ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ СВЧ МОЩНОСТИ – ЧАСТЬ 1

July 7, 2012 by admin Комментировать »

Кручинин И. В., Орлов О. С., Шипунова Н. В. ЗАО НПП «Салют-25» ул.Ларина, 7, Н. Новгород 603107, Россия Тел./факс: (8312) 662267

Аннотация Рассмотрены виды твердотельных самоуправляемых устройств на полупроводниковых диодах. Определены функциональные характеристики и технические возможности квазиактивных ограничителей мощности

–     защитных устройств (ЗУ) на полупроводниковых диодах в сантиметровом диапазоне длин волн. Приведены сведения по параметрам разработанной схемы ЗУ с каскадным включением диодов.

I.  Введение. Общие сведения

Нелинейные устройства, предназначенные для ограничения СВЧ мощности на выходе, занимают особое место среди функциональных устройств: выключателей, аттенюаторов, получили наименование самоуправляемых твердотельных устройств [1].

Известно, что газоразрядные или ферритовые защитные устройства, широко применяемые в приёмниках РЛС, не отвечают техническим и эксплуатационным требованиям при их использовании в малогабаритной аппаратуре.

Твердотельное устройство, включённое на входе малошумящего усилителя ЗУ, должно обеспечивать минимальные искажения и потери в принятом слабом сигнале и глубокое запирание в режиме больших входных сигналов, случайных или преднамеренно созданных. Коэффициент передачи такого нелинейного устройства с1Рвых./с1Рвх. изменяется согласно выходным характеристикам, показанным на рис. 1.

Рис.1. Выходные характеристики самоуправляемых устройств:

а) плавно-монотонная, б) кусочно-ломанная,

в) N-образного типа

Fig. 1. Output characteristics of self-controlled devices:

a)  smooth-monotonous;

6)  chain; в) N-type

Энергия импульса СВЧ мощности, просачивающегося на вход МШУ, спайка (spike), зависит не только от скорости переключения ЗУ, т.е. времени нарастания спайка на выходе ЗУ, но также и от амплитуды этого сигнала. В связи с этим наиболее предпочтительным представляются устройства с N образными характеристиками. Однако для устройств с высоким быстродействием стабилизационного типа вид входной характеристики не имеет существенного значения.

II.              Схемы самоуправляемых защитных устройств на полупроводниковых диодах

Устройства с N-образными характеристиками могут реализовываться на основе простейших схем с рп и тонкобазовыми p-i-n диодами[1], на однопереходных транзисторах или с помощью специальных микросхем.

Рис. 2. Схема квазиактивного устройства, ограничителя мощности с ответвителем.

1-приёмник, 2-ответвитель (делитель мощности), 3-схема преобразования или запуска,

D1-управляющий диод, D2-demeKmop, (выпрямитель)

Fig. 2. Electric circuit of quasi-active device, power limiter with coupler.

1-receiver, 2-coupler (power divider), 3-translation circuit, D1-control diode, D2-detector (rectifier)

Показанная на рис.2 схема преобразования или запуска 3 исключается в случае квазиактивного ограничителя, где основную функцию защиты входа приёмника выполняет управляющий диод D1 с толстой базой, на который поступает ток, выпрямленный диодом D2. На основе разработанной модели и компьютерного анализа [2] проведена оптимизация параметров и режимов устройства, в частности, в зависимости от электрической длины L.

Недостатки схемы с ответвителем относительно узкая полоса частот, невысокое быстродействие схемы, определяемое временем переключения диода с толстой базой, большая интенсивность импульса просачивающейся мощности.

В рассматриваемой схеме (рис.З) имеет место каскадное включение нескольких диодов разного типа.

Pin-диоды с толстой базой стоят на входе устройства и рассеивают основную часть мощности в режиме запирания в целях защиты входных цепей приёмника. Показано, что в каскадной схеме наибольшая часть мощности приходится на первые диоды [1], причём её значение может несколько превосходить значение падающей мощности в отсутствии последующих диодов. Быстродействие каскадной схемы определяется преимущественно диодами D2 и D3, причём параметры диода D3 выбирается как промежуточные между параметрами D1 и D2.

Рис. 3. Схема квазиактивного устройства каскадного типа. 1-приёмник, 2-схема коррекции, D1, D2, D3 управляющие диоды

Fig. 3. Electric circuit of quasiactive device of stage type 1-receiver, 2-correction circuit, D1, D2, D3 control diodes

Для уменьшения времени спада (восстановления) импульса применена специальная RC схема на диодах, обеспечивающая быстрое рассасывание заряда, накопленного диодами во время импульса. Особое значение имеет структура схемы включения диодов на входе ЗУ, которая рассчитана на запирание свыше 20дБ и рассеивание (отражение) максимальной мощности.

Конкретные параметры устройства:

-потери

~0,4дБ

-диапазон длин волн

~10см

-мощность в импульсе

при скважности 20

~450Вт

-время установления

-0,1 мкс

-длительность импульса

150мкс

-время спада при наличии

корректирующей цепочки

2-Змкс

Приведённые результаты позволили

создать мо-

дуль сантиметрового диапазона длин волн в составе: ЗУ, малошумящий усилитель (МШУ), фазовый корректор.

Основные параметры модуля:

Рабочий диапазон частот, ГГц                 2,7-3,2

Неравномерность коэффициента усиления по мощности, дБ              1,4

Коэффициент шума, дБ                              3,5

Коэффициент стоячей волны входа/выхода модуля, ед           2,0

к образцу, град                                                      ±20

Неидентичность ФЧХ от образца к образцу, град       ±20

Затухание со входа модуля в режиме защиты, дБ      40

Верхняя граница линейности амплитудной характеристики по входу, Вт          10′4

Время восстановления коэффициента усиления после воздействия импульсной мощности, мкс             12,0

Допустимая входная импульсная мощность при скважности 20 и длительности импульса 150 мкс, Вт     450

Напряжение питания, В                                     12,0

Габаритные размеры, мм                           121x45x30

III.    Заключение

Результаты расчёта и экспериментального исследования показывают, что предложенная схема каскадного включения диодов в комплексе с корректирующими цепями по совокупности электрических параметров: быстродействию, рассеиваемой мощности, вносимым потерям, может быть рекомендована при разработке как узкополосных, так и широкополосных защитных устройств.

IV.    Литература

1. Орлов О. С. и др. Самоуправляемые полупроводниковые устройства диапазона СВЧ. Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. 1979 г., вып. 4, с. 262-275.

2. И. В. Лебедев, М. В. Семенча. Квазиактивный защитный ограничитель СВЧ мощности. Радиотехника, 2001 г.,

№ 2, с.75-83.

SOLID-STATE DEVICES FOR MICROWAVE POWER LIMITATION

Kruchinin I. V., Orlov O. S., Shipunova N. V.

Salut-25

Larina 7, N. Novgorod, 603107, Russia tei./fax. (8312) 66-22-67

Some kinds of solid-state devices are considered. Functional parameters and technology features are determined. In our opinion, this circuit and package have some advantage in respect to a coupler protector circuit.

СВЕРХМАЛОШУМЯЩИЙ ПРИЕМНИК СО СМЕСИТЕЛЕМ НА ДИОДЕ С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ 85-115 ГГц

В.   М. Шульга, В. И. Подьячий, А. М. Королёв, В. В. Мышенко, А. В. Мышенко Радиоастрономический институт НАН Украины 61002, Украина, г. Харьков, ул. Краснознамённая, 4 E-mail: shulga@rian.kharkov.ua, тел: (0572)-448-591

Аннотация В работе описан сверхмалошумящий приемник Змм диапазона со смесителем на диоде с барьером Шоттки (ДБШ). Значения шумовой температуры приемной системы, измеренные в двухполосном (DSB) режиме при комнатной температуре и охлаждении до -40 С и 20 К составляют 245 К, 180 К и 55 К соответственно. Эти значения являются рекордными в настоящее время для приемников Змм диапазона со смесителями на ДБШ.

I.  Введение

В настоящее время наибольшую чувствительность в мм и субмм диапазонах длин волн обеспечивают супергетеродинные приемники со смесителями на SIS-элементах (сверхпроводник-изоляторсверхпроводник). Но такие приемники работоспособны только при глубоком охлаждении (Т<5 К), что требует введения в их состав громоздких дорогостоящих систем охлаждения. Последнее обусловило применение SIS-приемников только в радиоастрономии в составе больших радиотелескопов. В свою очередь приемники со смесителями на ДБШ работоспособны в широком интервале температур (от комнатных до криогенных) с существенным улучшением своих шумовых характеристик при охлаждении. Этим объясняется их широкое применение в различных областях науки и техники, включая и радиоастрономию, где используются криогенные варианты таких систем. Если учесть, что на частотах выше 1ТГц приемники со смесителями на ДБШ являются единственными приемными системами в настоящее время, то актуальность повышения их чувствительности не вызывает сомнений. Тем более что ни в одном диапазоне длин волн пока не реализованы предельные характеристики используемых в таких приемниках полупроводниковых диодов и транзисторов.

В настоящей работе описан приемник со смесителем на ДБШ диапазона частот 85-115 ГГц с рекордной чувствительностью, реализованной при комнатной температуре, -40 С и 20 К и показано, за счет чего были получены такие результаты.

II.  Основная часть

Критически важным элементом, в основном определяющим шумовые характеристики приемника, является смеситель. Подробное описание разработанных нами ранее смесителей Змм диапазона представлено в [1, 2]. В данной работе с целью продвижения к более высоким частотам (>110 ГГц) была использована конструкция смесителя с частичным понижением высоты рабочего волновода (в 2 раза). Это позволило реализовать полосу рабочих частот приемника практически не уступающую широко используемым в мировой практике конструкциям смесителей с высотой волновода, пониженной в 4 раза [3]. При этом наш смеситель более прост в изготовлении и обладает меньшим затуханием во входной цепи и на короткозамыкающем поршне. Другое важное отличие разработанного смесителя использование в его составе ДБШ с высоким значением критической частоты (емкость барьера диода Со=10 fF, последовательное сопротивление rs=4Q, критическая частота 1/2лСоГ5=4ТГц). Это позволило, оптимизировав соответствующим образом электродинамическую систему смесителя и узла сопряжения с УПЧ, реализовать весьма низкие потери преобразования смесителя (потери в DSB режиме собственно на нелинейном элементе, включая паразитные потери, не превышают 1,5 дБ). Высокое значение критической частоты используемых ДБШ реализовано за счет низкого значения их последовательного сопротивления. Это достигнуто не в последнюю очередь за счет высокой концентрации носителей в эпитаксиальном слое ДБШ (2*1017см’3). До сих пор существует широко распространенное мнение, что эффективность работы таких диодов при криогенном охлаждении весьма низка из-за высокого уровня их собственных шумов при криогенных температурах [3]. Однако, проведенные нами эксперименты по глубокому охлаждению (до 20 К) разработанного приемника со смесителем на высокодобротных ДБШ показали, что выигрыш по потерям преобразования, полученный в таком смесителе, существенно компенсирует проигрыш по собственным шумам диода. Это позволило нам в конечном итоге получить весьма низкую шумовую температуру приемника Змм диапазона при 20 К.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты