Ограничитель мощности Советский патент 1992 года по МПК H01P1/15 

Предлагаемое устройство относит- ся к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных устройствах СВЧ-диапазона.

Известны ограничители мощности 1-6, предназна -ионные для защиты радиоприемных устройств СВЧ от попа- ния на их вход сигнала (помехи), уровень которого может вывести из строя первые каскады радиоприемника.

Подобные устройства могут быть построены по схеме с внешним управлением J , 2, 31, причем величина проходящей мощности и быстродействие устройства определяются схемой управления. Основным недостатком таких схем является геэфсЬективность работы при воздействии случайной импульсной помехи.

Пассивные СВЧ-ограничители мощности с самоуправлением 4, 5,6 свободны от указанного недостатка. Однако для уменьшения уровня выходной мощности при одной и той же входной мощности помехи необходимо установить в тракт передачи несколько ограничительных диодов, при этом первым от входа устанавливается наиболее мощный диод (с наиболее толстой базой), а на,выходе - с более тонкой базой. Основным недостатком таких ограничителей является низкая эффективность использования диодов: так, чем больше требуется ослабление сигнала, тем больше в тракт передачи СВЧ-энер- гии устанавливается диодов. Увеличение числа диодов увеличивает диссипа- тивные и недиссипативные потери на

СО

1

ся ю

входе приемника и, соответственно, увеличивает коэффициент шума всего радиоприемника, что является недостатком.

Наиболее близким по технической суш- ности к предлагаемому устройству является устройство, принятое в качестве прототипа и содержащее N диодов, первые электроды которых заземлены, входной и выходной отрезки полосковой линии передачи, М параллельно расположенных и электромагнитно связанных между собой четвертьволновых полосковых резонаторов, одни концы которых заземлены (соединены с земляной пластиной), а другие концы соединены соответственно с вторыми электродами N диодов, причем IЈNЈf1. Первый и последний из М четвертьволновых полосковых резонаторов соединены соответственно с входным и выходным отрезками полосковой линии передачи.

Ограничитель мощности, принятый за прототип, работает следующим образом. Принимаемый сигнал поступает на входной отрезок полосковой линии передачи и через электромагнитносвя- занные четвертьволновые лолосковые резонаторы проходит на выходной отрезок полосковой линии передачи. При мощности сигнала иже пороговой диоды остаются закрытыми и сигнал проходит с входного отрезка полосковой линии передачи на выходной отрезок полосковой линии передачи без ослабления. При подаче на входной отрезок полосковой линии передали сигнала, мощность которого превышает пороговую, проводимость диодов увеличивается, в результате чего мощность, близкая по величине к пороговой, поступает на выходной отрезок полосковой линии передачи, а остальная мощность отражается либо рассеивается на диодах, тем самым осуществляется ограничение мощности.

Рассмотрим особенности работы устройства в режиме ограничения мощности.

При мощности сигнала (помехи) выше пороговой в рабочей полосе частот на входе ограничителя мощности проводимость диодов 5 резко увеличивается и четвертьволновые разомкнутые на конце отрезки линии передачи 1 оказываются подключенными к земляной шине с двух концов.

10

15

ZO

737572 4

Такая структура обладает паразитными полосами пропускания. Если одновременно на входе ограничителя мсиг нести присутствует вторая помеха в диапазоне паразитных полос пропускания, то вторая помеха будет передаваться на выход ограничителя мощности с малым ослаблением, что может привести к выходу из строя входных каскадов радиоприемного устройства, на входе которого устанавливается ограничитель мощности.

Таким образом, работа прототипа в условиях взаимодействия помех малоэффективна, что является недостатком прототипа.

Другой недостаток прототипа обусловлен тем, что при установке диодов на концЗх четвертьволновых резонаторов мощность, рассеиваемая на первом диоде от входа ограничителя мощности, будет максимальной. Это ограничивает максимально допустимый 25 уровень сигнала (помехи), подаваемого на вход ограничителя мощности. Тем самым ограничивается, с одной стороны, динамический диапазона по уровню входного сигнала, а с другой стороны, надежность устройства, поскольку надежность такого устройства определяется в первую очередь надежностью первого, наиболее перегруженного диода.

Целью данного изобретения является увеличение верхнего предела допустимого уровня мощности,повышение надежности и избирательности при воздействии помех. При этом под повышением избирательности понимается увеличение потерь в паразитной полосе пропускания.

30

35

40

Поставленная цель достигается за счет того, что в ограничителе мощности, содержащем N диодов, первые электроды которых соединены с общей шиной, а каждые вторые соединены с одним из М четвертьволновых полосковых резонаторов, которые расположены параллельно, электромагнитно связаны и первые концы котерых соединены с общей шиной, причем , а первый и последний из М четвертьволновых резонаторов являются соответственно входом и выходом ограничителя мощности, точки соединения диодов с соответствующими резонаторами смещены относительно их вторых концов на

расстояние , , где i 1... N-1.

Как показал анализ, отличительные существенные признаки являются новыми. Совокупность существенных признаков обеспечивает получение положительного эффекта и в известных науке и технике решениях не обнаружена. Это позволяет сделать вывод, что изобретение соответствует критерию существенные отличия11.

На фиг. 1 приведена схема предложенного ограничителя мощности на базе согласно включенных четвертьволновых связанных резонаторов; на фиг,2 - то же, на базе встречно включенных четвертьволновых связанных резонаторов.

Ограничитель мощности (см.Фиг.1, 2) состоит из М четвертьволновых отрезков линий передач 1, составляющих систему электромагнитно-связанных резонаторов, одни концы которых соединены с земляной пластиной 2 непосредственно. Первый и последний из четвертьволновых резонаторов соединены с входным 3 и выходным k отрезками по- лосковой линии передачи и являются входом и выходом ограничителя мощности. Ограничитель мощности содержит также N диодов 5 (где MiNsH), первые электроды которых заземлены, а вторые электроды соединены с соответствующими четвертьволновыми резонаторами 1, причем точка подключения второго электрода каждого 1-го диода 5, начиная с первого (i 1) от входа ограничителя мощности диода, расположена на плоскости резонатора на расстоянии + , , где i - 1,...,N-1, от незаземленного конца резонатора.

Ограничитель мощности работает следующим образом.

Принимаемый сигнал поступает на входной отрезок 3 полосковой линии передачи и через электромагнитносвя- занные четвертьволновые отрезки линии передач 1 (четвертьволновые по- лосковые резонаторы) проходит на выходной отрезок А полосковой линии передачи. При уровнях мощности сигнала ниже порога ограничения диоды 5 остаются закрытыми и сигнал проходит с входного отрезка 3 полосковой линии передачи на выходной отрезок № полосковой линии, при этом ограничитель выполняет функции полосового фильтра и осуществляет селек

737572б

цию сигналов в рабочей полосе частот. При подаче на входной отрезок полосковой линии передачи мощности сигнала, превышающей пороговую, проводимость диодов 5 увеличивается, и результате чего мощность, близкая по величине к пороговой, поступает на выходной отрезок полосковой ли- 10 нии передачи, а остальная мощность отражается либо рассеивается на диодах 5. Таким образом, при уровнях входной (падающей) мощности выше пороговой устройство выполняет функ- 15 ции ограничителя мощности.

При уровнях падающей мощности ниже пороговой, когда устройство выполняет функции полосового фильтра, влиянием диодов 5 можно пренебречь. 20 При этом условии рассчитываются геометрические размеры устройства. Геометрические размеры устройства, т.е. геометрические размеры четвертьволновых отрезков линии передач 1 и 25 расстояния между ними, рассчитываются исходя из требуемых параметров амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра, например, с помощью пакета прикладных программ ПРАМ-0,3 Зо на ЕС ЭВМ.

. Для того чтобы устройство выполняло функции ограничителя мощности в нем установлены диоды. Для увеличения верхнего предела допустимого уровня мощности, повышения надежно- 5 сти и избирательности при воздействии помех в предложенном устройстве диоды своими вторыми электродами подключены не к концам четвертьволновых полосковых резонаторов, что имеет место в прототипе, а к точкам, расположенным на плоскостях резонаторов, при этом для каждого 1-го диода, начиная с первого (i 1) от входа ограничителя мощности диода, эти точки расположены на расстоянии

II I I-M гДе 1,...|N-1 от незаземленного конца резонатора.

Получение указанного эффекта при таком подключении диодов можно по40

45

50

яснить следующим.

При падающей мощности сигнала Р, на входе ограничителя больше пороговой часть мощности отражается от первого ре-, ппн.-тора, часть мощности рассеивает - ся на диоде, а оставшаяся часть мощности передается на второй резона- тор, и в свою очередь, разделяется

71

на три составляющие аналогичным образом. При прохождении отраженной волны также происходит рассеивание и передача мощности.

Рассмотрим ограничитель-прототип, содержащий N одинаковых открытых диодов, установленных на неэаземлен- ных краях N одинаковых четвертьволновых резонаторов. Допустим, что мощность отраженная от 1-го

Г(ЯО

резонатора, равна мощности Pperci рассеиваемой на соответствующем 1-м диоде, и равна мощности, передаваемой на (1+1)-й резонатор. Тогда, на- -пример, для получим, что мощность, рассеиваемая на каждом i-м диоде, будет равна

рас

рос 4

8

1В Q cos-T(2)

5

0

под

р 1 где Q - добротность резонатора РлЛ1 - падающая мощность

волновое сопротивление резонатора;длина волны..

Из выражения (2), видно, что чем больше расстояние 1; от незаземленного конца резонатора, на котором устанавливается i-й диод, тем меньше рассеиваемая на диоде мощность. Поскольку в предлагаемом устройстре выполняется условие 1-, 1«1Г , то в устройстве обеспечивается более равномерное, чем в прототипе, распределение рассеиваемой мощности между диодами. Тем самым увеличивается максимально допустимый уровень входной мощности и одновременно повышается надежность всего ограничителя мощности.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных устройствах СВЧ-диапазона. Целью изобретения является увеличение верхнего предела допустимого уровня входной мощности, надежности и избирательности. Ограничитель содержит электромагнитно связанные четвертьволновые бтрезки линии передачи 1, диоды 5. При уровнях мощности ниже порога ограничения диоды 5 закрыты, и мощность СВЧ проходит со входа на РЫХОД. При увеличении мощности диоды последовательно в зависимости от величины связи с отрезками линии передачи открываются и отражают мощность, превышающую пороговую, между диодами равномерно, что обеспечивает работу ограничителя при повышенном уровне мощности. 2 ил. g

Грвс5Такое распределение рассеиваемой мощности на диодах справедливо для идеализированного прототипа, однако оно позволяет показать,, насколько сильно различаются1 мощности, рассеиваемые на пе0вом и последующих диодах в прототипе, что обуславливает снижение динамического диапазона и надеж ности.

В отличие от прототипа в предложенном устройстве обеспечивается уменьшение различий в мощностях, рассеиваемых на диодах. Указанное выравнивание мощности обеспечивается подключением диодов к точкам, расположенным не на концах резонаторов, как в прототипе, а к точкам, расположенным на плоскости (на теле) резонаторов. При этом используется тот факт, что при прохождении СВЧ- энергии через рассматриваемую систему связанных резонаторов в конце каждого четвертьволнового отрезка линии передач, который соединен непосредственно с земляной пластиной, будет минимальное значение напряженности электрического поля, а в противоположном его конце - максимальное. В промежуточной точке, расположенной в резонаторе (с i-м диодом) из расстоя- нии 1; от незаземленного его края, напряженность поля будет равна

Выражение (2) можно использовать для приближенного определения 1, например, в случае одновременного .срабатывания Диодов при достижении

пороговой мощности.

В реальных ограничителях мощности распределение электрических полей значительно сложнее, чем описано выше, оно зависит от структуры, геометрических размеров резонаторов, расстояния между ними, материала (подложки и многих других, в том числе нелинейных, параметров диодов, поэтому практически определение местоположения точек включения диодов 1{ в ограничителе целесообразно производить с помощью ЭВМ, например, с помощью пакета прикладных программ ПРИМ-0,3 на ЕС ЭВМ,

которая позволяеть учитывать указанные факторы.

Точка подключения диода к резонатору определяет резонансные свойства резонатора при уровнях входной

мощности выше пороговой. При предложенном подключении диодов уменьшается, по сравнению с прототипом, электромагнитная связь между резонаторами, что приводит к уменьшению

коэффициента передачи в паразитной полосе частот при входной мощности, большей пороговой. Тем самым повышается избирательность ограничителя мощности при воздействии помех.

Справедливость сказанного подтвждается примером расчета частотных характеристик прототипа и предложеного устройства на ЭВМ ЕС-10 6 с пмощью пакета прикладных программ ПРАМ-0,3 для следующих условий: Диапазон рабочих частот, ГГц1,2-1,3

Неравномерность АЧХ в рабочей полосе частот, дБ, не более 1,0 Материал подложки поликор Толщина токопроводя- щего слоя меди, мм Экран удален от подложки на расстояние, мм15 0 Входное и выходное сопротивление ограничителя мощности, Ом Количество диодов Количество резонаторов

-

Након изменения

50,0 3 3

(3:i) г

{ 2 8

Расчет показал, что в предложенном устройстве коэффициент передачи в паразитной полосе частот (2,35- 2,550 ГГц) на 10 дБ меньше, чем в ограничителе-прототипе.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства, по сравнению с прототипом, определяется увеличением верхнего предела допустимого уровня мощности входного сигнала за счет более, равномерного распределения рассеиваемой мощности между диодами, что позволяет испояьЗо- вать диоды одного типа, одновременно увеличивается надежность всего устройству.

Кроме этого, в предлагаемом ограничителе повышается избирательность

37572 °

при воздействии помех за счет лагаемого включения диодов и из&е- нения в результате этого резонансных свойств, что позволяет уменьшить, по сравнению с прототипом, прохождение на выход ограничителя мощности помех в паразитной полосе частот (на 10 дБ) и предохранить от выго- 10 рания первые каскады радиоприемного устройства, на входе которого уста- навливается ограничитель мощности.

Указанные преимущества предлагае- ч5 мого технического решения делают

целесообразным использование данного технического решения в радиотехнических системах различного назначения.20 Формула изобретения

Ограничитель мощности, содержащий N диодов, первые электроды которых соединены с общей шиной, а каждый

25 второй соединен с одним из Н четвертьволновых полосковых резонаторов, которые расположены параллельно, электромагнитно связаны и первые .концы которых соединены с общей ши30 ной, причем M -Nitt, а первый и по- . следний из М четвертьволновых резонаторов являются соответственно входом и выходом ограничителя мощности, отличающийся тем, что, с целью, увеличения верхнего предел ла допустимого уровня мощности, повышения надежности и избирательности при воздействии помех, точки соединения диодов с соответствующими ре зонаторами смещены относительно их вторых концов на расстояние где i - 1...H-1.

. Ј7//yj///S7Z.

A I H ,

W///////S/W///JA

J

A-A

X

y;:// 7

$

/

6-5