СВЧ-ограничитель Советский патент 1993 года по МПК H01P1/22 

ч ы

IS

Использование: в радиоэлектронике СВЧ, в защитных устройствах. Сущность изобретения: снижение пороговой мощности ограничения и упрощение Настройки обеспечивается за счет введения коротко- замкнутого шлейфа 2, соединенного параллельно с отрезком 1 линии передачи, в который последовательно-встречно включены детекторный 3 и переключательный 4 диоды. Общая длина 1 шлейфа 2, расстояние между диодами 3 и 4, а также между отрезком 1 и диодом 3 выбираются из приведенных соотношений. 3 ил.

j fo

Ч 00

& ел ся

Фиг.1

Изобретение относится к СВЧ-радио- электронике, а именно к твердотельным самоуправляемым СВЧ-ограничителям мощности, и предназначено для защиты от перегрузок маломощных элементов СВЧ- приемников.

Известны квазиактивные СВЧ-ограни- чители, содержащие отрезок линии передачи, в котором шунтирующим образом включается переключающийся диод, а на расстоянии четверти длины волны от него детекторный диод..:

Недостатком такого ограничителя является трудность в предварительной настройке его параметров на низком уровне мощности, для которой необходимо конструктивно реализовать общую цепь смещения диодов по постоянному току, развязанную от СВЧ-цепи с помощью дросселей. Использование последних приводит к существенному росту вносимых потерь ограничителя на низком уровне мощности. Кроме того, такой ограничитель обладает большими размерами, что также является причиной дополнительного роста вносимых потерь на низком уровне мощности.

Наиболее близким техническим решением к изобретению принятым в качестве прототипа, является СВЧ-ограничйтель, содержащий отрезок линии передачи и цепочку, состоящую из последовательно соединенных разноименными электродами детекторного и переключательного диодов, которая подключена параллельно отрезку линии передачи.

Недостатком такого ограничителя явля,- ется относительно высокая пороговая мощность ограничения. Причина в том, что СВЧ-напряженме падающей на ограничитель волны прикладывается к детекторному диоду не непосредственно, а через емкостный делитель, образованный емкостью переключательного и детекторного диодов. Это значит, что эффективное детектирование, а следовательно, и режим ограничения, будут начинаться при повышенных уровнях падающей СВЧ-мощности. Кроме того, недостатком такого ограничителя, особенно проявляющимся в КВЧ-диапазоне, является вытекающее из его эквивалентной схемы размещение детекторного и переключательного диодов конструктивно в одной шунтирующей основную линию передачи плоскости. Такое включение диодов при разработке ограничителя в коротковолновых диапазонах вследствие того, что размеры диодов становятся сравнимы как с величиной длины волны, так и с размерами линии передачи, ведет к существенному усложнению его конструктивной реализации

и изготовления и, как следствие, к ухудшению его параметров.

Целью изобретения является снижение пороговой мощности ограничения и упрощение изготовления ограничителя.

Указанная цель достигается тем, что в СВЧ-ограничитель, содержащий отрезок линии передачи, один конец которого является входом, а другой выходом ограничителя, детекторный и переключательный диоды, соединенные по постоянному току разноименными электродами, введен ко- роткозамкнутый шлейф длиной L, соединенный параллельно с отрезком линии

передачи, в который на расстоянии четверти длины волны от места соединения шлейфа с отрезком линии передачи последовательно включен детекторный диод, а на расстоянии И от детекторного диода таким же образом

включен переключательный диод, причем длины L и И выбираются из соотношений

IA/4-Hi +А/27Гагс1дХприХ 0; L | А/4+Ц +А/2(1 + arctgX)

j А/2 лгагстд Y при Y 0 ;

И 1

где

А/2 ( 1 +1 arctg Y ) при Y 0 ,

11 ()

II

Z BCtC2 CJZ

ч ч 1

Y

о) Li + Z X

Z - характеристическое сопротивление шлейфа;

А-длина волны; рабочая частота;

Li - индуктивность переключательного диода;

Ci -емкость переключательного диода; С2 - емкость детекторного диода. Введение параллельного короткозамк- нутого шлейфа позволяет изменять место включения детекторного диода относительно переключательного и при подборе определенного расстояния добиться снижения порога ограничения. Кроме того, включение диодов в основную линию передачи не непосредственно, а через параллельный шлейф, существенно упрощает конструктивную реализацию ограничителя, что особенно важно для устройств КВЧ-диапазона, На фиг. 1 приведена эквивалентная схема предлагаемого ограничителя; на фиг. 2 - предлагаемый ограничитель в КВЧ-диапазоне, пример конструктивной реализации; на фиг. 3 - эквивалентная схема ограничителя КВЧ-диапазона.

Устройство содержит отрезок основной линии передачи 1, в который шунтирующим образом включен короткозамкнутый шлейф 2. В один из проводников шлейфа включаются последовательно детекторный 3 и переключательный 4 диоды, при этом они оказываются соединенными по постоянному току разноименными электродами. Для замыкания цепи постоянного тока служит дроссель 5.

Ограничитель работает следующим образом.

При низком уровне входной мощности напряжение на детекторном диоде 3 недостаточно для появления .выпрямленного тока, переключательный диод 4 закрыт и характеризуется высоким импедансом, обусловленным в основном его малой емкостью. Импеданс обоих диодов трансформируется в основную линию передачи таким образом, чтобы обеспечить в сечении включения шлейфа 2 в отрезок линии передачи 1 режим, наиболее близкий к холостому ходу. Затухание, вносимое ограничителем, в этом режиме мало.

По мере увеличения входной мощности СВЧ-напряжение на детекторном диоде 3 возрастает, и при достижении некоторого порогового уровня начинается эффективное детектирование. Возникающий в процессе детектирОЁания постоянный ток протекает через переключательный диод 4, который переходит в состояние с низким импедансом, имеющим индуктивный характер за счет индуктивности выводов диода. В этом режиме импеданс обоих диодов трансформируется в основную линию передачи таким образом, чтобы обеспечить в сечении включения шлейфа 2 в отрезок линии передачи 1 режим, наиболее близкий к короткому замыканию. Затухание, вносимое ограничителем, велико.

В предложенном ограничителе детекторный диод включается в ту точку шлейфа, где находится пучность СВЧ-тока при низком уровне мощности. Это ведет к снижению величины пороговой мощности ограничения устройства. Последнее обусловлено тем, что при низком уровне входной мощности, когда диод закрыт и его импеданс высок, в шлейфе устанавливается стоячая волна, при этом в точке включения переключательного диода в шлейф находится узел СВЧ-тока. Если детекторный диод включать в точку, где находится пучность СВЧ-тока, то в режиме низкого уровня мощности через детекторный диод будет протекать максимально возможный для данного уровня падающей мощности СВЧ-ток и, следовательно, на его внутреннем сопротивлении будет развиваться максимально возможное для данного уровня падающей мощности СВЧ-напряжение. В этом случае пороговое напряжение детектирования бу- 5 дет дастигаться при меньших уровнях падающей СВЧ-мощности, что и приводит к снижению пороговой мощности ограничения. Упрощение конструктивной реализации ограничителя достигается тем, что в предло0 женном устройстве диоды включаются не непосредственно в рассечку линии передачи, а через параллельный шлейф, это позволяет вынести их из одной общей шунтирующей основную линию передачи

5 плоскости и включить их в шлейфе на некотором расстоянии друг от друга. Такое включение обладает существенным преимуществом в КВЧ-диапазоне, где размеры диодов становятся сравнимы с рабо0 чей длиной волны и размерами основной линии передачи, что ведет к усложнению разрабатываемых конструкций или к ухудшению параметров устройств. Так, в КВЧ- диапазоне применение получили диоды с

5 балочными выводами, а из основных типов линий передач - вол новодно-щелевая линия (ВЩЛ). Зазор между металлизациями ВЩЛ равен обычно 70...150 мкм, что значительно меньше, чем размер одного диода с балоч0 ными выводами, поэтому конструктивно невозможно реализовать ограничитель, предложенный в прототипе, так как в малом зазоре ВЩЛ необходимо было бы разместить два последовательно соединенных ди5 ода.

Расчет длин отрезков шлейфа, при кото рых достигаются приведенные ранее уело вия снижения величины порогу ограничения и соответствующей трансфор0 мации импедансов диодов в режимах высокого и низкого уровня мощности, для схемы, показанной на фиг. 1, проведем следующим образом.

Определим длину отрезка шлейфа И от

5 точки включения детекторного диода до точки включения переключательного диода и длину отрезка шлейфа 2 от его короткозам- кнутого конца до точки включения переключательного диода. Длина отрезка шлейфа от

0 места соединения его с линией передачи до точки включения детекторного диода равна Я/4, что следует из условия минимальных вносимых потерь ограничителя в режиме низкого уровня мощности, так как детектор5 ный диод включен в пучности СВЧ-тока, что соответствует сечению эквивалентного короткого замыкания в шлейфе.

Рассмотрим режим низкого уровня мощности, считая импеданс диода чисто емкостным:

Z1H Z2H

1

1

0) (2)

где Ci и С2 - емкости переключательного и детекторного диодов соответственно.

Входной импеданс отрезка шлейфа в сечении hg будет равен;

.(3)

где Z - характеристическое сопротивление

шлейфа.

Входной импеданс отрезка шлейфа в

сечении fg равен

4-ZhgH.(4) Далее определяем входной импеданс

отрезка шлейфа в сечении de:

ZfgH+j-z-tg- i- :.-:: .:

ZdeH Z--------гггТГ1 ® Z+j-ZfgH-tg- pВходной импеданс шлейфа в сечении се равен

ZCeH Z2H + ZdeH .(6)

Условием, при котором одновременно выполняются требования как для снижения порога ограничения, так и для трансформации импедансов диодов в режиме низкого уровня мощности, является соотношение ZceH 0. Учитывая его из соотношений (1)- (6) получаем уравнение, связывающее h и i:

(Z2 w-C21п

(о Ci

.LV. 2jrl2 ., 2 л: И, f Z tg -1- tg --1- +

+ Z2.u).c2.(7)

-Z(f + 1) 0

При анализе режима высокого уровня мощности, учитываем только реактивную составляющую импеданса диода, которая является чисто индуктивной

ZiB j uLi;(8)

.(9) где LI и 1-2 индуктивность выводов переключательного и детекторного диодов соответственно. ....,

Определив по соотношениям (ЗН6) новые значения ZhgB , ZfgB , ZdeB , ZceB, и учитывая требования для высокого уровня мощности ZCeB °°. получаем второе уравнение относительно И и 12

Z- -tg- - -Z-tg х

2л 22яН Л х-r- tg-т- 0

(Ю)

Обозначим через (11)

(12) Решая совместно уравнения (7) и (10),

получаем выражение относительно X: .-х+о--1

GJC1

X

х(1

О) С1 С2

ц- JjLl l±-lЈ-l5L 1 -1 г--с ,г--))-(

(13)

C1 -C2

Решением уравнения (13) является выражение

Х1 2 --Jz-(u,)±.

Ьр-С 1 - -0z fflcicz cj г

(14)

Для определения однозначного физического решения рассмотрим два идеальных состояния ограничителя.

В режиме низкого уровня мощности - это минимальные вносимые потери, чему

соответствует

С1- ОиС2- (15) а в режиме высокого уровня мощности - максимальные потери запирания, чему соответствуетLi - OnL2- 0, (16)

Из условий (15) и (16) следует, что 2 0, ,

что обеспечивает ZabH °° и Zabe 0. С учетом (11) получаем требование , что при выполнении условий (15) и (16) является единственным решением уравнения (13). Этому решению соответствует отрицательный знак перед квадратным корнем в вы ражен ии (14).

Таким образом окончательно имеем:

Y - (// i« - -. - х 2Z («м с ;

45

:f7ir()2-С1

г шскг C2Z ctz

(17) из уравнения (10) находим Y

YШ Ц + Z X

(18)

Отрицательным значением тригонометрических функций в выражениях (11) и (12) соответствуют наименьшие длины li и z, лежащие в интервалах от Я/4 до Я/2. С учетом этого получаем j A/2 jrarctg Xпри X 0 ,12 Я/2 (1+ arctg X) при X 0 . (19)

Я/2 лгагстд Yпри Y 0 ; h t Я/2 ( 1 + iarctg Y ) при Y 0 , (20)

Л

где X и Y определяются соотношениями (17) и (18).

Выбранные таким образом размеры отрезков шлейфа обеспечивают минимальный порог ограничения мощности и оптимальные параметры ограничителя соответственно в режимах низкого и высокого уровня мощностей, общая длина шлейфа равна

L Я/4+Н-Н2.(21)

Пример конструктивного выполнения предлагаемого устройства приведен на фиг. 2.

Ограничитель содержит волновод 6, в Е-плоскости которого размещена диэлектрическая подложка 7 с областями 8 металлизации образующими волноводно- щелевую линию (ВЩЛ) 1 с плавными пере- ходами на волновод (на фиг. 2 граница областей металлизации на обратной стороне подложки 7 показаны пунктиром). На лицевой стороне подложки 7, свободной от металлизации ВЩЛ, выполнена схема, со- держащая полосковый проводник 2, разомкнутый на обоих концах и пересекающий область щели под прямым углом к ней. Детекторный 3 и переключательный 4 диоды включены последовательно в разрывах по- лоскового проводника. Отрезки высокоом- ных и низкоомных линий 9 и 10 длиной Я/4 служат для развязки цепей постоянного тока и СВЧ при настройке ограничителя на низком уровне мощности. Эквивалентная схема устройства приведена на фиг. 3.

Длина отрезка полоскового проводника 2 от нижнего разомкнутого конца до центра щели выбирается равной Я/4, где Я-длина волны в полосковой линии, при этом обеспечивается эквивалентное параллельное подключение полоскового шлейфа к ВЩЛ. Длина отрезка полоскового проводника 2 от центра щели до точки включения детекторного диода равна Я/4, а длина шлейфа L и расстояние между диодами И определяются из приведенных выше расчетов.

Длина отрезка полоскового проводника от детекторного диода до верхнего разо- мкнутого конца определяется путем увели- чения расчетной длины 2 на Я/4, так как в полосковой схеме на конце шлейфа конструктивно проще выполнить условия для холостого хода, чем для короткого замыкания.

Описанная конструкция ограничителя была изготовлена в длинноволновой части КВЧ диапазона в канале волновода сечением 7,2 х 3,4 мм. В разработанном ограничи- теле в качестве детекторного диода использовался диод с барьером Шоттки

ЗА140 А, в качестве переключательного-pin диод 2А553. Ограничитель имел вносимые потери меньше 1 дБ в 5% полосе частот и порог ограничения мощности не более 10 мВт. Максимально достижимая развязка ограничителя равнялась 25 дБ, максимально допустимая падающая импульсная мощность составила 10 Вт.

В сравнении с прототипом и с известными из литературы лучшими отечественными и зарубежными аналогами разработанный ограничитель имеет на порядок меньший порог ограничения мощности при сравнимых остальных параметрах.

Таким образом, в предлагаемом ограничителе обеспечиваются снижение порога ограничения и упрощение конструктивной реализации, особенно существенное для устройств КВЧ-диапазона, без ухудшения других его параметров.

Формул а изобретения

СВЧ-ограничитель, содержащий последовательно соединенные по постоянному току и включенные параллельно в отрезок линии передачи детекторный и переключательный диоды, отлича ю щ и и с я тем, что, с целью снижения пороговой мощности ограничения и упрощения настройки, детекторный и переключательный диоды включены в разрывы введенного коротко- замкнутого шлейфа, причем на четвертьволновом расстоянии от точки подключения короткозамкнутого шлейфа к отрезку линии передачи в него включен детекторный дио на расстоянии И от него - переключательный диод, а длина L короткозамкнутого шлейфа и расстояния И выбраны из условий

j Я/4 +Ц H-A/2JTarctg XприХ 0; L ; 3 / L I, i 3 A, f « о. 1 „. v .. v г л

0,

own)

+ZX

Z - характеристическое сопротивление короткозамкнутого шлейфа;

Я-длина волны;

(О- рабочая частота;

Li - индуктивность переключательного диода;

Ci и С2 - емкость переключательного и детекторного диодов, соответственно.

Фиг. /

0 вця

я/и

т

Фиг.З

1

4