Защитное устройство СВЧ Российский патент 2023 года по МПК H01P1/22 

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано для защиты приемо-передающей аппаратуры от воздействия сигналов высоких уровней мощности: наводимых помех, отраженных сигналов собственного передатчика, природных явлений и т.п., преимущественно в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн, при сохранении низкого уровня вносимых потерь в рабочем диапазоне частот.

В технической литературе описано достаточное количество защитных устройств (ограничителей мощности) на основе полупроводниковых приборов, в частности такие, в которых СВЧ тракт шунтируется на корпус посредством одной или нескольких групп pin-диодов и/или диодов Шоттки.

Принцип работы защитного устройства основан на нелинейных свойствах диодов и определяется двумя режимами: первый - режим пропускания, второй - режим ограничения. В первом режиме, при безопасных для аппаратуры уровнях входной мощности, защитное устройство должно вносить минимальные потери и искажения в проходящий сигнал. При поступлении на защитное устройство (далее ЗУ) сигнала высокой мощности и возникновении риска повреждения аппаратуры, устройство автономно или под воздействием управляющего сигнала переходит в режим ограничения проходящей мощности.

В режиме пропускания pin-диоды входного и выходного каскадов защитного устройства работают при околонулевом смещении, «закрыты», характеризуются высоким импедансом и могут быть представлены как высокодобротные конденсаторы. В таком режиме СВЧ тракт согласуется в рабочем диапазоне частот с учетом емкости этих конденсаторов, вследствие чего устройство обеспечивает низкий уровень вносимых потерь и хорошее согласование с 50-омным трактом. В режиме ограничения переменное напряжение входного СВЧ сигнала выше определенного уровня переводит pin-диоды в низкоимпедансное, «открытое» состояние, в котором они могут быть представлены низкоомными (единицы Ом) резисторами. Ограничение мощности при этом достигается двумя способами. Во-первых, изменение импеданса pin-диодов приводит к рассогласованию линии передачи с внешним трактом, и существенная часть мощности отражается от входа и выхода ЗУ. Во-вторых, имеет место рассеивание проходящей мощности на корпус через шунтирующие линию передачи «открытые» диоды. При этом, чем выше импеданс «открытого» диода, тем меньшая мощность отражается, тем большая доля мощности рассеивается на pin-переходе, увеличивая тепловую нагрузку и дополнительно ухудшая электрические характеристики ЗУ.

Одним из известных технических решений является монолитная интегральная схема ограничителя СВЧ мощности TGL2201 фирмы TriQuint Semiconductor (James М. Carrol. Performance Comparison of Single and Dual Stage MMIC Limiters// 2001 IEEE MTT-S Digest, pp. 1341-1344). Схема выполнена по арсенид-галлиевой технологии и содержит микрополосковую линию передачи, соединяющую СВЧ порты входа и выхода, а также симметричные входной и выходной каскады из двух разнополярно включенных pin-диодов шунтирующих микрополосковую линию передачи на корпус.

Главным недостатком описанной конструкции является неоптимальное соотношение уровня подавления сигнала высокого уровня мощности и вносимых потерь при прохождении сигнала низкого уровня мощности.

Другим примером является защитное устройство СВЧ (Патент RU 2189670, опубликован 20.09.2002), содержащее центральный проводник, соединенный с ним отрезок линии передачи длиной и pin-диод, расположенный на конце линии, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен резистор, а отрезок линии передачи выполнен в виде двух связанных линий, на конце одной линии расположен pin-диод, а на конце другой - резистор, включенный параллельно pin-диоду, при этом длина связанных линий где λ - длина волны на центральной частоте; k=0, 1, 2… .

К недостаткам такой конструкции можно отнести недостаточное подавление сигнала высокого уровня мощности, а также узкую полосу рабочих частот устройства, обусловленную существенной частотной зависимостью коэффициента передачи связанных линий.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ограничитель СВЧ мощности (Патент на ПМ РФ №150029, опубликован 27.01.2015), который выбран в качестве прототипа. Ограничитель СВЧ мощности в микрополосковом исполнении состоит из платы и чип компонентов - pin-диодов, попарно объединенных в группы (каскады) посредством подключения анода одного pin-диода к катоду другого, соединенные между собой и с разделительными конденсаторами на входе и выходе схемы, в каждом каскаде один из pin-диодов соединен с корпусом посредством катода, а другой - посредством анода, при этом чувствительность pin-диодов в каскадах увеличивается, а напряжение пробоя уменьшается от входа к выходу.

Такое конструктивное решение, с применением чип компонентов, приводит к увеличению вносимых потерь в режиме пропускания с расширением диапазона рабочих частот, ограничено по степени подавления сигнала высокого уровня мощности и характеризуется значительными габаритами.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение полосы рабочих частот ЗУ СВЧ, повышение эффективности подавления сигнала высокого уровня мощности при сохранении минимальных вносимых потерь в рабочем диапазоне частот и малые габариты.

Указанный технический результат достигается тем, что ЗУ содержит согласованный СВЧ тракт в виде полосковой линии и нескольких входных и выходных каскадов встречно включенных pin-диодов, шунтирующих линию передачи на корпус, причем в конструкции pin-диодов катод огибает анод и во входных каскадах pin-диоды имеют большую площадь р-области, чем в выходных, а их цепи соединения с корпусом, состоящие из полосковых линий и металлизированных сквозных отверстий в подложке, расположены непосредственно у pin-диодов, а в цепях соединения с корпусом выходных каскадов диффузионная емкость pin-диодов и индуктивность полосковых линий передачи рассчитаны таким образом, чтобы образовывать в выходных каскадах последовательные резонансные контуры с собственной частотой, попадающей в рабочую полосу частот защитного устройства.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1 и 2. На фиг. 1 представлена электрическая принципиальная схема ЗУ, а на фиг. 2 пример реализации данной конструкции в виде кристалла монолитной интегральной схемы (МИС), выполненной по GaAs технологии. Следует отметить, что на фиг. 1 и 2 изобретение проиллюстрировано изображением всего одного входного и одного выходного каскада встречно включенных pin-диодов, но количество каскадов может быть другим.

ЗУ содержит согласованный СВЧ тракт в виде полосковой линии передачи 1, входной 2 и выходной 3 каскады встречно включенных pin-диодов, шунтирующих СВЧ тракт на корпус, а также полосковые линии цепей соединения с корпусом выходного каскада 4 с индуктивностью L, участвующие в формировании последовательного резонансного контура.

Защитное устройство СВЧ работает следующим образом: - в режиме пропускания pin-диоды входного 2 и выходного 3 каскадов «закрыты», ЗУ вносит минимальные потери и искажения в проходящий сигнал. При поступлении на ЗУ сигнала высокой мощности, pin-диоды переходят в «открытое» состояние, что приводит к рассогласованию полосковой линии передачи 1 с внешним трактом, и существенная часть мощности отражается от входа и выхода ЗУ, а также, происходит рассеивание проходящей мощности на корпус через шунтирующие линию передачи 1 «открытые» диоды.

В предлагаемом варианте ЗУ эффективность работы повышается за счет применения ряда конструктивных решений. Конструкция pin-диодов обеспечивает огибание анодов катодами, т.к. при постоянстве площади р-области и расстояния между электродами, диод с максимальным периметром межконтактного участка будет обладать наименьшим сопротивлением в открытом состоянии. Выбор размеров площади р-области диода в составе ЗУ является компромиссным решением. С одной стороны площадь р-области должна быть достаточно малой, чтобы минимизировать емкость между трактом 1 и корпусом в режиме пропускания и снизить вносимые потери, с другой стороны, чем р-область больше, тем эффективнее функционирование в режиме ограничения - подавление сигнала высокого уровня мощности выше, перегрев ниже и т.д.

Большая площадь р-области pin-диодов входного каскада 2, оптимизированные форма и размеры полосковых линий, а также максимально приближенные к pin-диодам входных каскадов металлизированные сквозные отверстия, шунтирующие сигнал на корпус в режиме ограничения высокого уровня мощности, обеспечивают малый импеданс, а также максимальное отведение тепла от pin-диода, что способствует повышению эффективности подавления сигнала высокого уровня мощности и позволяет увеличить значение предельно допустимой мощности входного сигнала.

К отрицательным сторонам применения pin-диодов с большой площадью р-области относится их увеличенная емкость на корпус, ограничивающая возможность широкополосного согласования СВЧ тракта 1 ЗУ в режиме пропускания и, как следствие, приводящая к ограничению полосы рабочих частот и росту потерь. Поэтому для уменьшения данного эффекта в выходном каскаде 3 используются pin-диоды с меньшей площадью р-области, по сравнению с pin-диодами входного каскада 2, и соответственно с меньшей емкостью, что позволяет улучшить согласование СВЧ тракта 1, расширить рабочую полосу частот ЗУ и уменьшить вносимые потери в режиме пропускания. Негативный эффект от увеличенного импеданса «открытых» pin-диодов выходного каскада 3 с меньшей площадью р-области в режиме ограничения компенсируется созданным резонансным эффектом, сформированных в выходном каскаде 3 последовательных колебательных контуров, образованных диффузионной емкостью pin-диодов и полосковыми линиями 4, соединяющими их с корпусом, и рассчитанных таким образом, что собственная частота резонансного контура попадает в рабочую полосу частот защитного устройства.

Предлагаемое техническое решение, реализованное в виде МИС, выполненной по GaAs технологии, позволяет достичь расширения полосы рабочих частот ЗУ, повышения эффективности подавления сигнала высокого уровня мощности, при сохранении минимальных вносимых потерь в рабочем диапазоне частот, а также малых габаритных размеров ЗУ. Кроме того, в предлагаемом защитном устройстве достигается увеличение значения предельно допустимой мощности подаваемого на вход сигнала.

Примером успешного применения данного технического решения является разработанная на предприятии МИС ЗУ Х-диапазона со следующими параметрами: потери пропускания не более 0,7 дБ; мощность просачивания не более 19 дБм; максимально допустимая входная мощность 40 дБм, габаритные размеры не более 1,3×1,3 мм.

Таким образом, технический результат достигнут полностью.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к устройствам защиты приемо-передающей аппаратуры от воздействия сигналов высоких уровней мощности. Защитное устройство СВЧ содержит СВЧ-тракт в виде полосковой линии передачи и нескольких входных и выходных каскадов встречно включенных pin-диодов, шунтирующих полосковую линию передачи на корпус. В конструкции pin-диодов катод огибает анод и при этом во входных каскадах pin-диоды имеют большую площадь р-области, чем в выходных, их цепи соединения с корпусом, состоящие из полосковых линий и металлизированных сквозных отверстий в подложке, расположены непосредственно у pin-диодов. В цепях соединения с корпусом выходных каскадов диффузионная емкость pin-диодов и индуктивность полосковых линий передачи рассчитаны таким образом, чтобы образовывать в выходном каскаде последовательные резонансные контуры с собственной частотой, попадающей в рабочую полосу частот защитного устройства. Технический результат изобретения - расширение полосы рабочих частот защитного устройства, повышение эффективности подавления сигнала высокого уровня мощности, увеличение значения предельно допустимой мощности входного сигнала при сохранении малых габаритных размеров. 2 ил.

Защитное устройство СВЧ, содержащее СВЧ-тракт в виде полосковой линии передачи и нескольких входных и выходных каскадов встречно включенных pin-диодов, шунтирующих полосковую линию передачи на корпус, отличающееся тем, что в конструкции pin-диодов катод огибает анод, при этом во входных каскадах pin-диоды имеют большую площадь р-области, чем в выходных, и их цепи соединения с корпусом, состоящие из полосковых линий и металлизированных сквозных отверстий в подложке, расположены непосредственно у pin-диодов, а в цепях соединения с корпусом выходных каскадов диффузионная емкость pin-диодов и индуктивность полосковых линий передачи рассчитаны таким образом, чтобы образовывать в выходных каскадах последовательные резонансные контуры с собственной частотой, попадающей в рабочую полосу частот защитного устройства.