15.4. Управление свч сигналами

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ УПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

К устройствам управления в свч тракте относятся: выключатели, переключатели, коммутаторы, модуляторы, управляемые аттенюаторы и фазовращатели, ограничители и стабилизаторы мощности. Их использование весьма многообразно, например, коммутация антенн, передатчиков и приемников, управление антенным лучом, переключения в вычислительных машинах свч диапазона.

По характеру управления управляющие устройства делят на двухпозиционные и многопозиционные, со ступенчатым и плавным изменением. Основными их параметрами являются: ослабление узла [ф-ла (14.29)] (для двухпозиционных устройств различают ослабление в режиме пропускания и запирания время переключения или регулирования (быстродействие), полоса частот, мощность свч сигнала, согласование с трактом, управляющий фактор, энергия или мощность управления. Во многих случаях важны малые габариты и масса, низкая шумовая температура. Наиболее употребительны механические, газовые, ферритовые и полупроводниковые управляющие устройства.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ

Механические переключатели имеют наибольшее время переключения (более зависящее от инерционности их подвижных частей. Применение этих переключателей наиболее целесообразно в тех случаях, когда требуется эпизодическое переключение. В них используется электромеханический и ручной привод.

Рассмотрим несколько типичных примеров.

Коаксиальный переключатель на значительные мощности (рис. 15.27а) соединяет внутренний проводник плеча 1 с одним из трех остальных с помощью трущихся

Рис. 15.27

контактов на плоских пружинах из фосфористой бронзы. Автоматические замыкатели разомкнутых плеч препятствуют просачиванию в них волн. Для увеличения электрической прочности устройства переключающим элементам придают округленную форму. Интересна конструкция гнезда (рис. 15.276), обеспечивающая контакт у наружной поверхности внутреннего проводника соединяемых коаксиальных линий.

Волноводные переключатели. На рис. 15.28а показан переключатель с уголковым изгибом в плоскости ; дроссели создают эквивалентное короткое замыкание в зазоре, улучшая согласование тракта и предотвращая утечку мощности в закрытые каналы.

Рис. 15.28

Малоинерционными переключающими элементами в другой конструкции (рис. 15.286) служат резонансные кольца в плечах -тройника, которые поворачиваются вокруг горизонтальной оси. В вертикальном положении плоскость кольца параллельна, линиям электрического поля, и кольцо является идеальным отражателем (см. параграф 13.7); в горизонтальном — она перпендикулярна Е и волна проходит почти беспрепятственно.

ГАЗОВЫЕ РАЗРЯДНИКИ

Газовые разрядники служат для перекрытия тракта антенна—приемник на время передачи мощного радиолокационного импульса. Разрядник представляет собой вакуумную камеру или колбу, заполненную одним из тяжелых инертных газов при давлении что обеспечивает высокую плотность электронов в разряде. Конструкция разрядника должна предусматривать прохождение через него в погашенном состоянии широкополосного сигнала к приемнику и легкость возникновения электрического пробоя при поступлении в него свч импульса с высокой напряженностью электрического поля. Разряд, возникающий под действием импульса, является затем эффективным отражателем этого же импульса.

На рис. 15.29 показан разрядник, представляющий собой полосовой фильтр из четырех сосредоточенных резонаторов с четвертьволновыми связями. Его внешние резонаторы — вакуумплотные окна (см. параграф 13.5), внутренние — сочетание емкостных конусов с фигурными индуктивными диафрагмами. Электрический разряд создается между конусами и быстро продвигается к тому окну, к которому подводится сигнал большой мощности. Затухание разрядника в этом режиме составляет Деионизация камеры после разряда занимает около что препятствует приему отраженных импульсов с близких расстояний.

Рис. 15.29

Разряд возникает с запаздыванием примерно на 5 не, поэтому часть мощного импульса проходит через разрядник в приемник. Ускорению разряда способствует небольшой уровень начальной ионизации, который поддерживается радиоактивным источником. В некоторых случаях на вспомогательный электрод подается опережающий на импульс, создающий тлеющий разряд. Газовые разрядники непригодны для защиты высокочувствительных приемников вследствие просачивания через них части импульса, больших вносимых потерь и высокой шумовой температуры

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ФЕРРИТОВЫЕ УПРАВЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Полупроводниковые устройства успешно применяются в диапазоне от метровых до субмиллиметровых волн. Их достоинствами являются: высокое быстродействие (от 0,1 не), малые габариты и масса, незначительные мощности управления (от до значительный срок службы тыс. часов). Приборы изготавливаются на импульсную мощность до и среднюю до в ближайшее время ожидается увеличение этих величин на порядок.

Для управления используется свойство полупроводниковых структур менять свое комплексное сопротивление при действии внешнего напряжения или тока. Например, p-n-диоды (рис. 15.30а) имеют переменную емкость С, которая создается в области p-n-перехода (ее толщина и регулируется внешним напряжением Последовательное сопротивление соответствует областям p и n. В p-i-n-диодах (рис. 15.306) регулируется.

в широких пределах сопротивление центральной высокоомной -области. Оно велико в обесточенном диоде и уменьшается при управляющем токе порядка

Эквивалентная схема диода (рис. 15.30в) учитывает емкость патрона или держателя и индуктивность вводов Для оптимизации работы диода необходимо, чтобы эквивалентное сопротивление было активным. У р-п-диодов возможны два рабочих положения, соответствующих последовательному и параллельному резонансам.

Рис. 15.30

При отрицательном напряжении (к р-области приложен «минус») емкость мала: в этом случае получают последовательный резонанс на заданной частоте; тогда сопротивление цепи равно При положительном напряжении выполняется условие параллельного резонанса и эквивалентное сопротивление контура равно В современных германиевых -диодах отношение достигает нескольких сотен на сантиметровых и более длинных волнах. В устройствах с p-i-n-диодами обычно непосредственно изменяют их внутреннее сопротивление (с компенсацией реактивностей), что дает возможность строить не только переключатели, но и аттенюаторы (или модуляторы) с плавным изменением ослабления. В кремниевых p-i-n-диодах достигнуты отношения их внутренних сопротивлений

Анализ отрезка линии с активным шунтом и (14.29)] позволяет получить соотношение для ослабления в режимах затухания и пропускания Таким образом, отношение играет определяющую роль в работе схемы. Часто ее называют качеством коммутационного диода.

Оси диодов располагают параллельно вектору Е распространяющейся волны (рис. 15.31а). Кремниевые p-i-n-диоды часто выполняются без патрона, что уменьшает паразитные реактивности. Тогда их впаивают непосредственно в различные конструкции (низкие волноводы, щели, полосковые и коаксиальные линии).

При см в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах используются распределенные р-i-n-структуры, занимающие всю высоту волновода или линии. Ширина структуры может быть малой или близкой к ширине волновода а. На рис. 15.316 из волновода выведены низкоомные приконтактные области структуры. По существу, эта конструкция не отличается от переменного

поглощающего аттенюатора (рис. 13.17), только в данном случае поглощение в материале управляется внешним током. Хорошее согласование p-i-n-пластины с волноводом в обесточенном состоянии достигается при либо с помощью дополнительных переходов на ее концах, выполненных из диэлектрика с тем же значением

Рис. 15.31

В монолитных микросхемах свч используется общий полупроводниковый монокристалл, в состав которого входят -области с соответственно ориентированными осями.

Полупроводниковые элементы дают возможность создавать разнообразные схемы с плавным и ступенчатым изменением затухания, коммутируемыми фазовращателями и переключателями на любое число каналов.

Рис. 15.32

Включение последовательно нескольких диодов с интервалом (рис. 15.32а) позволяет увеличить суммарное затухание и одновременно уменьшить затухание В коаксиальных и полосковых линиях для этой же цели используют смешанное параллельно-последовательное включение диодов (рис. 15.326).

Целесообразно использовать мостовые схемы. Антенный переключатель (рис. 15.32в) содержит два последовательно включенных моста, яапример щелевых, с шунтирующими диодами в плоскости соединения (их можно заменить газовыми разрядниками). Два моста образуют направленный ответвитель с полной связью, поэтому при сигнал из антенны проходит в приемник. При волны от передатчиков отражаются от диодов и, пройдя вторично первый мост, складываются в антенне. Этим режимам соответствуют матрицы так как узлы на рис. 15.32в и 15.26 аналогичны. Небольшая часть волны, прошедшая мимо диодов, целиком попадает в поглощающую нагрузку.

Диоды типа могут служить также ограничителями свч мощности, так как воздействие волн большой интенсивности вызывает увеличение их проводимости. Схема рис. 15.32в является ограничителем мощности, если плечо 1 представляет собой вход, выход, а в плечи 2 и 4 включены поглощающие нагрузки. Сигнал низкого уровня проходит из первого плеча в третье беспрепятственно. С возрастанием мощности уменьшается сопротивление шунтирующих диодов, что увеличивает отражение волн в плечо 4 и усиливает поглощение в самом диоде. В любом режиме согласование схемы не нарушается, так как в плечо 1 отражения нет.

Ферритовые устройства управляются внешним магнитным полем, создаваемым электромагнитами. Они обладают быстродействием порядка (в отдельных конструкциях достигнуто Однако минимальные временные интервалы достигаются лишь за счет значительной мощности (порядка сотен ватт) управляющих сигналов. Устройства с ферритами рассматриваются в следующей главе.

ЗАДАЧИ

(см. скан)