4. УСТРОЙСТВА НА СОСРЕДОТОЧЕННЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТАХ

Простейшим прибором этого класса устройств является выключатель на одном управляемом элементе, например который характеризуется двумя рабочими режимами «включено — выключено». Коэффициенты передачи выключателя в этих режимах, называемые потерями пропускания и запирания, обозначаются соответственно Они представляют собой элементы матрицы передачи в указанных режимах. Полагая полное сопротивление схемы включения диода в обоих режимах чисто активным (к чему стремятся во всех широкополосных устройствах), на основании выражений (6.5) и (6.6) получим соотношение

Параметр — качество является важной характеристикой коммутирующего элемента, величина которого не зависит от выбора волнового сопротивления линии, но определяет эффективность работы устройства. Для рассмотрения широкополосных выключателей изучим зависимость параметров устройства управления амплитудой СВЧ колебаний от соотношения нормированных активной и реактивной составляющих проводимостей управляющего элемента.

Комплексные коэффициенты передачи и отражения Г, определяющие работу управляющего устройства (при согласованных входе и выходе),

где — нормированная комплексная проводимость диода.

Подставив значение нормированной комплексной проводимости в выражение (6.1), получим формулы для определения модулей и аргументов коэффициента передачи и отражения управляющего устройства на одном диоде:

где — аргумент коэффициента передачи; — аргумент коэффициента отражения.

Рис. 6.4. Зависимости модулей коэффициентов передачи (а) и отражений (б) от нормированных проводимостей:

Зависимости модулей коэффициентов передачи и отражения от нормированной активной проводимости при постоянной реактивной и от реактивной проводимости при постоянной активной показаны на рис. 6.4. Проходные устройства управления амплитудой СВЧ колебаний с чисто активным управляющим элементом имеют лучшие характеристики по сравнению с управляющими устройствами на одном чисто реактивном элементе. Коэффициент передачи управляющего устройства на активном элементе меньше на вносимое затухание больше), а коэффициент отражения — на по сравнения с управляющим устройством с реактивным элементом в зависимости от величины нормированных проводимостей. Поэтому для проходных устройств управления амплитудой СВЧ колебаний предпочтительнее элементы с управляемой активной проводимостью. К таким элементам лучше всего приближаются -диоды при работе в диапазоне частот, далеких от частоты собственного резонанса, и фотоинжекционные элементы. Если управляемый элемент имеет также и реактивнуюсоставляющую проводимости, характеристики управляющего устройства ухудшаются. При увеличении нормированной реакгивной проводимости коэффициент передачи уменьшается незначительно (вносимое затухание увеличивается на

3 %), а коэффициент отражения увеличивается несколько больше, особенно при малых значениях активной проводимости.

Для уменьшения реактивной проводимости элемента предпочтительно применять бескорпусные -л-диоды, например, типа или с обрезанными выводами. В этом случае нормированная активная проводимость диода нормированная реактивная проводимость где — характеристическое сопротивление линии передачи с Когда емкость диода невелика, реактивную проводимость можно сделать достаточно малой выбором соответствующей конструкции управляющего устройства, а также вводом компенсирующих индуктивностей и других неоднородностей в линию передачи.

Таким образом, основным ограничением для проходных устройств управления амплитудой СВЧ колебаний является сравнительно большой коэффициент отражения или коэффициент стоячей волны на, входе и выходе устройства. Для управляющих устройств с одним чисто активным элементом нормированной активной проводимости, равной единице, Если нормированная реактивная проводимость равна 0,5, то при нормированной активной проводимости, равной 0,8. Таким образом, устройства управления амплитудой СВЧ колебаний на одном элементе не могут иметь большого ослабления при малой величине КСВ без применения специальных мер, предназначенных для отвода отраженной от управляемого элемента мощности в поглощающую нагрузку.

Устройства с одним управляющим элементом имеют также ограниченный диапазон рабочих частот при достаточно большом вносимом ослаблении. Это следует из анализа зависимости нормированной комплексной проводимости корпусного -диода от частоты и управляющего тока (отношения сопротивлений Чем больше величина вносимого ослабления на один управляющий элемент, тем больше требуемая величина нормированной проводимости и тем больше ее зависимость от величины рабочей частоты.

Определим мощность, поглощаемую одним управляющим элементом. Как известно, для управляющего элемента с комплексной проводимостью (сопротивлением) выполняется равенство где и — коэффициент поглощения. Квадрат коэффициента поглощения, характеризующий величину поглощаемой мощности,

Подставив значения модулей коэффициентов передачи и отражения из выражений (6.7) в формулу (6.8) получим для управляющего устройства с одним управляемым элементом

Нормированную активную проводимость, при которой поглощаемая мощность максимальна, определяем из условия

Чисто активный управляющий элемент поглощает максимальную мощность, равную половине падающей, при нормированной активной проводимости, равной двум. При этом одна четвертая часть падающей мощности отражается к генератору и одна четвертая часть проходит в нагрузку. Реактивная составляющая проводимости управляющего элемента уменьшает максимальную поглощаемую мощность. Если нормированная реактивная проводимость не превышает 0,5, то уменьшение поглощаемой мощности составляет не более Проведенный анализ зависимости нормированных активной и реактивной проводимостей управляющего элемента от частоты тока управления выполнен в предположении, что само включение управляющего элемента в линию передачи не вносит никаких дополнительных проводимостей в эквивалентную схему управляемого элемента, что в основном и осуществляется при использовании бескорпусных -диодов и фотоинжекционных элементов, в микрополосковых интегральных схемах СВЧ. В микрополосковых устройствах управляющий элемент чаще всего включается непосредственно в линию передачи, а реактивная проводимость диода компенсируется дополнительным индуктивным элементом или другой неоднородностью, которую можно математически представить в общем случае четырехполюсником [15].

Для расширения диапазона рабочих частот, увеличения вносимого затухания и уменьшения коэффициента стоячей волны применяют многоэлементные управляющие устройства.

С помощью перемножения [П-матриц параллельно включенных чисто активных управляемых элементов и отрезков однородных линий передач между ними можно получить максимальное затухание при расстоянии между элементами, равном а минимальное — при при этом коэффициент отражения минимальной при расстоянии и максимальный при При расстоянии между элементами, равном отраженные от элементов волны складываются в противо-фазе и устройство обладает минимальным КСВ. При расстоянии управляющие элементы включают параллельно и они сильно шунтируют друг друга. Управляющее устройство вносит минимальное затухание. Отраженные от элементов волны складываются в фазе, образуя максимальный КСВ управляющего устройства. Чтобы уменьшить шунтирующее действие двух и более элементов друг на друга, необходимо выбирать расстояния между ними неодинаковыми и равными поочередно половине и четверти длины волны на средней частоте рабочего диапазона [14]. В этом случае в многоэлементном устройстве только по два элемента будут шунтировать друг друга (неблагоприятный случай) и частотный диапазон устройства расширяется при некотором увеличении величины КСВ.

Для увеличения ослабления при малой величине КСВ применяют меры для отвода отраженной от управляемого элемента мощности в поглощающую нагрузку. Помимо этого, расчет широкополосных аттенюаторов отличается от расчета узкополосных выбором величины вносимого затухания на один управляющий элемент и расстояния между ними, которое не равно а выбирается в зависимости от

полосы рабочих частот и величины равномерности вносимого затухания в этом же диапазоне частот.

Реальное управляющее устройство на имеет цепи писания, которые вносят неоднородности в линию передачи СВЧ энергии и тем ухудшают параметры устройства. В устройствах, построенных на несимметричных полосковых линиях, цепи питания представляют собой большую индуктивность для СВЧ сигнала, исключающим его проникновение в них. Чтобы уменьшить величину КСВ устройства, возрастающую за счет влияния цепей питания, часто применяют четвертьволновые шлейфы.

Рис. 6.5. Топологическая (а) и принципиальная электрическая (б) схемы защитного выключателя, построенного на ЩЛ: — бескорпусные -диоды; — конденсаторы; — ограничительное сопротивление питания

Быстродействие устройства управления СВЧ мощностью определяется быстродействием управляющего элемента и постоянной времени цепей питания где — емкость фильтра разделения цепей СВЧ и цепей питания. Для основным фактором, определяющим быстродействие устройств, является время восстановления обратного сопротивления при переходе из проводящего состояния в непроводящее, которое определяется эффективным временем жизни носителей заряда составляющее несколько сот наносекунд. Но это только в том случае, если приняты специальные меры по уменьшению времени восстановления после окончания импульса управляющего тока, которое составляет несколько десятков микросекунд, необходимых для рассасывания накопленного в диоде заряда во время протекания управляющего тока Для этого создаются управляющие импульсы с крутыми фронтами обратного тока. Иногда для увеличения быстродействия включается небольшая индуктивность последовательно с Эта индуктивность способствует ускоренному удалению накопленных на переходе носителей заряда.

Наличие в устройствах управления мощностью построенных на МПЛ всевозможных конструктивных неоднородностей в линии передачи СВЧ и резонансных развязывающих элементов (например, шлейфов) приводит к сужению рабочей полосы. Избежать этого и расширить рабочий диапазон частот, удается построением устройства управления амплитудой СВЧ колебаний на основе ЩЛ; топология такого ващитного выключателя показана на рис. 6.5, а, а принципиальна»

электрическая схема — на рис. 6.5, б. Расстояние между диодами, которые включены в линию передачи благодаря металлизированному «островку», соединенному с остальной металлизацией платы с помощью конденсаторов, равно Такой выключатель работает в 50 %-ной полосе частот и имеет начальные потери 0,2 дБ и затухание более 20 дБ.

Для дальнейшего расширения полосы и увеличения быстродействия управляющих устройств СВЧ применяют фотоинжекционные управляемые элементы [102]. Преимущества устройств, использующих эти элементы: отсутствие компенсационных элементов (которые, кстати, полностью не могут компенсировать реактивность -дио-дов, особенно в широкополосном аттенюаторе), отсутствие цепей питания и, следовательно, развязывающих фильтров (шлейфов), которые также сужают полосу частот и, наконец, оптический способ управления, которьш менее инерционен, что увеличивает быстродействие создаваемых управляющих устройств СВЧ.

Таблица 12 (см. скан)

Параметры оптоэлектронных устройств на фотоинжекционных элементах (см. рис. 6.2, а), рассчитанные по формулам последовательного и параллельного включения их (6.3) и (6.4) в -омную линию передачи, приведены в табл. 12. Оценим возможность получения под действием света сопротивления управляемого элемента менее 10 Ом. Изменение удельной проводимости под действием света [96]

где — заряд электрона; — подвижности электронов и дырок; — изменение концентрации электронов и дырок под действием света. Для оценки снизу ограничимся только электронной частью. Учитывая, что фотопроводимость значительно больше темнозой проводимости и объем элемента — площадь, перпендикулярная направлению изменения сопротивления — его длина, т. е. расстояние между контактами с металлическими частями линии передачи), а также формулу (6.9), запишем полное число носителей заряда в элементе:

Для генерации такого числа носителей на поверхность фоточувствительного управляющего элемента должно попадать количество квантов света, определяемого формулой,

где — квантовый выход.

Полагая для Ом, получаем, что для возможности эффективного управления СВЧ мощностью необходимо квант. При этом световое удельное сопротивление 0,1 Ом и не зависит от конкретных размеров полупроводникового элемента. Удельное сопротивление в темноте для полупроводников, например и других, может быть на несколько порядков выше (выше ), коэффициент качества таких элементов и много больше.

Инерционность устройств (определяемая по спаду проводящего состояния), построенных на таких управляемых линиях передачи СВЧ мощности, зависит от времени жизни фотовозбужденных носителей в полупроводниковом элементе и может достигать , а нарастание проводящего состояния определяется еще меньшим временем: генерацией носителей . Для того чтобы рассматриваемые устройства работали с быстродействием, определяемым временем Т, необходимо соблюдать соотношение и за промежуток времени на полупроводниковый элемент должно попадать не менее квант, т. е. необходим источник света с интенсивностью излучения в импульсе

Таким источником света могут быть всевозможные лазеры, особенно следует отметить возможность использования инжекционных гетеролазеров. Интенсивность излучения лазеров для СВЧ приборов с быстродействием , посчитанная по формуле (6.12), приведена в табл. 12. Лазерные диоды имеют интенсивность излучения в импульсе значительно большую, чем указана в табл. 12. Следовательно, можно ожидать быстродействия с с коэффициентом качества элементов более , что означает большие развязки в таких устройствах, чем в устройствах на

Следует учесть, что расчет начальных потерь (без освещения полупроводникового элемента) в линии передачи по формулам (6.3) и (6.4) прозодился без учета емкостных связей между центральными проводниками в их разрывах, а также без учета искажения СВЧ поля несимметричной полосковой линии при монтаже элементов, имеющих диэлектрическую проницаемость Для учета этих связей были проведены измерения (в сантиметровом диапазоне частот) потерь в разрывах линий без полупроводникового элемента и с ним, а также с образцом из керамики Результаты даны в табл. 13. По данным табл. 13 можно выбрать темновое удельное сопротивление полупроводникового элемента, а также его размеры и форму, учитывая при этом мощность источника света согласно формулам (6.10)-(6.12). Например, исследования последовательно включенного кремниевого образца монокристалла -типа с и размером в разрыв центрального проводника -омной линии, равный 1,5 мм, в сантиметровом диапазоне частот дали следующие результаты. В темноте затухание составляло 20 дБ, а при облучении рассеянным светом -вольтовой лампы накаливания (мощностью ) коэффициент

Таблица 13 (см. скан)

передачи равен 6 дБ [103]. Использование для кремниевого или арсенидгаллиевого образца инжекционного гетеролазера повысит КПД такого СВЧ оптрона примерно на два порядка, что значительно уменьшит начальные потери при уменьшении управляющей мощности. При параллельном включении в СВЧ линию передачи высокоомного кремниевого образца (размерами ) начальные потери уменьшаются [103]. Освещаемый элемент размещается между центральным проводником и заземленным (см. рис. 6.2, а), находящимся на расстоянии 1 мм. Начальные потери без освещения в сантиметровой диапазоне частот составляют 0,2 дБ, а освещение указанной выше лампой накаливания, создает глубину модуляции потерь более 5 дБ. Недостаток такой конструкции — наличие паразитной емкости между заземленным и центральным проводниками линии передачи, которая с увеличением частоты повышает начальные потери.

Рис. 6.6. Конструкции оптоэлектронных модуляторов СВЧ на щелевой (а) и копланарной (б) линиях передач:

полупроводниковый оптический управляемый элемент

Используя фотоинжекционные элементы, можно создать устройства управления СВЧ мощностью на основе ЩЛ и КЛ (рис. 6.6). В ЩЛ управляемый элемент, расположенный в щели, при воздействии света закорачивает линию передачи. В КЛ управляемый элемент, расположенный в разрыве центрального проводника, под действием света включает передачу СВЧ мощности, а элементы, расположенные между центральным и заземленными проводниками, под действием света закорачивают линию, т. е. выключают передачу СВЧ мощности. В таком устройстве время управления составляет 10-12 с, т. е. быстродействие определяется временем генерации носителей как в источнике света — лазере, например, инжекционном, так и в приемнике — полупроводниковом элементе.

Продолжительность импульса СВЧ мощности такой линии определяется временем задержки между световыми импульсами, облучающими последовательно элемент, расположенный в разрыве центрального проводника, и элементы, расположенные между центральным и заземленным проводниками, а скважность может быть не менее времени жизни фотоносителей в приемнике.

Конструирование, построение и расчет многоэлементных устройств на сосредоточенных фотоинжекционных управляемых элементах выполняется так же, как и для устройств на Устройства, построенные на фотоинжекционных сосредоточенных элементах могут управлять большими СВЧ мощностями, чем на -диодах, однако для них требуется значительная мощность управляющего сигнала.

Пример 14. Разработать аттенюатор на в 30%-ном частотном диапазоне с центральной рабочей частотой Гц; минимальными КСВ по входу и выходу и малой неравномерностью амплитудно-частотной характеристики; плавная регулировка с максимальным затуханием более 13 дБ; начальные потери менее 1,5 дБ.

Выбираем переключательный типа гак как его граничная рабочая частота где С — емкость диода поэтому Гц.

Из двух типов аттенюаторов на диодах (аттеиюаторои, обеспечивающих поглощение только в диодах, и поглощающих СВЧ энергию как в самих диодах, так и отраженную энергию в нагрузке) выбираем второй, так как аттенюаторов с плавной регулировкой затухания этот проще по схеме питания диодов, требует меиьшее количество диодов, меиее критичен к температурным колебаниям, а следовательно, более экономичен и надежен в эксплуатации. Малую величину КСВ в аттенюаторах первого типа обеспечивают подачей меньшего напряжения на крайние диоды. В данном случае малость величины КСВ входа и выхода обеспечивается за счет развязанных плеч моста, в одно из которых уходит отраженная от диода мощность и поглощается там в согласованной нагрузке, а другое является СВЧ входом. Решим задачу с помощью моста Лэнжа, который имеет хорошую амплитудно-частотную характеристику вплоть до интервала полосы рабочих частот и более 20 дБ развязки между плечами моста [80, 140].

Количество диодов рассчитаем с учетом максимально заданного затухания и максимального затухания которое может обеспечить один диод, включенный параллельно в линию передачи (из паспорта на диод известно, что пр» прямом смещении сопротивление днода не более 5 Ом),

Таким образом, достаточно одного диода в СВЧ тракте. Начальные потерн складываются из потерь в мостах и потерь в диоде которые в основном определяются реактивной составляющей полного сопротивления диода (емкость днода по паспорту не более Посчитать их можно по формуле (6.3), как и максимальные потерн. На максимальной рабочей частоте за счет отражения на неоднородности, созданной реактивностью диода, СВЧ потерни . Поэтому необходимо ввести компенсирующие элементы, например индуктивные выточки (отрезки лннни передачи с повышенным волновым сопротивлением). Характеристическое сопротивление такой выточки с диодом равноволновому сопротивлению однородной линии, и поэтому ее индуктивность где С—емкость диода. Волновое сопротивление выточки упрощенно можно посчитать по формуле [27]

где — длина выточки; фазовая скорость распространения волны в этой линии — выточке (она равна , где скорость света в вакууме; 2,55 — коэффициент замедлеияя скорости распространения СВЧ энергии в поликоре, на котором создается топология аттенюатора). Длина компенсирующей выточки должна быть меиее Учитывая диаметр основания диода 0,7 мм, длину выточки выберем Ширину отрезка линии выточки определим по с помощью графиков и формул, приведенных в гл. 5 по и Она равна 0,65 мм.

Рис. 6.7. Электрическая (а) и топологическая (б) схемы аттенюаторов: — ограничительные сопротивления в цепи питания диодов; — четвертьволновые шлейфы; С — разделительные конденсаторы; V — диоды

Расчет моста Лэижа проведем согласно указанию в гл. 2. Принципиальная электрическая и топологическая схемы аттенюатора [66] показаны на рис. 6.7. Проанализируем схему построенного аттенюатора. Первый мост делит входной сигнал поровну между диодами. Отраженный от них сигнал (во время подачи на них прямого смещения) приходит ко входному плечу в противофазе (этим обеспечивается низкий КСВ) и в одинаковой фазе к плечу с согласованной -омной нагрузкой где и поглощается. Поэтому в первом мосте особенно важно иметь малый дисбаланс и, конечно, достаточную идентичность диодов. Неточность фазовых соотношений на 8,5° дает КСВ не более 1,32 [140]. На втором мосте прошедшая мощность складывается. Требования к выполнению второго моста меиее критичны, и влияет он в основном на начальные потери. Питание к диодам подводится по тонким проводникам, длина которых равна нечетному числу четвертьволновых отрезков и представляет собой квазиразрыв линии для СВЧ мощности. Гальванический разрыв для постоянного напряжения питания диодов представляют собой разделительные конденсаторы С, которые почти без потерь пропускают СВЧ энергию, например, конденсаторы типа Начальные потери такого аттенюатора за счет потерь в мостах Лэнжа составляют 0,6 дБ плюс частичная рассогласованность диодов и дисбаланс мостов, которые в сумме дают меиее 1,5 дБ [80, 140]. Расчет максимального затухания прежний, хотя диоды включены в отрезки линий с повышенным сопротивлением, их характеристические сопротивления равны 50 Ом. Неравномерность АЧХ такого аттенюатора 1 дБ и КВС менее 2.