Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации
РОСТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Нойкин Ю.М., Прищенко А.М.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению специального лабораторного практикума "Нелинейные твердотельные устройства СВЧ" (специальность 071500 радиофизика и электроника) Часть I
ОГРАНИЧИТЕЛЬ
Ростов-на-Доиу
1 9S8
Кафедра прикладной электродинамики и компьютерного моделирования
Печатается по решению учебно-методической комиссии физического факультета и рекомендовано в качестве методических указаний к выполнению специального лабораторного практикума “Нелинейные твердотельные устройства СВЧ” для студентов 5-го курса дневного отделения.
Основание: Протокол N8 ст 7 октября 1997 г.
Ответственный редактор - зав. кафедрой прикладной электродинамики и компьютерного модели-• рованйя, профессор Синявский Г.П.
Рецензенты: доцент Петин Г.П. (кафедра радиофизики) доцент Новиков М.С. (кафедра физики полупроводников)
Авторы:	Прищенко Александр Михайлович, к.т.н
Нойкин Ювеналий Михайлович, доцент
Издание 2-е, переработанное и дополненное
- 3 -
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Hi
ОГРАНИЧИТЕЛЬ СВЧ МОЩНОСТИ
Цель работы- изучить физический принцип действия, устройство и характеристики полупроводникового ограничителя СВЧ мощности ка диодах с р-п - переходом.
переписать в рабочую тетрадь:
название и цель лабораторной работы, основные формулы, рисунки и положения, необходимые при ответе на контрольные вопросы.
. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Огран.гчители относятся к так называемым самоуправляемым "пассивным" устройствам, характеристики которых (коэффициент передачи или отражения) изменяются не под действием внешнего управляющего постоянного напряжения, а при воздействии поступающего на вход самого сигнала СВЧ.
Ограничитель СВЧ - это четырехполюсник, затухание в котором резко увеличивается при достижении падающей мощьностью уровня, называемого порогом ограничения.
Ограничитель СВЧ предназначается для снижения дс безопасного уровня мощности, поступившей на вход приемника.
Полупроводниковые ограничителя СЕЧ применяются в основном для защиты входных цепей приемника от разрушающегося воздействия сильных импульсных сигналов собственного передатчика или внешних сильных несинхронных помех. Полупроводниковые ограничители дополняют газовые разрядники защиты приемника,, к недостаткам которых относятся: непродолжительный срок службыt сравнительно большие габаритные размеры и масса; наличие в ряде случаев большой просачивающейся мощности.
В настоящее время полупроводниковые ограничители уступают устройствам с газовыми разрядниками только по уровню падающей мощности, однако существующие конструкции ограничителей и прогресс
-4 -
полупроводниковых приборов СВЧ позволяет надеяться, что полупроводниковые ограничители вытеснят устройства с газовыми разрядниками в перспективных разработках о импульсной мощностью в сотни киловатт,
2 АМПЛСГУДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
В зависимости от вида выходных самоуправляемые устройства разделяются на стабилизирующие (рис.1,а), блокирующие (рис. 1,6) и ограничительные (рио.1,в).
Характеристики самоуправляемых устройств
Рис.1
Стабилизирующие устройства, предназначенные для поддержания постоянным уровня мощности на выходе, как правило, рассчитываются . на большой динамический диапазон изменения мощности на входе (более 10 ДБ). Причем в режиме пропускания стабилизирующее устройство не должно вносить значительны:: потерь в проходящем сигнале. В отличие от ограничительных устройств выходная характеристика идеального стабилизатора должна быть близка к кусочно-ломахой линии, т.е. в допороговом режиме характеристика будет биссектрисой прямого угла* Начиная с Рвх*Рогр» мощность на выходе поддерживается постоянной. Такое устройство может использоваться в схемах онип-генераторов, где оно должно отвечать требованию широкополос-ности.
В устройствах, в которых средняя мощность сигналов в режиме
ограничения значительно превышает допустимый уровень, можно использовать устройства блокирующего типа, имеющие N- образную выходную характеристику. На выходе такого устройства мощность резко падает, если мощность на выходе превысит пороговый уровень, а величина затухания возрастает скачком. В дальнейшем при нарастании мощности на входе мощность на выходе остается постоянней или слабо растет.
Диодный ограничитель имеет два состояния: пропускания - при малой мощности сигнала и запирания - при большой мощности. Переход из одного состояния в другое основывается на нелинейных свойствах полупроводниковых диодов и осуществляется с помощью управляющего напряжения, которое образуется за счет прошедшей СВЧ мощности.
Рассмотрим более подробно работу ограничителя. Ограничительные диоды устанавливаются, как правиле, параллельно линии передачи. При низком уровне падающей мощности (ниже порога ограничения) проводимость диода мала, и мощность на выходе устройства при уровне мощности ниже порога ограничения составляют около 0,5 дБ в дециметровом и 1-1,5 дБ в сантиметровом диапазонах. На рис.2 эта часть харктеристики обозначена римской цифрой I.
Характеристика ограничителя
Вис. 2
При дальнейшем увеличении уровня падающей мощности линейная зависимость между мощностями на входе и выходе ограничителя нарушается из-за значительного увеличения проводимости ограничительного диода при увеличении падающей мощности. Этот участок (II) представляет собой плоскую часть, занимающую при ударной конструкции ограничителя три-четыре порядка изменения входной мощности.
В конце характеристики II проводимость диода.перестает увели
чиваться при возрастании падающей мощности и начинается участок
характеристики (III), где проводимость ограничительного диода вс
лика и постоянна. На участке III с падающей мощностью.
Процесс установления режима ограничителя
быстром нарастании колебаний
мощность на выходе линейно связана
Наконец, на участке IV происходит разрушение диода из-за превышения выделяемой в диоде мощностью номинальной мощности рассеяния диода.
Рассмотрим процесс установления рабочего режима ограничителя во воемени на рис.З. На этом рисунке показано увеличение мощностей Р^х на Фронте радиоимпульса и Рвых на выходе ограничителя. При на фронте радиоимпульса сказывается
время установления низкого сопротивления ограничительного диода, и
в начале импульса просачивающейся мощности на выходе ограничителя
имеется пик мощности. Его длительность и амплитуда зависят от со
отношения крутизны фронта радиоимпульса и времени установления
низкого сопротивления диода. Эти явления привели к созданию огра-
ничителей, на входе
которых устанавливается более мощный и более
инерционный диод, а в следующем каскаде диод менее мощньй и менее
инерционный. При этом получается ограничитель, рассчитанный на значительную падающую мощность и имеющий в то же время низкий порог ограничения, на выходе которого отсутствуют пики мощности на фронте просачивающего импульса.
3 ПАРАМЕТРЫ
Параметры ограничителей делятся на две группы: высокого уровня и низкого уровня мощности. Парамэтры для высокого уровня мощности:
1)	большие потери запирания LB, характеризующие ослабление сигнала при прохождении через ограничитель;
2)	малая просачивающаяся мощность на выходе ограничителя;
31	малое время восстановления tBOC, определяющее продолжи-
телькость перехода ограничителя от режима запирания в режим пропускания.
Параметры для низкого уровня:
1) малые потери пропускания Ln при малой входной мощности;
2) малая величина коэффициента отражения от входа;
S) широкая полоса рабочих частот;
Л) порог ограничения Рогр (см. рис.1,в), который определяется мощностью сигнала на входе, под воздействием которой потери пропускания увеличиваются в два раза по сравнению с потерями пропускания при минимальной мощности, т.е. на линейном участке.
4 ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ СВЧ
Парс диодов действует подобно
В качестве ограничительных используются ряд полупроводниковых диодов с различными физическими свойствами.
Точечные р-п - диоды. Такие диоды могут работать в ограничителях малого уровня мощности. При установке двух диодов о разной полярностью параллельно линии передачи получается вольт-амперная характеристика, показанная на рис.4. Эта характеристика может быть аппроксимирована линейно-ломанной линией с точками излома + Ди. низкочастотному ограничителю.
Варакторные диоды. Если емкость пары варакторных диодов, включенных в линию передачи аналогично р-n -диодам на рис.4, скомпенсиро
вать при малых амплитудах СВЧ сигналов параллельно включеннсп индуктивностью, то при больших сигналах происходит их ограничение из-за сильной расстройки образовавшегося папаллельного колебательного контура. Это явление объясняется уменьшением динамической
Рис. 4
оГИХ диодов
емкости диодов при воздействии больших амплитуд СВЧ колебаний.
Специальные ограничительные диоды СВЧ. Характерной особенностью является значительное увеличение активной и емкостной
составляющих проводимости при увеличении падающей мощности (или точнее, приложенного к диоду напряжения) выше порога ограничения. Увеличение проводимости диода способствует появление постоянной составляющей тока, которая играет роль постоянного тока в р-n -диодах. Ограничительные диоды нормально работают при падающей мощности, составляющей сотни ватт.
Р-1-n- диоды о тонким i- слоем. Известно, что сопротивление р-1-n- структуры может уменьшаться как под влиянием постоянного тока, что используется в упрвляемых переключателях, так и под влиянием СВЧ тока большой амплитуды. Сопротивление р-1-n- структуры
г * w/(/D/u>£I),
где D - коэффициент диффузии; I - сила Тока СВЧ, протекающего через 1 -слой; В я е/КТ - отношение заряда электрона к произведению постоянной Больцмана на температуру кристала в кельвинах.
При СВЧ токе, равном 10 А, сопротивление 1- слоя составляет доли Ома. Диоды СВЧ, разрабатываемые специально для ограничения СВЧ сигналов, имеют параметры, очень близкие к параметрам коммутационных диодов.
Различие р-гъ и р-1-n- структур приводит к различию рабочего уровня мощности (у р-1-n- структур выше) и быстродействия (у р-п-структур выше). Различие в уровне мощности объясняется значительно большим объемом р-1~п- структуры (при одной и той же величине емкости диода объем р-1-n- структуры ча 3-4 порядга больше оъема р-n- структуры), а меньшее быстродействие обусловлено накоплением в i-м слое большого заряда неосновных носителей, время рассасывания тВос которых велико.
В цепях и фазе-модулированным или частотно-модулированным сигналом, где нежелательно паразитное преобразование амплитудной модуляции в фазовую, например на входе приемников, перед демодулятором или в передатчике на выходе частотного (фазового) модулятора, ис-
10 20 р ,мВт пользуют двусторонние ограничители Рис. 5 ftM’ СВЧ на смесительных диодах с барь
Рабочие характеристики
Рвьн,м®т z
ером Шоттки (ДНИ). У этих диодов практически нет накопления зарядов неосновных носителей и связанной с ним реактивности, следовательно, вносимый ими фазовый сдвиг не зависит от уровня маплитуды СВЧ.
' На рис.5 показаны примерные рабочие характеристики неуправляемых диодных ограничителей на p-i-n-диоде, р-n-варакторе и ДБШ.
5 КОНСТРУКТИВНОЕ (КЮРПЛЕНИЕ ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫХ
та
Иов
По конструктивному оформлению ограничительные диоды могут быть разбиты на следующие типы: (Зеркорпусные диоды, диоды в герметичном корпусе, диодные сборки. К бескорпусным относятся диоды, Формально имеющие корпус того или иного вида, но не защищенные от воздействии атмосферной влаги.
Конструкции бескорпусных ограничительных диодов, применяемых наиболее часто для установки в микрополосковые гибридно-интегральные схему (ГИО) СВЧ, показаны на.рис.6.
На рис.6,а показан диод, состоящий из полупроводниковой структуры I, металлического основания 4 и плоского вывода 3. Структура защищена от механических воздействий и частично от воэ-
Конструкции ограничительных диодов
Рио. 6
действия влаги пластмассовым покрытием 2. Диод, показанный на рис. б, б, расположен на керамическом основании типа "кроватка". На этом рисунке: I - полупроводниковая структура, 2 - керамическое основание, 3 - металлизированные участки керамики, 4 - соедини-
10 -
тельная плоская перемычка. Металлизированными плоскостями А диод припаивается к мп'рополосковой линии, имеющей поперечный разрыв шириной около 0,5 мм. Таким образом диод включается в линию последовательно. Полупроводниковая структура заливается лаком, предохраняющим диод от механического повреждения и частично от воздействия влаги. На рис.6,в показан диод, конструкция которого аналогична конструкции рис. 6, а, но двусторонний плоский вывод 3 позволяет включать диод последовательно в разрыв микрополосковой линии
с минимальным рассогласованием.
Конструкция ограничительного диода в керамическом корпусе
На рис.7,а показана конструкция ограничительного диода, в которой керамический корпус служит для за-
а)	б)
Рис. 7
щиты кристалла полупроводника от внешних возд- 'ствий. Емкость керамического корпуса составляет примерно 0,2 пФ. На этом рисунке: I- медный держатель, 2- керамическая втулка, 3- кольцо, 4- крышка, 5- сетчатый вывод и б- кристалл. Сетчатый вывод сравнительно большой площади позволяет уменьшить индуктивность вывода диода и довести ее до десятых долей наногенри. Диоды указанного типа могут быть успешно использованы в
в коаксиальных, волноводных и полосковых устройствах СЕЧ.
Перспективная конструкция диода для полосковых и микрополос- . ковых линий показана на рис.7,б. Это диод, предназначенный для параллельного включения в передающую линию и согласованный в обесточенном состоянии с волновым сопротивлением линии, равным 50 Ом. Емкость диода и индуктивность выводов представляют собой фильтр низких частот с высокой частотой среза. Исполнение диода герметичное.
6 ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА
Эквивалентные схемы ограничительных диодов представляют собой активное сопротивление г» при работе диода в режиме больших напря-
11
Эквивалентная схем=»
а)	б)
Рис. 8
жений СВЧ (рис.8,а) и после^йвател:-ную цепь, состоящую из емкости С и сопротивления Zh при работе диода в режиме малых напряжений СВЧ (рис.8,б). В данном случае под большими и малыми напряжениями СВЧ подразумеваются напряжения, большие или меньшие порога ограничения.
7 ЭЛЕМЕНТЫ РАСЧЕТА
7.1 S - матрица
Ограничитель СВЧ в каждом из стационарных состоянии может быть представлен в виде линейного пассивного многополюсника. Рассмотрение таких многополюсников проводится с привлечением матричного методаг который стал основным методом анализа цепей в технике СВЧ. Элементы, на которые разбивается ограничитель в процессе анализа его свойств, также представляют собой элементарные четыре. ю-люсники СВЧ. Для линейного четырехполюсника существует большое количество форм записи зависимостей между токами и напряжениями на его зажимах. Познакомим с одной из таких форм записи.
На СВЧ практика измерений оперирует с величинами, характеризующими волновой процесс -• коэффициентами отражения и передачи. Теорию СВЧ многополюсников, построенную на основе этих понятий, легко сравнивать с экспериментом. Поэтому особенно продуктивным оказывается метод матрицы рассеяния S (от англ., scattering - рассеяние), введенный специально для анализа СВЧ цепей. Вместо сопротивлений и проводимостей в матрице рассеяния используются комплексные коэффициенты отражения и передачи волн по напряжению между соответствующими парами полюсов.
Если ограничитель представить эквивалентной схемой четырехполюсника, подключенного к двум однородным длинным линиям (рис.9), то можно записать уравнения, определяющие связь между падающими и отраженными волнами на входе и выходе четырехполюсника в виде
- 12 -
Линия передачи с четырехполюсником
Рис. 9
Uiotp “ SiiUiпал + SifcUgoTPf
Ugrian
 S.21Uinan + ?22^2отр»
построенные по следующему правилу: в левой части уравнений (1) стоят амплитуды волн, расходящихся от четырехполюсника (рассеиваемые), а в правой - сходящиеся к четырехполюснику (набегающие).
В матричной записи уравнения приобретают вщг
>*  Uiotp	к '	S11	• S12	♦ г А	• Ulnar
-2пал		S21	S22 <		U2OTP •
(2)
где ^21 “ коэффициент передачи устройства со входа 1 на выход 2; Зц - коэффициент отражения на входе при согласованном выходе уст
ройства (нагруженного на 50 Ом);
S22 - коэффициент отражения на
выходе при согласованном входе (нагруженном на 50 Ом); S12 - коэф
фициент передачи в обратном напрвлении, т.е. с выхода 2 кг входу 1.
Численные значения коэффициентов S i и могут быть получены экспериментальным путем или иа теоретических соображений.
7.2 Применение матриц для расчета
Большинстве расчетов , связанных о нахождением параметров ограничителей, может быть выполнено, если известны матрицы простей-оих четырехполюсников: параллельно включенной в линию комплексной проводимости Y, последовательно включенного в линию комплексного
13 -
сопротивления Z и отрока линии с заданным волновым сопротивлением Zb и электрической длиной 6 (рис.10).
Зля проводимости, включенной параллельно в линию (рис. 10,а),
Простейшие четырехполюсники
а) имеем:
б) Рио.10
(См.Приложение )
(3)
l+Y/2	Y/2
-Y/2	1-Y/2
-Y/(2+Y) 2/(2+Y)
2/{2+Y)	Y/(2+Y)
(4)
(5)
На рис. 10 верхи! схемы относят ~т к матрицам формы СА1, нижние - к матрицам передачи СП и рассеянг-' CS]. В выражениях (4)-
(5) величина Y-y Zo«y/Yo, где Yq и Zq - волновая проводимость и
“□противление линии соответственно, т.е. Y - нормированное значение проводимости у.
14 -
Для сопротивления, включенного в линию последовательно
(рис.10,б),
l+Z/2 -Z/2
2/Z	1-Z/2
-Z/(2+Z)
-2/(2+Z)
2/(2+Z)
Z/(2+Z)
(6)
В выражениях (7),(8) Z-Z/'Zq - но^ гированное значение сопротивления 2.
Для отрезка линии передачи с электрической длиной 0 и волно-р *м сопротивлением ZB имеем (рис. 10,в) (здесь не приведены матрицы СТЗ и CS3 для произвольного значения ZB ввиду их громоздкости):
cosQ jpsinQ
(jsinQ)/p cosQ
(9)
Здесь ZB - волевое сопротивление отрезка линии, нормированное к
волновому сопротивлению подводящих линий.
7.3 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ
Рассмотри? схему, состоящую из отрезка линии и включенного параллельно диода. Если реактивные параметры диода скомпенсированы, он может быть представлен в виде активной проводимости G, принимающей значение G+ и G- для открытого и закрытого состояний диода соответственно. При любом состоянии диода часть падающей мощ-' ности отражается от диода, часть проходит в нагрузку, а часть рас-
15 -
свивается в самом диоде. Этот баланс мощностей может быть 'записан следующим образом:
Рпад • Ротр + Рпроот + Ррас»
где Рпад - мощность падающей волны; Ротр “ мощность отраженной волны; Рпрош “ мощность в нагрузке; Ррас “ мощность рассеяния в диодез
Это выражение может быть переписано в виде
/
Ррас /Рпад а 1 “ Ротр/Рпад “ Рпрош/Рпад-
Обращаясь к матрице рассеяния параллельной проводимости (5), получаем:
Ррас /Рпад ж 1 " I Sul " lS2iiZ °
- 1 - CG/(2+G)]z - C2/(2+G)]2 ИЛИ
Ррас /Рпад - 4G/(2+G)2.	(10)
Нетрудно убедиться, что эта функция имеет максимум, равный 0,5 при G - 2.
На рис. 11 показана зависимость относительных мощностей рассеяния, отраженной и прошедшей мощности от проводимости диода. С
16 -
учетом (4) выражение (10) может быть записано следующим образом:
Ррас /Fo - 2(/L - 1)/L, где L - ~отери пропускания или запирания, соответствующие открытому и закрытому состоянии диода. Оно показывает связь мощности рассеяния о потерями пропускания или запирания. Максимум рассеяния достигается при потерях, равных б дБ (4 раза).
Рассмотрим важные для практики случаи, когда проводимость диода принимает очень малое (G<1) или очень большое значение (G>1).
Для первого случая (режим пропускания)
Ррас /Рпъд * &-»	(W
а для второго (режим залипания)
Рпас /Рпа.л “ 4/в+<	(12)
7.4 Модель идеального диода
Сели принять, что активная проводимость закрытого диода близка к нулю, а проводимость открытого диода стремится к бесконечно большому значению, то можно получить модель, которая помогает с достаточной точностью определить значения токов и напряжений СВЧ, при которых работает диод, а также рассеиваемую диодом мощность и значение вносимых им потерь.
Рассмс рим выключатель,, модель которого показана на рис.12.
Схемы выключателя
а)
PH'"*. 12
“ 17 “
Ток черев открытый диод с принятыми ’выше п^ближекилми численно равен I « Е, так как при нормировании сопротивлений относительно zo нормированное значение То - 1. Мощность, рассеиваемая в диоде
Ррас ж IX/GU ж Ел(?4-.
Номинальная мощность генератора равна мощности падающей волны: Ро = Е2/4, отсюда Ррас/Ро = 4/G+; это выражение совпадает с (12). При закрытом диоде напряжение в линии U - Е/2.
Мощность, рассеиваемая в диоде,
Ррас - U2^ ’ EZG-/4,
а относительная мощность, рассеиваемая в диоде,
Ррас^Ро ж G-,
что совпадает с (11).
Модель идеального диода дает возможность в ряда случаев оценить потери в схеме.
Вернемся снова к рассмотренному примеру с параллельно включенной в линию передачи небольшой активной проводимостью, т.е. к закрытому диоду с компенсированной реактивной составляющей проводимости. Из (5) следует, что при 0<1 отраженная часть мощности генератора
|г|2 - isiii2 * е2../4,
а потери пропускания
Ln ** 1 + G-.
В то же время относительная мощность, рассеиваемая в небольшой проводимости, согласно (11), численно равна GL. Отсюда следует, что три малой проводимости мощность рассеяния много больше мощности отраженной волны. Это видно из рис.11. Таким обоазом, потери в схеме и мощность, рассеиваемая в диодах, связаны соотношением
~п ж 1 + (EFpar) / Рпяд 
Зга формула справедлива как для последовательно, так и для параллельно включенных диодов при малых потерях в схеме.
Таким образом, метод идеального диода позволяет найти значе-* ние токов и напряжений в полупроводниковых элементах. определить мощности рассеяния в отдельных элементах и общие потери в схеме.
8 СХЕМЫ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ
8.: Салоуправляемый ограничитель со смесительным диодом
Схемы ограничителей мощности выполняют внешним управлением или без него. В последнем случае в схему вводят дополнительно смесительный диод V3 (рис.13). В этом случае получается электрическая схема (по постоянному теку) ограничителя мощности с автосмещени°м.
Смесительный диод вследствие
большей, чем у p-i-n - диодов чувствительности к СВЧ мощности, отк-
Схема ограничителя
Вход
VI
Рис. 13
рнвается при меньшем уровне мощ-
ности, чем p-i-n - диоды VI и V2,
и с него снимается напряжение смешения для p-i-n - диодов, которое Вых. понижает порог срабатывания огра-__ ничителя.
Ограничитель со смесительным ди-
едем подпитки работает следующим образом. Когда уровень проходящей
через ограничитель мощности достигает достаточно большой величины (порядок нескольких милливатт),
диод подпитки открывается. Выпрямленный ток, проходящий через него, замыкается через p-i-n - диоды и понижает порог открывания. Так как передний фронт пришедшего СВЧ импульса всегда наклонный, то р-1-n- диоды, начав открываться с помощью диода подпитки при прохождении нижней части фронта, уже достаточно открыты при прохождении его верхней части, Т.е. быстродействие ограничителя увеличивается. Когда p-i-n- диоды открылись, они отражают большую часть пришедшей мощности, таким образом защищают последующую
часть приемника, а также и диод подпитки.
8.2 Самоуправляемый ограничитель о дополнительном выпрямитель ным диодом
Именно этот вид ограничителей позволяет при умеренном числе диодов в устройстве работать на уровне импульсной мощности до 100 кВт в дециметровом диапазоне Схема ограничителя	длин волн. Схема ограничителя в
_____________ простейшем случае состоит из Г____________tr	р-1-n- диода VI, компенсирующей
О	индуктивности выпрямительного дио-
’ i	» l	да у? и элемента связи (ЭС) диода
Вход ЗС L£ VIУ Выход V2 с линией (рис. 14).
	|	Схема ограничителя с элементом связи на входе допускает возмож-
Рис.14	ность независимой проверки диода с
алементом связи на высоком уровне мощности и подбора нужного тока 1о при нагрузке по постоянного току диода V2 на диод VI. В схеме форсируется процесс установления затухания путем выбора расстояния между диодом VI и алементом связи (если последний не обладает направленным хари стером). Действительно, по мере увеличения проводимости диода в начала радиоимпульса в соответствующих точках линии передачи будет увеличиваться напряженность магнитного (или электрического) поля при формировании стоячей волны, характерной для стационарного режима. При установке элемента связи в эти точки процесс установления затухания будет форсирован.
	6'	:	-	•	. •	
9 ПРИМЕР ПРИМЕЫЕПИЯ ОГРАНИ*4ИТЕЛЯ
В радиолокационных приемопередатчиках полупроводниковые защитные устройства приемных цепей применяются совместно с ферритовыми циркуляторами. В качестве примера рассмотрим защитное устройство ЧЗУ) в аппаратуре активных фазированных антенных решетках (ФАР) твердотельных радиолокационных станций (РЛС).
На рис.15 показана часть схемы электронной аппаратуры твердотельной РЛС. Зондирующий импульс с выхода транзисторного передатчика с независимым возбуждением (1) подается на плечо I X-циркулятора (2) и через плечо циркулятора 2 и фильтр (3) - на делитель с
Схема защитного устройства
Рис.15
ленная от плеча 2 X - циркулятора.
Действительно, при значении КСВН на входе фильтра (3),
излучателями (4).
Мощность зондирующего импульса передатчика составляет примерно I кЕт, при скважности около 5,5, рактерной для твердотельной РЛС.
В плечо 3 циркулятора попадает мощность, отраженная от входа фильтра, и мощность, просачивающаяся из-за конечного значения развязки циркулятора, составляющей, как правило, 20-26 дБ. Нетрудно убедиться в том, что в рассматриваемой схеме основную долю -мощности, попадающей на вход ЗУ (Г), составляет им нно мощность, отра-
равном
1,5, что является в данном случае достаточно хорошим уровнем согласования, отраженная мощность составляет примерно 14 дБ от падающей. При этом мощность, просачивающаяся на ЗУ, из-за конечной развязки циркулятора будет значительно меньше.
Применение в схеме четырехплечевого циркулятора (X - циркулятора) объясняется тем, что в режиме передачи модуль коэффициента отражения от ЗУ, в режиме передачи попадает на выход передатчика (1). Таким образом, на работу передатчика не влияет мощность, отраженная от фильтра (3) и делителя строки (4). Схема управления (8) вырабатывает сигнал управления ЗУ, который начинает формироваться немного раньше зондирующего импульса, а заканчивается немного позже его окончания.
В режиме приема сигналы с выхода делителя (4) через фильтр (3), X - циркулятор (2) и ЗУ (5) попадают на вход.малошумящего усилителя (6). Следует обратить внимание на очень малое значение потерь в элементах схемы. Суммарные потери в фильтре, плече циркулятора и ЗУ не превышает 0,5 дБ.
- 21
10 ИЗУЧАЕМЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
О
10.1 Используемый режекторный фильтр
Поскольку в данной работе рассматривается ограничитель на основе режекторного фильтра, рассмотрим режекторный фильтр несколько подробнее.
К большинству устройств СВЧ диапазона предъявляютс'7 требования передачи определенных частот сигнала от одного участка тракта к другому с минимальным затуханием. При этом нежелательные частоты подавляются полоснопропускающим фильтром обычного типа.
Однако, если на какой-то’ определенной частоте помеха особенно велика или генератор вырабатывает ограниченное число частот, то высокое затухание требуется только на некоторых частотах. В этих и других случаях один или несколько полоснозапирзющих фильтров, подавляющих только определенные нежелательные частоты, оказываются
более эффективными по сравнению
АЧХ режекторного фильтра
с полоонопропускакмдиж.
Типовая частотная характеристика рабочего затухания полосно-заграждающего режекторного фильтра чебышевского типа отражена на рис. 16, где fn и f-n - граничные частоты, определяемые по уровню рабочего затухания <хп; fa и f-э - граничные частоты, соответствующие рабочему затуханию а3. Расчетное значение затухания на центральной частоте fo полосы заграждения равно бесконечности. Между тем на тракте из-за наличия активных потерь в фильтре затухание вблизи частоты fo принимает конечные значения (пунктирная линия на рис.16).
Рио.16
22 -
Топология режекторного фильтра
10.2 Используемый диод
СЕЧ полссно-заграждающий фильтр, реализуемый в виде мякрополосковой линии передачи (МЛл) с разомкнутыми шлейфами представлен на рис. 17. Г'ины соединительных отрезков 1 и шлейфов 1ш близки к Ар/4, определенной в полосковой линии.
Средними частотами запирания служат те, на которых длина разомкнутых шлейфов становится равной одной четверти длины волны или нечетному числу четвертей длин волны.
Используемый диод 2А522А-2 является серийным; имеет конструк
цию, рассчитанную на включение в разрыв микрополосковой линии.
Первая цифра маркировки означает материал, из которого изготовлен диод: 2 - кремний. Буква А означает СВЧ. Первая цифра после буквы означает классификационный номер: 5 - коммутационный диод. Последующие две цифры указывают номер разработки. Следующая за ними буква А означает модификацию по электрическим параметрам. Последняя цифра 2 означает, что выводы ленточные.
Конструкция диода приведена на рис.16. Здесь 1 - полупроводниковая структура, 2 - защита от механических повреждений и от воздействия влаги пластмассовым покрытием, 3 - двусторонний плоский вывод, 4 - металлическое основание.
Цифференциальное сопротивление при прямом токе 1Пр * 100 мА Гдиф < 1,8 Ом, что соответствует большому уровню мощности. Сопро-
тивление потерь диода при низком уровне СВЧ мощности, включенное последовательно о емкостью, при температуре плюс 25° Г гкиа -12 Ом, при температуре плюс 125° С Гниа в 17 Ом.
Общая емкость при Ucep - О С « 0,35 - 0,75 пФ. Нормальное об
Используемаи диод
Рис.16
23 -
ратное напряжение при 1ОЙР = 1G0 мкА иКОГм.овр < 70 В. Накопленный заряд при Ino в 50 мА 0^ < 10 нКл. Максимальная допустимая рассеиваемая мощность при температуре от минус 60G С до плюс 35° С Ррас.макс * 0,3 Вт.
На рис.19 показаны схема включения диода (а) и эскиз устансв-
Схема включения диода в линию
Рис.19
ки диода на микрополосковую линию диода, 3 - микрополосковая линия, подложка. Из 19,6 видно, каким шлейфов к основной линии передачи
(б). Здесь 1 - диод, 2 - выводы 4 - шлейф, - диэлектрическая образом происходит подключение с помощью диодов.
10.3 Электрическая схема ограничителя
Изучаемый ограничитель выполнен по электрической схеме, приведенной на рис.20. Как видно из рисунка, схема ограничителя представляет собой три каскадно включенных одинаковых ячейки, соединенных двумя отрезками линии предали с электрической длиной V4. В каждую ячейку включено по одному кремниевому р-п - диоду типа 2А522А-2 - Vl, V2 и V3. Четвертьволновые шлейфы Ш1-Ш6, служат для закорачивания СВЧ сигнала, прешедшего из основной линии через открытые диоды. Высокоомные шлейфы ВГ7-Ш9 служат для замыкания цепи по постоянной составляющей тока.
При малом уровне мощности шлейфы Ш1-Ш6 слабо связаны через емкость р-п - прехода с основной линией и не вносит в нее реактивность. При большом уровне сигнала эти шлейфы связаны сильно о основной линией через малое сопротивление потерь диода (сопротивлё-
24 -
• Электрическая схема ограничителя
а«ад <В±7 XI
шэ
С'ТРОЬ. чип.
РИС.20
25
ние потерь диода при высоком уровне инжекции и шлейфы вносят в ли-, нию предачи значительную реактивную проводимость). Эквивалентная схема устройства становится похожей на эквивалентную схему режек-торного фильтра. В точках А, Б и В будет вноситься большая проводимость шлейфов, которая отражает сигнал. Чем ниже волновое сопротивление Ш1-Ш6, которое определяется шириной шлейфа, тем в более широком диапазоне частот оно будет вноситься.
Вход ХЗ "Строб,ИМИ" служит для подачи опережающего управляющего импульса стробоскопического сигнала, состоящего из коротких положительных импульсов. При этом диоды VI, V2, V3 через высокоомный шлейф замыкаются на землю. Таким образом диоды переходят в низкоомное состояние, устройство приобретает максимальное затухание, что обеспечивает защиту приемчика.
10.4 Конструкция
Ограничитель представляет собой микросборку (рис.21), включа-
Конструкция ограничителя
Рис.21
ющую копус I, СВЧ разъемы 2,3,4, микрополосковую плату 5 о навесными элементами и крышку с поглотителем.
Корпус выполнен из сплава Д16Т и снабжен трубкой для откачки воздуха и заполнения инертным газом. Для крепления ограничителя
- 26 -
корпус имеет четыре выступа с отверстиями. Микрополосковая плата выполнена на подложке иэ поликора (е - 9,8) размером 48x60 мм2, толщиной 1 мм. Плате установлена в корпусе на титановой рамке для согласования коэффициентов линейного расширения.
10.5 Топология
Топология микрополосковой платы приведена на рио.22. Она
Топология микрополосковой платы
Вход
представляет собой 6 неоднородных шлейфов Ш1-Ш5, включенных параллельно в линию передачи через диоды VI, V2 и V3 на расстоянии Х/4. друг ст друга.
Шлейфы Ш7, Ш8, Ш9 предназначены для замыканил диодов V1,V2,V3 по постоянному току. Диоды Vi, V3 подключены к микрополосковой линии анодом, а диод V2 катодом, для создания цепи смещения в режиме большего сигнала.
11 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТА|Ю«КИ
для экспериментального изучения физического принципа действия полупроводникового ограничителя мощности и его характеристик ис-нользуется лабораторная установка, структурная схема которой приведена на рис.23. На рис.23 обозначены:
А1 - изучаемый ограничитель;
G1 - генератор сигналов высокочастотный TR-0811;
G2 - источник напряжения стабилизированный Б5-2Э;
Р1,Р2 - ваттметр поглашземой мощности М3-28;
W1,W4 - вентиль коаксиальный 38-9;
W2?- нагрузка коаксиальная согласованная М3;
V’S - тройник коаксиальный;
W5,W? - переключатель высокочастотный ио комплекта МЯ-28;
W6 - аттенюатор переменный 2.243.109;
XW1 - переход коаксиальный 32-111/4;
XW2,X’a6 - пеоеход коаксиальный 02;
XW3 - переход коаксиальный 04;
XW4,XW5 - переход коаксиальный М2.236.038-02;
А - кабель высокочастотный из комплекта TR--0611;
Б - кабель низкочастотный с последовательно включенным резистором сопротивлением 100 Ом;
В,Г - кабели из комплекта М3-28.
Аттенюатор W6 служит для выравнивания мощности, измеряемой ваттметром F2 и поступающей на вход ограничителя.
Тройник коаксиальный W3 делит мощность, поступающую в тракт от генератора поровну между плечами, поэтому ваттметр Р1 показывает величину мощности сигнала на входе ограничителя. Ваттметр Р2 фиксирует величину мощности на выходе ограничителя.
12 УКАЗАНИЕ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ
Внимание i
При подготовке рабочего места необходимо выполнять правила, изложенные в разделе "К” инструкции "Техника безопасности при работе с радиоэлектронным оборудованием" и "Правила техник}: безопасности и производственной санитарии в производстве радиоаппаратуры
28 -
структурная схема лабораторной установки для намерения амплитудной характеристики ограничителя
Gi	G2
Рис. 2.,
и аппаратуры проводной связи".
Изучить раздел "Указание мер безопасности" в "Техническом описании и инструкции по эксплуатации" к каждому прибор'/, входящему в установку, и руководствоваться им при работе.
13 ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ
Внимание! Накрыть ограничитель крышкой с поглотителем>
\ Ознакомиться с каждым приборэм по "Техническому описанию и инструкции по эксплуатации" (ГО и ИЗ). Включить приборы в сеть к подготовить их к работе согласно т0 и ИЭ.
{  '' . ’ . . -  - * • . *
14 ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ
1)	Установить рабочую частоту выходного сигнала генератора G1.
2)	Увеличивая выходную мощность генератора G1 от О до 400 мВт» измерьте ваттметром Р1 мощность на входе ограничителя, а F2 - на выходе в режиме самоуправления ограничителя (с согласован-' ной нагрузкой на разъеме ХЗ).
3)	Подключив к разъему ХЗ через резистор сопротивлением 100 Ом напряжение плюс 5 В от источника G2, что имитирует подачу стробирующего сигнала на ограничитель, измерьте мощность на выходе ограничителя при изменении мощности на его входе в диапазоне от 0 до 400 МВт.
4)	По окончании работы выключите приборы.
16 УКДЕАН5_; ПО ССОРМЛЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ
При оформлении результатов необходимо выполнить следующее:
1)	результаты измерений по п. 14 оформить в виде таблиц;
2)	построить амплитудные характеристики ограничителя в режиме самоуправления - График зависимости выходной мощности от входной Рвых(мВт) « Г(Рйх)(мВт) - и в режиме "СТРОБ";
3)	определить потери пропускания Ln для каждого измерения по
формуле
Рвх
Ln - 101г ------- (дБ);
Рь - ’ \ . вых
4)	определить порог ограничения РОгю в режиме самоуправления (см.раздел 3 п.4);
б)	построить график зависимости кп(дБ) - НРвх)(мВт) в режиме самоуправления;
б)	построить график зависимости Еп(ДБ) - f(Р®х)(мЕт) при подаче на разъем ХЗ стробирующего напряжения.
16	УКАЗАНИЯ К ОТЧЕТУ
Отчет должен содержать:
1)	все пункты гадания;
2)	структурную схему лабораторной установки;
3)	результаты работы в виде таблиц и графиков;
4)	выводы по работе и оценку полученных результатов (письменно) .
17	КОНГРОЛЫйЕ ВОПРОСЫ
1.	Что называется ограничителем мощности ? Принцип действия.
2.	Где применяются ограничители ?
3.	Виды ограничителей.
4.	Ограничительные диоды.
5.	Эквивалентная схема.
в. Элементы расчета.
7.	Р<аспределение мощности.
8.	Модель идеального диода.
9.	Параметры ограничителя. Анализ устройства с двумя ограничительными диодами
10.	Схемы построения ограничителей. Работа р-1-n- диода в режиме ограничение.
11.	Анализ устройств с диодом подпитки и выпрямительным диодом.
12.	Электрическая схема изучаемого ограничителя.
13.	Конструкция.
14.	Топология.
15.	Методика намерения.
16.	Объясните полученные результаты.
17.	Принцип действия приборов, входящих в установку.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Соотношение между напряжениями и токами на входе и выходе четырехполюсника могут быть записаны г виде нескольких форм записи, одной из которых является форма (А):
U1 « A11.U2 + A12I2,
12 “ A21U2 + A*22l2- •		\
Форма (А) применяется обычно при передаче электрической энергии от входных зажимов к выходным, причем четырехполюсник, включенный между источником и приемником, может состоять из нескольких четырехполюсников, соединенных каскадно: вход каждого последующего четырехполюсника совпадает о выходом предыдущего четырехполюсника.
Коэффициенты Ац,А12,А21,А22 в общем случае комплексные и зависят от частоты; Ац,А22 ~ безразмерные, А12 имеет размерность сопротивления, А21 имеет размерность проводимости. Эти коэффициенты могут быть определены следующим образом:
Ац « (U1/U2)г=о “ отношение напряжении при разомкнутых выходных зажимах;
А22 - (Ii/l2)u =0 “ отношение токов при закороченных выходных зажимах;
А12 s (Ui/l2)u =0 ' величина, обратная передаточной проводимости при закороченных выходных зажимах;
А'21 = (h/U2)i =0 - величина, обратная передаточному сопротивлению при разомкнутых выходных зажимах.
Если четырехполюсник симметричный, то Ац= А22, т.е. число независимых коэффициентов равно двум.
ЛИТЕРАТУРА «
1.	Бовз Н.Т., Стукало П.А., Храмов В. А. Управляющие устройства СВЧ. Киев: Техника, 1973.	1€1 с.
2.	Самоуправляемые полупроводниковые устройства диапазона СВЧ. Орлов 0.С., Муравьев В.А., Коган В,М., Мясников Ю.В. -Микроэлектроника и пилупроводнтрсовые приборы /Под ред. А.Л,Васенкова и Я.А.Федотова, 1979, вып. 4. 293 с.
3.	.Валсблат А.В. Коммутационные устройстве СВЧ на полупроводниковых дисдах. м.: Радио и связь, 1987.	120 с.
4.	СЕЧ-полупроводниковые прибоин»и их применение: Пер. с англ. В.С.Эткина /Под ред. Г.Уотсона. М.: Мир. 1972.	660 с.
5.	Малорацкий Л. Г., Явич Л.Р. Проектирование й расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. М.: Сов.радио, 1972. 232 О.	'	:
6»	Твердотельные устройства СВЧ в технике связи /Л.Г.Гасса-нов, А,А.Липатов, В.6.Марков, Н.А.Могильченко. М.: Радио и овявь, 1988.	288 с.
ЛШ FTJ.Зр.к . 222.T-GQ. 2° .ГЛ. ®8