречно-параллельных диодах Шотки

Волноводный ограничитель мощности.

Типичными представителями рассматриваемых устройств являются антенные переключатели СВЧ. Они дают возможность использовать одну и ту же радиолокационную антенну для передачи мощных импульсов и для приема слабых отраженных от целей сигналов.

Во время излучения мощных импульсов необходимо отключить приемник от тракта, а в промежутках между импульсами от антенны отключается передатчик и подключается приемник.

Наиболее часто используется газовый разрядник, являющийся волноводным электровакуумным прибором.

2

Наиболее часто на практике используется газовый разрядник, который представляет собой отрезок прямоугольного волновода длиной 3 B 4 , входы которого закрыты резонансными диафрагмами, герметизированными высококачественным диэлектриком.

Между резонансными диафрагмами на расстоянии B 4 друг от друга на оси волновода расположены две пары конусных электродов, которые в отсутствие разряда эквивалентны емкости.

Для согласования этих емкостей включены индуктивные диафрагмы, образующие вместе с ними резонансные контуры.

При отсутствии разряда устройство представляет собой полосно-пропускающий фильтр, состоящий из четырех связанных резонансных контуров с полосой пропускания 5-10%.

Возникновение разряда между электродами происходит автоматически во время прохождения мощного импульса. Порог срабатывания разрядника устанавливается поджигающим электродом, который подключен к источнику постоянного тока, поддерживающего в этом электроде тлеющий разряд.

Поддержание тлеющего разряда происходит за счет частичной ионизации газа, заполняющего разрядник. При прохождении со стороны входа мощного импульса СВЧ, возникает разряд в поджигающем электроде.

После этого пробивается вторая пара электродов, которая находится в максимуме электрического поля. Затем наступает пробой входной резонансной диафрагмы, отключающей приемник от антенны.

Основными характеристиками таких разрядников являются потери в дуге, время срабатывания и восстановления. Правильно выполненный разрядник должен вносить малые потери как при приеме, так и при передаче сигналов. Время срабатывания разрядника составляет 10-8 с, а время восстановления 10-6 с. Подобные устройства устанавливаются непосредственно на входе приемника и называются разрядниками защиты приемника. Они имеют низкий порог срабатывания за счет использования поджигающего электрода. В трактах локационных станций используются также разрядники блокировки передатчика, порог срабатывания которых значительно выше, чем у разрядников защиты приемника из-за отсутствия поджигающего электрода.

На рис. 9.5 показана балансная схема такого антенного переключателя.

При работе передатчика мощность СВЧ с помощью моста делится поровну между разрядниками и поджигает их. Отразившись от разрядников, мощность СВЧ проходит через этот же мост в антенну. Незначительная часть мощности, прошедшая через разрядники, проходит через второй мост в согласованную нагрузку. В период между импульсами колебания СВЧ, принятые антенной, пройдя первый мост, незажженные разрядники и второй мост, проходят на вход приемника.

Для повышения качества работы такого переключателя необходима идентичность характеристик входящих в него разрядников.

3

Аттенюаторы

характеристики Номинальное значение ослабления или диапазон значений Допустимые погрешности в диапазоне рабочих частот Коэффициент стоячей волны по входу и выходу Максимальная поглощаемая мощность

В процессе настройки и измерения параметров разнообразных устройств часто возникает необходимость в регулировке уровня мощности в тракте, либо в развязывающих устройствах, ослабляющих реакцию нагрузки на генератор. Приборы, выполняющие эти функции, получили название аттенюатором (ослабителей).

Аттенюаторы СВЧ предназначены для плавного или дискретного уменьшения амплитуды колебаний СВЧ. На эквивалентной схеме они отображаются в виде четырехполюсника. Уменьшение амплитуды на выходе аттенюатора может быть обусловлено тепловыми потерями или отражениями от него.

Величину затухания L определяют как отношение мощности Рвх на входе аттенюатора к мощности на выходе Рвых и измеряют в децибелах:

L=10 lg(Рвх/Рвых).

Дискретные аттенюаторы могут быть построены в виде каскадно соединенных секций, каждая из которых состоит из Т-образного тройника, диодного выключателя и согласованной нагрузки. Каждая секция вносит фиксированное затухание. От секции к секции величина вносимого затухания изменяется по бинарному закону. Например, аттенюатор, состоящий из каскадно включенных секций, имеющих затухание 1, 2, 4, 8, 16 и 32 дБ, может вносить затухание от 0 до 63 дБ с дискретом в 1 дБ.

Применяются два типа аттенюаторов: поглощающие и предельные.

Поглощающие аттенюаторы основаны на преобразовании части энергии электромагнитной волны в тепловую энергию. В предельных аттенюаторах используется экспоненциальное уменьшение амплитуды полей вдоль оси предельного волновода.

1

АТТЕНЮАТОРЫ С ФИКСИРОВАННЫМ ЗНАЧЕНИЕМ ПОГЛОЩЕНИЯ

Роль аттенюатора с фиксированным затуханием может выполнять отрезок запредельного волновода, амплитуда колебаний в котором экспоненциально убывает.

Фиксированный аттенюатор в коаксиальном исполнении

Аттенюатор представляет собой отрезок коаксиальной линии, в разрыв центрального проводника которой включен пластинчатый резистор, имеющий электрический контакт с корпусом (наружным проводником) линии.

Конструктивное выполнение коаксиальных аттенюаторов: а – с цилиндрическими R1, R3 и дисковым R2 резисторами; б – с пластинчатым резистором

2

Фиксированные аттенюаторы в полосковом исполнении

В полосковых (особенно в печатных) аттенюаторах широко используются поглощающие ленты толщиной 0,1—0,2 мм, имеющие поверхностное сопротивление порядка 100 Ом/см2, а также ленты из сплавов высокого сопротивления (например, нихрома). Для нихрома затухание на 9 ГГц составляет 20 дБ/м, а для посеребренного проводника 2дБ/м.

Аттенюатор в полосковой линии может быть образован путем подпаивания кусков поглощающей ленты определенной формы к диэлектрической пластине и к центральному проводнику полосковой линии.

1 — центральный проводник полосковой линии; 2 — поглощающий материал

В полосковой линии для получения больших ослаблении небольшой участок центрального проводника полосковой линии заменяется поглощающим материалом.

Ослабление зависит от удельного сопротивления материала, его ширины, толщины и длины l.

Фиксированные аттенюаторы для планарного размещения

Схемы резистивных аттенюаторов; а – Т-конфигурация; б – П-конфигурация

3

РЕГУЛИРУЕМЫЕ АТТЕНЮАТОРЫ Поглощающие аттенюаторы

Механический поглощающий аттенюатор ножевого типа

Простейший механический плавный аттенюатор представляет собой отрезок прямоугольного волновода, вдоль оси которого на широкой стенке прорезана щель, через нее внутрь волновода погружается пластинка, покрытая радиопоглощающим материалом. Пластинка имеет выпуклый профиль, и чем глубже она погружается в волновод, тем больше вносимое ею затухание.

Используется в цепях, где нет значительных уровней мощности и не предъявляется жестких требований к стабильности величины ослабления.

1- поглощающая пластина; 2 – направляющая пружина; 3 – скобы для крепления пластины; 4, 5 – щель в волноводе

1

Механический аттенюатор с подвижной поглощающей пластиной

Аттенюатор представляет собой отрезок регулярного волновода, в который вводятся одна или несколько диэлектрических пластин, покрытых слоем поглощающего материала (графита, нихрома, платины и др.).

На рис. 17.7.1 изображен аттенюатор в прямоугольном волноводе.

Рис. 17.7.1

Пластина с поглощающим слоем, концы которой с целью уменьшения отражений плавно окошены, введена параллельно силовым линиям электрического поля.

Под влиянием электрического поля в слое из поглощающего материала наводится ток проводимости, что вызывает увеличение затухания в волноводе. Так как напряженность электрического поля в поперечном сечении волновода меняется от точки к точке, то, перемещая пластину с поглощающим слоем в поперечной плоскости, можно в широких пределах регулировать величину затухания, вносимого аттенюатором.

Максимальное затухание получается, когда пластина с поглощающим слоем расположена на расстоянии а/2 от узкой стенки (а – размер широкой стенки волновода).

2

ПРЕДЕЛЬНЫЕ АТТЕНЮАТОРЫ

Основным элементом предельного аттенюатора является отрезок волновода, размеры которого выбраны таким образом, что он является предельным для всех типов волн. В предельный волновод на некотором расстоянии друг от друга вводятся два электрических или магнитных вибратора, один из которых подсоединяется к источнику электромагнитных колебаний, а другой является приемным (рис. 17.7.2). Расстояние между вибраторами регулируется.

Рис. 17.7.2

Так как волновод является предельным, то напряженность электрического поля в сечении, где расположен приемный вибратор, равна ЕВЫХ Е0 е l ,

и поэтому затухание, вносимое аттенюатором, равно

На всех частотах, где выполняется неравенство KP предельный аттенюатор обладает двумя важными достоинствами:

– затухание, вносимое аттенюатором, практически полностью не зависит от частоты (величина KP определяется размерами поле речного сечения

3