Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988) (1095425), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Открытый диод способен пропускать токи СВЧ до 100 А при сохранении низкого сопротивления, так как отрицательная полуволна колебания СВЧ не успевает вытянуть из базы диода часть пространственного заряда. Схема замещения открытого р-1-и-диода состоит из единственного активного сопротивления го (несколько ом), однако при наличии корпуса в эту схему иногда добавляют небольшую индуктивность вывода 1., (рис. 6.8, в).
Инерционность р-1-и-диодов ограничивает их быстродействие по управлению. Время включения диода, определяемое скоростью за- полнения г-слоя носителями заряда, составляет 0,1 — 1 мкс. ВРемя .перехода диода в закрытое состояние, обусловленное вытягиванием запасенного заряда из г-слоя, значительно больше. Изготовляют такие диоды из монокристаллического кремния методом диффузии примесей или их внесением методом ионной бомбардировки. Примеры конструктивного оформления РЧ-п-диодов показаны на. рис. 6.9.
Помимо р-стп-диодов в управляющих устройствах СВЧ применяют также коммутационные р-и-диоды и варикапы. О трансформации сопротивлений коммутационных диодов. Коммутационные диоды (а также любые другие управляющие двухполюсники) обычно включают в схемы устройств СВЧ через трансформирующие четырехполюсники.
Двум возможным состояниям диода 1 и 2 соответствуют комплексные входные сопротивления 1'=г'+1х' н гн=-гм+1х", образующие так называемую пару сопро- дпаанапн пмппппппапя д~ дыапды 5 а! Нппнпнснпн дсаеапсМП д. дпдь х д-сднасть о п1 Рнс. 6.9. Разновидности ртил-днодов: о. б — бескорпусные диоды: а.-лнод с металлическим оаднатором; е — поаеохностно ориентнроааниый диод: д — н металлокерамическом корпусе; е — сдаоеииый диод а оехонннсиой лнаьоатме тивлений.
Пусть произвольный коммутационный двухполюсник с парой сопротивлений (г', г") образует нагрузку некоторого пас- сивного четырехполюсника с матрицей передачи А. Двум состоя- ниям нагрузки 1 и 2 соответствуют входные сопротивления четырех- полюсника, определяемые по формуле (4.2) г,=(ахи+у)1(сгч+й), гь=(агн+Ь)!(сгн+с() и образу1ощие трансформированную пару сопротивлений (г1', г~н) Оказывается, что пары сопротивлений (или проводимостей) па входе и на выходе трансформирующего четырехцолюсника обла- дают следующим свойством: мера различия пары сопротивлений (или проводимостей), определяемая формулой 1И,(г,-', ",)=-('; —;-К ';+ ';-'(, остается неизменной при трансформации пары через произвольный реактивный четырехполюсник, Для доказательства этого утверждения достаточно с помощью матриц А, приводимых на рис. 42, проверить, что мера М, остается неизменной при трансформации через элементарные реактивные четырехполюсники, например последовательное или параллельное реактивное сопротивление в линии передачи, стык двух линий передачи, идеальный четвертьволновый трансформатор.
Поскольку реактивный четырехполюсннк на заданной частоте может быть представлен в виде каскадного соединения нескольких (не менее трех) элементарных четырехполюсников, инвариантность меры М, при трансформации через реактивный четырехполюсник является доказанной. Установим теперь следующую лемму: любой коммутационный двухполюеник с парой сопротивлений (г', г") с помощюо реактивного трансформирующего четырехполюеника может бить на заданной частоте преобразован в канонический коммутационный элемент е парой чисто активных сопротивлений (г, Кг), где К>1 — вещественный параметр качества пары. Йля доказательства леммы укажем один из способов построения трансформирующего четырехполюсника. Присоединим к коммутационному двухполюснику какое-либо узкополосное реактивное согласующее устройство (см.
й 1.7) и подберем два его независимых параметра так, чтобы идеально согласовать одно из сопротивлений пары, например г'. На входе согласующего устройства возникнет пара сопротивлений (1, г~".), причем сопротивление г," может быть определено по формуле трансформации (4.2), в которую следует подставить сопротивление нагрузки г" и параметры матрицы А согласующего устройства.
Передвинем плоскость отсчета фаз на входе согласующего устройства в пучность распределения напряжения для состояния коммутационного двухполюсника г,". В пучности пара сопротивлений приобретает вид (1, К), где К> 1 — КСВ входной линии при состоянии нагрузки г~". Применяя ~етвертьволиовый трансформатор с волновым сопротивлением ) г, приведем пару сопротивлений (1, К) к сформулированному в лемме каноническому виду (г, Кг).
х1так, лемма доказана. Так как построенный цри доказательстве леммы реактивный трансформирующий четырехполюсник сохраняет значение меры М,. оказывается справедливым равенство (г' — 2")('(г'+г"*) = (К— — 1)/(К+1), которое после тождественных преобразований приводит к формуле для параметра качества: Г (у.+ г")ч+(»' ' — — хп)г+ Г'(у — у')ч+ (х' — х")ч — )l(У вЂ” Ух)ч + (»' — х")ч Этой формулой удобно пользоваться для оценки параметра качества по измеренным сопротивлениям коммутационного диода в двух рабочих состояниях.
По физическому смыслу параметр ка- чества представляет собой КСВ на входе реактивного трансформи- 'рующего четырехполюсника в состоянии нагрузки 2 при условии, что четырехполюсиик идеально согласует нагрузку в состояиии 1. Коммутациоииый двухполюсиик с чисто реактивным сопротивлеиием хотя бы в одном из двух состояний обладает бесконечным параметром качества. Для переключающих р-1-и-диодов иа саитиметровых и дециметровых волнах характерно значение параметра качества 10х — 1О'. Параметр качества является универсальной характеристикой, позволяющей сравнивать переключающие свойства управляющих элементов различной природы. Именно этот параметр определяет иаименьший достижимый уровень вносимого ослабления мощности в управляющих устройствах СВЧ с иеидеальиыми коммутационными элементами.
й 6.к выкл)очлткли свч нд коммугдционных диодлх Простейший выключатель содержит один коммутационный элемент с парой сопротивлений (г, Кг), установленный параллельно или последовательио и ливию передачи (рис. 6.10, а, б), причем сопротивление должно быть подобраио в соответствии с неравенства- й (глг)' а) Рис. 6.10.
Схемы простейших днодных выилючителей Сней а — алалллальнля," б — яаслеланлтальнля: а — алена наннттлняаннаса нненента ми г~1, КгЛь1. Ослабление мощности в параллельном выключателе в двух состояниях коммутационного элемента определяется формулами Ел=1/Й~=!1+1/(2г))х Е.=1/(зх1('=(1+1/(2К ))х, ГДЕ б'Х И Хлв1 — ЭЛЕМЕНтн МатРИЦЫ РаССЕЯИИЯ ВЫКЛЮЧатЕЛЯ ПРИ ДВУХ состояниях коммутациоииого элемента (закрытое и открытое, или состояние пропускаиия).
Для вывода этих формул можио воспользоваться последней матрицей А из рис. 4.2 с последующим использоваиием формул перехода (4.5) от матрицы А к матрице 3. Ослабления Е, и Ен ие являются иезависимыми величинами— между ними существует связь ()1Е,— 1ЯЬ~ ń— 1) =К. (6.1) Таким образом, параметр качества коммутационного элемента действительно определяет предельно достижимые характеристики выключателя: лишь одна из величии Е, или Е. ппи оасчете выключателя может быть задана произвольно, а другая величина жестко связана с первой соотношением (6.1).
Значения величии Е, н «.««можно изменять путем подбора величины г. Например, выключатель может управлять максимальной мощностью СВЧ, если в каждом его состоянии одинаковы мощности потерь в коммутационном элементе. Можно показать, что это требование удовлетворяется при г=11(2): К) и вносимые ослабления оптимизированного таким образом выключателя составляют «.г= (1+ )' К)г, 1,,= (! + +1В К)'. При К=10г это дает Е,=ЗО,З дБ и Е =0,27 дБ. Аналогичные результаты имеют место и для выключателя по последовательной схеме. Примером конструктивной реализации выключателя для прямоугольного волновода с волной Н«««является резонансная диафрагма со спаренным р4-и-диодом (см.
рис. 6.9, е). Открытые диоды закорачнвают диафрагму и переводят выключатель в состояние максимального ослабления. Прн закрытых диодах их собственные емкости компенсируются укорочением щели диафрагмы и выключатель обладает минимальным ослаблением. Тонкий проводник управления диодами проходит вдоль щели перпендикулярно силовым линиям поля Е в диафрагме и поэтому практически не оказывает влияния на функционирование выключателя на высокой частоте.
Электрические параметры выключателей СВЧ (вносимые ослабления в двух состояниях и допустимая мощность) могут быть улучшены при использовании более сложных схем, содержащих несколько коммутационных элементов, разнесенных вдоль линии передачи. Диодные выключатели успешно применяются в схемах переключателей (см. рис. 6.6) вместо газовых разрядников или в сочетании с ними. Ф вд дискупгиып едзовудщдткли ИА коммутдциОииых диОдАх Отражательные фазовращатели. В качестве прототипа двухпознционного отражательного фазовращателя обычно используют схему рнс. 6.10,в, в которой параметры реактивного трансформирующего четырехполюсника выбираются из следующих условий 1) разность фаз входных коэффициентов отражения в двух состояниях диода должна быть равна заданному дискрету фазы: А«р= =1«ег — «р«~; 2) модули коэффициентов отражения (р' и р") в двух состояниях диодов должны быть равны между собой и как можно меньше отличаться от единицы — это так называемая оптимизация «разовращателя по потерям.
Омические потери в отражателыюм фазовращателе принято оценивать вносимым ослаблением, (.=11рг. Анализ показывает, что при равенстве модулей коэффициентов отражения р'=р" вносимое ослабление оказывается равным Х.=1+= 1з(п — ~, 4 1. от КК~ 2 т. е. не зависит от параметров реактивного трансформирующего четырехполюсника н определяется только заданным днскретом фазы и параметром качества диода. Заметим, что канонический коммутационный элемент с парой сопротивлений (г, Кг) можно рассматривать как отражательный фазовращатель с днскретом фазы и. Многопозицнонные отражательные фазовращателн часто выполняют в виде отрезка линии передачи, шунтированного в ряде се- а! о! Рис.
бц1. Многоноэнцноиные отражательные фэзоврэщатоэи чений каноническими коммутационными элементами (рнс. 6.11, а), Один нз коммутационных элементов с низким сопротивлением (гч; 1) «закорачиваетв линию передачи, а остальные коммутационные элементы имеют высокие сопротивления 1!(гль1) и не оказывают влияния на фазу коэффициента отражения. Прн переключении коммутационных элементов изменяется положение плоскости короткого замыкания в линии передачи и фазы коэффициента отражения. Существуют и другие схемы многопозицнонных отражательных фазовращателей, которые сводятся к следующему прототнпу (рнс. 6.11, б): в реактивном 2Ж-полюснике один нз входов является входом фазовращателя, а остальные Л1 — 1 входов нагружаются на коммутационные диоды.
Независимые параметры многополюсника подбирают таким образом, чтобы определенной комбинации открытых и закрытых состояний диодов соответствовало одно из дискретных состояний фазы коэффициента отражения. Проходные фазовращателн должны обеспечивать заданную разность фаз коэффициентов передачи Ьф= (грт — срг~ в двух состояниях при условии согласования входов н при минимальном вносимом ослаблении мощности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
