ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ОГРАНИЧИТЕЛЯ мощности мм ДИАПАЗОНА

February 6, 2013 by admin Комментировать »

Каток В. Б., Манько А. А. Гэсударственный университет информационно-коммуникационных технологий НИЦЛКС, ул. Соломенская, 7а, г. Киев, 03110, Украина тел. 248-8592, e-mail: manko_alex@ukrpost.net

Аннотация – Проведена оптимизация размещения активных элементов ограничителя мощности мм диапазона позволяющая обеспечить рабочую полосу частот, совпадающую рабочей полосой волновода сечения 7,2×3,4 мм.

I.                                       Введение

Определяющим фактором при выборе схемы построения защитного устройства (ЗУ) на основе ограничителя мощности является рабочий диапазон частот, который в нашем случае составляет диапазон прямоугольного волновода сечения 7,2×3,4 мм. Очевидно, что необходимая ширина рабочей полосы частот ЗУ может быть обеспечена за счет его реализации на основе регулярной линии передачи без использования согласующих резонансных элементов.

Большинство схем построения используют принцип самоуправляемых ограничителей СВЧ мощности, когда энергия продетектированного сигнала используется для питания управляющих p-i-n-диодов. В этом случае ЗУ всегда находится в состоянии рабочего режима, даже, если аппаратура отключена от источника питания. Потери в этих схемах в режиме слабого сигнала определяются как потерями в активных элементах, так и отражением сигнала от входа ЗУ за счет неоднородностей в линии передачи в местах размещения диодов. И это имеет место даже при отсутствии потерь в диодах, т. е. при отсутствии тока смещения в режиме малого сигнала [1]. При этом, наличие ряда активных элементов определяет сложную интерференционную картину отраженного сигнала и сопутствующую ей частотную характеристику внесенных потерь с многочисленными локальными минимумами и максимумами, зачастую превышающими допустимый уровень. Таким образом, наряду с необходимостью снижения уровня потерь в режиме малого сигнала существует проблема уменьшения неравномерности передаточной характеристики с целью устранения превышения допустимых уровней затухания.

II.                               Основная часть

Учитывая тот факт, что проводимость p-i-n- диодов в малосигнальном режиме ЗУ имеет ярко выраженный емкостной характер, в работе были проведены расчеты потерь за счет отражения на участке линии с волновым сопротивлением р содержащем емкость С.

На рис.1 приведена характеристика потерь, за счет отражения на участке линии, в зависимости от величины рС. Из рисунка следует, что для обеспечения потерь порядка 1дБ необходимо выполнение условия рС < 5 Ом пФ. Емкости p-i-n-диодов, которые используются в мм диапазоне, имеют обычно величину 0.05 – 0.1 пФ [2] и не могут быть уменьшены как по технологическим причинам, так и по причинам теплового режима. Это определяет величину СВЧ мощности, которая коммутируется. Отсюда вытекает, что для создания ЗУ с малым затуханием в режиме слабого сигнала необходимо использовать линию с волновым сопротивлением не более 50 – 100 Ом.

Рис. 1. Внесенные потери в линии за счет включения емкости.

Fig. 1. Insertion iosses in iine due to inciusion of capacity

Очевидно, что обычный прямоугольный волновод мало подходит для этой цели, поскольку его волновое сопротивление имеет более высокое значение. Кроме того, поле электромагнитной волны в нем распределено практически по всему сечению, в то время как активные элементы, которые размещены в прямоугольном волноводе, можно рассматривать как точечные элементы с сосредоточенными параметрами. Уровень взаимодействия активных элементов с электромагнитной волной в таком случае достаточно низкий.

В связи с этим наиболее приемлемым для реализации ЗУ с точки зрения обеспечения низкого волнового сопротивления и локальной концентрации поля электромагнитной волны можно считать Н-волновод, гребень которого обеспечивает, к тому же, требуемый теплоотвод.

Элементами, управляющими затуханием ЗУ, являются p-i-n-диоды. Управляющий узел ЗУ, рассмотренный в работе, представляет собой 4 p-i-n-диода, установленных в регулярной линии на расстоянии / друг от друга. Эквивалентная схема управляющего узла приведена на рис.2.

Рис. 2. Эквивалентная схема управляющего узла.

Fig. 2. The equivalent circuit of the control unit

В случае одинаковых расстояний между диодами теория матриц позволяет получить соотношение для коэффициента передачи п-каскадного управляющего блока [3]. Необходимо заметить, что потери в режиме малого сигнала управляющего узла всегда отвечают режиму p-i-n-диодов, когда активная проводимость диода сравнительно невелика, а основной вкпад вносит реактивная проводимость емкостного характера. Компенсацию емкости диодов, при этом, достигают подбором расстояния между ними. В расчетах расстояние между диодами учитывалось в виде электрической длины отрезка линии между ними на средней частоте диапазона (32 ГГц):

На рис.З приведена зависимость начальных потерь для управляющего узла ЗУ от частоты в предположении, что для p-i-n-диодов выполняется условие Rs=0, С,=0.05 пФ, Я?,=20 кОм для линии с волновым сопротивлением р =70 Ом.

Рис. 3. Передаточные характеристики ограничителя в режиме малого сигнала.

Fig. 3. Transmission characteristics of limiter in a small signal mode

Как видно из графиков, параметр 0 определяет величину не только начальных потерь, но и их изменение в диапазоне частот.

Из приведенных результатов следует, что для обеспечения равномерных характеристик и небольших значений начального затухания в рабочем диапазоне частот, расстояния между диодами управляющего узла должны быть выбраны в соответствии с выражением I = Азг/б. В нашем случае эта величина находится в пределах 0,8 – 1 мм.

III.                                   Заключение

Таким образом, для построения ЗУ целесообразно использовать регулярную линию на Н-волноводе. Равномерность потерь в режиме малого сигнала в этом случае и их величина обеспечиваются за счет выбора расстояния между p-i-n-диодами и параметрами диодов в режиме малого сигнала.

IV.                            Список литературы

[1]  Вайсблат А. В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. – М.: Радио и связь, 1987. – 120 с.

[2]  Гусятинер М. С., Горбачев А. И. Полупроводниковые сверхвысоко- частотные диоды. – М.: Радио и связь, 1983.-224 с.

[3]  Дзехцер Г. Б., Орлов О. С. P-I-N -диоды в широкополосных устройствах СВЧ. – М.: Сов. радио, 1970. – 199 с.

OPTIMIZATION OF THE ММ WAVE RANGE POWER LIMITER DESIGN

V.                            B. Katok, A. A. Manko State University of Communication Technology SE CLC, 7a, Solomenskaya Str, Kiev, 03110, Ukraine Ph.: 248-8592, e-mail: Katok@ukrpacknet

Abstract – The results of optimization of active elements location of the mm-wave power limiter are considered.

I.                                         Introduction

The important factor at a choice of the circuit of protection device design on the basis of the power limiter is a working range of frequencies.

Losses in these circuits in a mode of a small signal are determined both losses in active elements, and reflection of a signal from them. And it takes place even at absence of losses in diodes [1]. Thus, with necessity of reduction of a losses level for a small signal mode, there is a problem of reduction of nonuniformity of the transfer characteristic with the purpose of excess elimination of allowable levels of attenuation.

II.                                        Main Part

Taking into account the fact that conductivity p-i-n-diodes in a small signal mode has strongly pronounced capacitor character, in work calculation of losses have been carried out due to reflection on a site of a line with impedance p containing capacity C.

On Fig.1 the characteristics of losses are resulted, due to reflection on a site of a line, depending on value of pC. It follows from the figure, that for maintenance of losses about 1 dB performance by condition pC < 5 Om pF is necessary. Capacities p-i-n-diodes, which are used in mm-wave range, have usually value 0.05 – 0.1 pF [2], and cannot be reduced. It follows that for creation of the limiter with small attenuation in a small signal mode it is necessary to use a line with wave resistance no more than 50- 100 Ohm.

In this connection the most comprehensible for realization of the limiter from the point of view of maintenance of low impedance is the H-wave guide.

The elements managing attenuation of the limiter are p-i-n- diodes. The equivalent circuit of the control unit is resulted on Fig. 2.

In case of identical distances between diodes the theory of matrixes allows receiving a ratio for factor of transfer of the n- cascade managing block [3]. In calculations the distance between diodes was taken into account as electric length of a piece of a line between them on average frequency of a range (32 GHz):

Dependence of initial losses for the control unit of the limiter from frequency is resulted on Fig. 3.

From the curves follows, that for maintenance of uniform characteristics and small values of initial attenuation in a working range of frequencies, distances between diodes of the control unit should be chosen according to expression I = Лзг/8. In our case this size is within the limits of 0.8 -1 mm.

III.                                       Conclusion

Thus, for design of the power limiter it is expedient to use a regular line on an H-wave guide. Uniformity of losses in a mode of a small signal in this case and their values are provided due to a choice of distance between p-i-n-diodes and parameters of diodes in a small signal mode.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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