СВЧ УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК H01P1/15 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к разработке ключевых устройств, предназначенных для управления амплитудой и фазой сигналов при высоких уровнях СВЧ-мощности.

Из уровня техники известны полупроводниковые включатели и модуляторы, в которых функции ключевого элемента выполняют полевые транзисторы и pin-диоды [1] Недостатком транзисторных ключей является низкая рабочая мощность; недостаток выключателей на pin-диодах потребление большой мощности в цепи управления (ток прямого смещения pin-диода 10 100 мА). Необходимость подачи такого управляющего тока обусловлена тем, что для перевода диода в низкоимпедансное состояние в его базе должна быть создана электронно-дырочная плазма. Величина требуемого стороннего управляющего тока возрастает при увеличении толщины i-слоя, что является необходимым для повышения рабочей СВЧ-мощности.

Наиболее близким техническим решением для преодоления указанных недостатков, принятым в качестве прототипа, является ограничитель [2] содержащий отрезок линии передачи, один конец которого является входом, а другой выходом управляющего устройства, и цепочку из детекторного и переключательного диодов, соединенных одними своими разноименными электродами, включенную параллельно отрезку линии передачи по СВЧ. Указанная цепочка служит в качестве ключевого элемента, который в своем высокоимпедансном состоянии пропускает с малыми потерями СВЧ-мощность по линии передачи, а в низкоимпедансном состоянии создает значительное отражение поступающего СВЧ-сигнала в сечении, где включена эта цепочка. Использование такого устройства позволяет получить эффект управления СВЧ-сигналом при отсутствии подаваемого извне тока прямого смещения. Постоянный ток прямого смещения переключательного диода, необходимый для перевода его в низкоимпедансное состояние, генерируется детекторным диодом, который соединен последовательно с переключательным диодом не только по СВЧ-току, но и по постоянному току. Пороговая мощность, при которой происходит открывание рассматриваемой диодной цепочки, зависит от отношения емкостей диодов, образующих делитель СВЧ-напряжения.

Недостатком устройства [2] с точки зрения создания СВЧ-ключа, импеданс которого поддается резкому изменению под действием внешнего управляющего сигнала, является открывание диодной цепочки, происходящее автоматически при низких значениях входной СВЧ-мощности.

Задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в снижении мощности, потребляемой в цепи управления, по сравнению с существующими pin-диодными ключевыми управляющими СВЧ-устройствами при высоких значениях входной СВЧ-мощности и при отсутствии срабатывания устройства под действием мощности самого СВЧ-сигнала.

Эта задача решается тем, что к цепочке, состоящей из детекторного и переключательного диодов, соединенных своими разноименными электродами, включенной параллельно отрезку линии передачи по СВЧ, через СВЧ-дроссель подключены параллельно упомянутой цепочке источник управляющего импульсного напряжения и фильтр низких частот (ФНЧ), обеспечивающий также короткое замыкание диодной цепочки по постоянному току. Длительность управляющего импульса прямого смещения τ_у в 5-10 раз меньше длительности управляемого импульса СВЧ-сигнала τ_c граничная частота полосы пропускания ФНЧ f_гр выбрана из условия:

Емкость детекторного диода C_d, входящего в состав цепочки, по крайней мере в 20 100 раз превышает емкость переключательного диода C_п, которая выбирается из соображений малых вносимых потерь в режиме пропускания СВЧ-сигнала:

где абсолютное значение допустимых потерь пропускания;
f рабочая частота;
Z_c волновое (характеристическое) сопротивление линии передачи.

На фиг. 1 представлена эквивалентная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 вид его амплитудной характеристики (зависимости выходной СВЧ-мощности P_вых от входной СВЧ-мощности P_вх; на фиг. 3 вид частотной характеристики затухания фильтра L, шунтирующего диодную цепочку, с указанием граничной частоты f_гр и характеристических частот

Предлагаемое СВЧ-управляющее устройство (фиг. 1) содержит отрезок линии передачи 1, детекторный диод V1 и переключательный диод V2, соединенные одними своими разноименными электродами и шунтирующие линию передачи в сечении а-б. Дроссель 2 предотвращает утечку СВЧ-мощности в цепь управления, содержащую генератор управляющих импульсов 3 и нижних частот 4.

Амплитудная характеристика устройства (фиг. 2) при отсутствии внешнего управляющего напряжения имеет протяженный линейный участок O-A₁, за которым следует нелинейный участок A₁-A₂, в конце которого происходит открывание всей диодной цепочки V1, V2 под действием входной СВЧ-мощности, соответствующее скачкообразному переходу ее в низкоимпедансное состояние из точки A₂ в точку A₃. Между граничными значениями входной мощности P_вх.2 и P_вх.1 существует область бистабильности и электронного гистерезиса ΔP_бист которая свойственна цепочкам, образованным последовательно соединенными детекторными и переключательными диодами. Причиной существования области бистабильности является обратная связь по СВЧ-напряжению и постоянному току, приводящая к перераспределению падений СВЧ-напряжения в диодной цепочке.

Рабочий режим предлагаемого управляющего устройства соответствует интервалу значений входной мощности, лежащему внутри области бистабильности
Устройство работает следующим образом. Повышение входной СВЧ-мощности от нулевого значения P_вх 0 до рабочего значения P_вх.раб. при отсутствии внешнего управляющего напряжения сопровождается линейным ростом выходной мощности с малыми потерями пропускания порядка (0,5 1,0 дВ), обусловленными главным образом величиной суммарной емкости диодной цепочки относительно точек а-б (фиг. 1). Падение СВЧ-напряжения U_d на детекторном диоде V1 при этом меньше порогового значения U_п, определяемого статической вольт-амперной характеристикой данного диода и имеющего порядок 0,8 В. Постоянная составляющая тока I₀, протекающего через диодную цепочку, равна нулю. Основная часть амплитуды СВЧ-напряжения U_аб, существующего в линии передачи в режиме бегущей волны, приходится на переключательный диод V2, импеданс которого высок и не подвержен непосредственному воздействию СВЧ-напряжения.

При подаче в этом режиме на диодную цепочку управляющего импульса прямого напряжения U_y, превышающего пороговое значение, через детекторный диод V1 начинает протекать ток I₀, обусловленный детектированием СВЧ-напряжения U_d. Прохождение тока I₀ через переключательный диод V2 приводит к снижению его импеданса по СВЧ, что ведет к снижению падения СВЧ-напряжения на диоде V2 и к возрастанию падения СВЧ-напряжения U_d на диоде V1. Последнее имеет следствием дальнейшее возрастание тока I₀, дальнейшее снижение падения напряжения на диоде V2 и т.д. В результате этого за короткое время (порядка нескольких десятков периодов СВЧ-напряжения) диодная цепочка переходит в низкоимпедансное состояние, соответствующее перемещению на фиг. 2 из точки A₆ в точку A₇ и характеризующееся малым падением напряжения U_аб и большим значением постоянного тока I₀. Это состояние является самоподдерживающимся и может быть прекращено только при снятии мощного СВЧ-сигнала, поступающего на вход линии передачи. После окончания СВЧ-импульса заряд носителей, накопленных в плазме i-слоя диода V2, рассасывается за время, определяемое эффективным временем жизни, после чего управляющее устройство возвращается в исходное высокоимпедансное состояние.

Существенным обстоятельством описанного механизма является то, что значительный ток I₀, обеспечивающий снижение импеданса переключательного диода V2, не потребляется от источника управляющего напряжения U_y, а генерируется детекторным диодом после его открывания напряжением U_y. Для протекания тока I₀ во внешней цепи диодной цепочки включен фильтр ФНЧ, граничная частота которого f_B выбирается из условия , где τ_c длительность СВЧ-импульса. Для отсутствия замыкания управляющего импульса напряжения U_y через тот же ФНЧ длительность управляющего импульса должна выбираться из условия Отсюда следует условие выбора длительности управляющего импульса при заданной длительности СВЧ-импульса:
τ_у ≪ τ_c
Заявленный полезный эффект снижение мощности, потребляемой в цепи управления по сравнению с существующими pin-диодными ключевыми управляющими СВЧ-устройствами, при высоких значениях входной СВЧ-мощности и при отсутствии срабатывания устройства под действием мощности самого СВЧ-сигнала обеспечивается двумя факторами: 1) основная часть тока I₀, необходимого для открывания переключательного диода V2, создается не генератором управляющих импульсов, а детекторным диодом V1 под действием СВЧ-сигнала; 2) длительность управляющего импульса τ_у намного (в 5-10 раз) меньше длительности управляющего импульса СВЧ-сигнала.

Литература.

1. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение. /Под ред. Г. Уотсона. Пер. с англ. под ред. В.С. Эткина. М. Мир, 1972.

2. Авторское свидетельство N 1483518 СССР, МКИ H 01 P 1/15, опубл. 1989.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к разработке ключевых устройств, предназначенных для управления амплитудой и фазой сигналов при высоких уровнях СВЧ-мощности. Предложенное СВЧ-управляющее устройство содержит отрезок линии передачи, один конец которого является входом, а другой выходом управляющего устройства, и цепочку из детекторного и переключательного диодов, соединенных одними своими разноименными электродами, включенную параллельно отрезку линии передачи по СВЧ, отличающуюся тем, что параллельно цепочке через СВЧ-дроссель подключены источник управляющего импульсного напряжения и фильтр нижних частот, причем длительность управляющего импульса τ_у в 5 -10 раз меньше длительности управляющего импульса СВЧ-сигнала τ_c и верхняя граничная частота фильтра f_B выбрана из условия , а емкость детекторного диода в 20 - 100 раз превышает емкость переключательного диода. При этом снижается мощность, потребляемая в цепи управления по сравнению с существующими pin-диодными ключевыми управляющими СВЧ-устройствами, при высоких значениях входной СВЧ-мощности и при отсутствии срабатывания устройства под действием мощности самого СВЧ-сигнала. Это обеспечивается двумя факторами: 1) основная часть тока, необходимого для открывания переключательного диода, создается не генератором управляющих импульсов, а детекторным диодом под действием СВЧ-сигнала; 2) длительность управляющего импульса τ_у намного (в 5 - 10 раз) меньше длительности управляемого импульса СВЧ-сигнала. 3 ил.

СВЧ управляющее устройство, содержащее отрезок линии передачи, один конец которого является входом, а другой выходом управляющего устройства, и цепочку из детекторного и переключательного диодов, соединенных одними своими разноименными электродами, включенную параллельно отрезку линии передачи с СВЧ, отличающееся тем, что параллельно цепочке через СВЧ-дроссель подключены источник управляющего импульсного напряжения и фильтр нижних частот, причем длительность управляющего импульса τ_у в 5.10 раз меньше длительности управляемого импульса СВЧ-сигнала τ_c, и верхняя граничная частота фильтра f_в выбрана из условия а емкость детекторного диода в 20. 100 раз превышает емкость переключательного диода.