3. СХЕМЫ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ И ИХ РАСЧЕТ

Схемы ограничителей мощности выполняют с внешним управлением или без него. В последнем случае в схему вводят дополнительно смесительный диод VI (рис. 8.3), который вследствие большей, чем чувствительности к СВЧ мощности, открывается при меньшем уровне падающей мощности, чем -диоды и , и с него снимается напряжение смещения для -диодов, которое понижает порог срабатывания ограничителя.

Рис. 8.3. Электрическая схема (по постоянному току) ограничителя мощности с автосмещением

Для анализа многокаскадного полупроводникового ограничителя на используем выражения работы [15]. Топологическая схема рассматриваемого ограничителя показана на рис. 8.4, а и представляет собой три одинаковых неоднородных шлейфа, включенных параллельно в линию передачи через на расстояниях четверти длины волны один от другого. В конце этого -ограничителя устанавливают обычно смесительный диод подпитки (см. рис. 8.3). Ограничитель с диодом подпитки работает следующим образом. Когда уровень проходящей через ограничитель мощности достигает достаточно большой величины (порядка нескольких миливатт), диод подпитки открывается. Выпрямленный ток, проходящий через него, замыкается через -диоды и понижает порог открывания. Так как

передний фронт пришедшего СВЧ импульса всегда наклонный, то открываться с помощью диода подпитки при прохождении нижней части фронта, уже достаточно открыты при прохождении его верхней части, т. е. быстродействие ограничителя увеличивается. Когда -диоды открылись, они отражают ббльшую часть пришедшей мощности, и таким образом защищают последующую часть приемника, а также и диод подпитки.

Для анализа схемы применяют матрицы передачи (-матрицы), причем отдельные звенья представляют, эквивалентной схемы (см. рис. 6.1).

Входное сопротивление шлейфа нормированного по

Рис. 8.4. Упрощенная топологическая схема ограничителя на и топологическая схема рассчитанного в примере ограничителя (б)

Для высокого уровня мощности суммарная проводимость диода и шлейфа

Для низкого уровня мощности

где — комплексные сопротивления закрытого и открытого диодов (рис. 6.1).

Как видно из рис. 8.4, а, схема ограничителя представляет собой три каскадно включенных одинаковых ячейки, состоящих из двух отрезков линий передачи с электрической длиной и общей проводимости диода и шлейфа или Следовательно, нормированная матрица передачи ограничителя представляет собой произведение

следующих трех одинаковых матриц (нормированных по волновому сопротивлению подводящей линии

Чтобы учесть влияние смесительного диода, топология включения которого показана на рис. 8.4, б, следует получившуюся после перемножения матрицу умножить на матрицу передачи смесительного диода. Ненормированная матрица диода

где — проводимость смесительного диода.

При условии, что генератор сигналов согласован с проводя щей линией, потери мощности, в дБ, ограничителя определяются выражением [113]

где — комплексное сопротивление нагрузки; — элементы ненормированной а-матрицы всего ограничителя.

Фазовый сдвиг Если считать, что порог ограничения — это удвоенное значение потерь пропускания и увеличение этих потерь при пороговой мощности зависит только от свойств диода подпитки, то величину проводимости диода подпитки в пороговом состоянии можно определить следующим образом. Потери диода подпитки в безразмерных единицах

Элементы в это выражение подставляются из матрицы диода (8-9), а величина Тогда

где — входное комплексное сопротивление той части ограничителя, в которой включены при низком уровне мощности. Проводимость диода, при которой наступает порог ограничения,

если

Пример 19. Рассчитать ограничитель мощности с параметрами: рабочая частота ; коммутируемая импульсная мощность длительность импульса с; период повторения импульсов с;

потери заграждения дБ; потери ропускаиия дБ; порог ограничения (по непрерывной мощности) Рпор мВт. Выбираем конструкции» ограничителя на МПЛ и на диодах

Проверяем по формулам примера 17, какую импульсную мощность выдержит ограничитель данной конструкции. Полученное значение больше заданного в 1,4 раза, что свидетельствует о хорошей надежности ограничителя. Выбираем ограничитель, аналогичный тому, который показан и» рис. Тип смесительного диода выбираем по рабочей частоте ограничителя. Определяем порог ограничения данного устройства. Проводимость, смесительного диода, соответствующая порогу ограничения, См,

где 50 — величина волнового сопротивления подводящей линии, Ом.

При этом падающая на параллельное соединение мощность

Для диода входная проводимость См получится при подаче на него мощности

Число ограничительных каскадов определим с помощью формулы (8.6)

Требуемое затухание 30 дБ можно получить с помощью двух каскадов на Расчет по формуле (8.6) следует уточнить после введения в топологию ограничителя элементов, согласующих закрытый с подводящей линией, так как вместо Ом в месте включения в линию может получиться другое волновое сопротивление. Расстояние между диодами целесообразно выбирать равным четверти длины волны в линии, при этом влияние диодов друг на друга минимально.

Рис. 8.5. Эскиз установки на МПЛ

Топологическая схема рассчитываемого ограничителя показана на рис. а на рис. 8.5 показан эскиз крепления на МПЛ. На рис. шлейфы служат для закорачивания СВЧ сигнала, прошедшего с основной линии через открытые состоящий из шлейфов служит для обеспечения цепи постоянного тока смещения диодов, шлейф — для закорачивания сигналов нижних частот.

Для проверки работоспособности смонтированных диодов постоянное смещение следует подать в точки А и Б схемы (рис. 8.4, б). Если на А подать плюс, а на — минус, то будут открыты и закрыт смесительный диод подпитки. Если поменять полярность, то будет открыт смесительный вход, закрыты. В первом случае затухание для СВЧ сигнала будет значительно большим, чем во втором, что и используют для проверки работоспособности диодов. Диоды типа полностью открываются при токе 10 мА (типа КА517).

Волновое сопротивление основной подводяшей линии составляет 50 Ом, при этом ширина мм (при h = 1 мм и е = 9,8). Для хорошей работы ограничителя в широкой полосе частот (до 30 %) следует выбирать шлейфы с большим волновым сопротивлением. Технология позволяет выполнить толщину проводников с 0,06 мм достаточно точно. По тем же причинам следует выбирать волновое сопротивление шлейфов

достаточно малым, однако чтобы в этих линиях невозникалн паразитные типы колебаний обычно ширину выбирают в 2—3 раза больше шнрнны основной линии. В данном примере выбираем — 3 мм.

Реактивная составляющая (емкость) комплексного сопротивления закрытого диода увеличивает потери ограничителя при низком уровне пришедшей СВЧ мощности. Емкость диода можно компенсировать следующими способами:

1) последовательным включением индуктивности (рис. 8.6, а), где — компенсирующая индуктивность; — параметры в закрытом состоянии:

2) последовательным включением шлейфа (рис. 8.6, б), где — волновое сопротивление шлейфа; — длина шлейфа, волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора; -сопротивление после трансформации шлейфом с который компенсирует

где — длина волны в линии;

3) с помощью параллельного короткозамкнутого шлейфа (рис. 8.6, в), длина которого меньше четверти длины волны в линии,

Рис. 8.6. Схема согласования диода: а - с помощью последовательного включения индуктивности; б — с помощью последовательного шлейфа; в — с помощью параллельного короткозамкнутого шлейфа

Из этих трех способов наиболее компактным является первый. По первому способу для компенсации емкости закрытого диода применяют последовательную индуктивность, которую получают за счет

включения в МПЛ отрезка с уменьшенной шириной токонесущего проводника (для МПЛ). Для сохранения в линии с включенными диодами режима бегущих волн величину индуктивности выбирают такой, чтобы соблюдалось равенство

где — рабочая частота; волновое сопротивление основной линии; — емкость закрытого диода.

Так как структура схемы согласования диода (рис. 8.6, а) соответствует то на частотах ниже потери в схеме незначительные. Критическая частота схем для примера 19

Индуктивность получена из формулы которая следует из выражения (8.10), когда . Чтобы индуктивность была аналогична сосредоточенному элементу (что важно для широкополосности согласования), ее длина должна быть меньше одной восьмой длины волны в линии. Если длина волны равна 20 см в свободном пространстве, укорочение длины волны в МПЛ, выполненной на поликоре с и толщиной мм, равно 2,55. Поэтому длина индуктивности должна быть не более 9,8 мм, т. е.

Рис. 8.7. Конструкция ограничителя мощности на ЩЛ: 1 — диоды; 2 — блокировочные конденсаторы; 3 металлизированный «островок»

Для определения ширины полоски воспользуемся рис. 5.12, а. Примем см. Тогда и по рис. 5.12, а получаем Из последнего равенства определим ширину проводника компенсирующей индуктивности мм. Рассчитанный в примере 19 ограничитель (рис. 8.4, б) испытан в полосе рабочих частот и имеет потери пропускания не более 0,5 дБ, потери запирания не менее 30,5 дБ.

Электрическую схему (см. рис. 8.3) можно реализовать и на ЩЛ (рис. 8.7). Этот ограничитель работает в большей полосе, чем ограничитель на МПЛ, так как он не имеет резонансных элементов (например, шлейфов). Согласовывать диоды в этой схеме можно аналогично предыдущей, только для получения последовательной индуктивности

следует расширить щель на участке возле диода. Ширину щели можно вычислить из выражений и графиков гл. 1 по волновому сопротивлению такой линии. В свою очередь волновое сопротивление вычисляют для требуемого значения компенсирующей индуктивности по формуле [27]

где — фазовая скорость волны с — скорость света; — коэффициент укорочения длины волны в линии.

В настоящее время имеются некоторые трудности при монтаже бескорпусных -диодов в ограничителях на ЩЛ, так как большинство серийных диодов имеют конструкцию, специально приспособленную для монтажа в МПЛ. Имея топологию ограничителя, ее размеры можно оптимизировать на ЭВМ (по критерию получения лучших параметров).

До последнего времени большинство микроэлектронных СВЧ устройств строили на основе микрополосковых линий передачи (МПЛ). Как было показано ранее, появились микроэлектронные устройства на других типах линий: щелевой (ЩЛ), копланарной (КЛ), микроволноводе. Но по-прежнему, когда ставится задача создания многофункционального модуля, используют МПЛ, так как не достаточно существующей номенклатуры устройств на ЩЛ и КЛ.

Устройства СВЧ, позволяющие строить многофункциональные приемные модули таким образом, что для реализации каждой из основных функций используют тип линии, конструкция которой наиболее приспособлена для выполнения именно этой функции, приведены в табл. 17. Например, если требуется большая величина развязки между гетеродинным и сигнальным входами смесителя, то в модуле применяют смеситель на комбинациях ЩЛ, КЛ и МПЛ [74], если требуется ограничить входную мощность в широкой полосе частот, то применяют ограничитель мощности на ЩЛ (см. гл. 8).

При выборе типа линий, которые рационально можно использовать в многофункциональных приемных модулях, следует учитывать, что переход с одного типа линии на другой увеличивает потери сигнала и сужает полосу частот. При построении микроэлектронных приемных модулей главные требования — минимальные габаритные размеры устройства и технологичность изготовления.

В настоящее время узлы приемных устройств выполняют в отдельных корпусах, даже если эти узлы изготовлены микроэлектронными. Это чаще всего связано с необходимостью контроля этих узлов после изготовления и их подстройки. Однако прогресс технологий обеспечил условия, когда правильно разработанный узел имеет достаточно высокую повторяемость параметров, поэтому не нуждается в подстройке. Это позволяет объединять в одном корпусе многие узлы, что значительно увеличивает надежность приемного модуля, уменьшает его массу и габаритные размеры, снижает затраты на его изготовление, так как сокращается число коаксиальных СВЧ разъемов, производство которых требует высокой точности.

Ряд узлов, объединенных в одном корпусе, называется большой интегральной схемой (БИС). Она выполняет сразу несколько функций. Корпус БИС оказывает влияние на параметры модуля. При различных неоднородностях (поворотах, скачках волновых сопротивлений и т. п.) возникают высшие типы волн, которые при резонансной связи с корпусом модуля увеличивают потери на отдельных частотах и создают фазовые искажения. Для борьбы с этим конструкцию корпуса следует выполнять не резонансных размеров. Если рассматривать корпус как волновод, часть которого заполнена диэлектриком, то в корпусе могут возникать колебания волн типа ТМ [158]. Определение характеристик этих колебаний — сложная электродинамическая задача. Можно считать, что резонансы волн этого типа появляются при рабочей длине волны в свободном пространстве

где — внутренняя ширина модуля; — длина модуля; — толщина диэлектрика; — толщина воздушного зазора над диэлектриком (для МПЛ); ееее — относительная диэлектрическая проницаемость; — целые числа.

Это выражение имеет ограничения:

где — критическая длина волны типа для данного корпуса.

Параметры М и могут иметь значения 1 или 2, например, при возникают резонансные связи на частотах, соответствующих длинам волны в свободном пространстве: 3,96; 2,48; 2,07; 1,73 см. Отсюда следует, что рабочая длина волны не должна совпадать или быть близкой с этими значениями.

Важную роль в работе интегральных схем СВЧ имеют входные переходы, которые должны быть герметичными и иметь в достаточно широкой полосе частот КСВН порядка 1,1 и потери 0,1 дБ. Переходы могут быть волноводно-полосковые [24], коаксиально-полосковые [66] и др. Для связи различных линий между собой используют специальные переходы, которые должны иметь минимальные КСВН и потери, стойкость к высокой мощности, технологичность. Например, при переходе от полосковой линии к коаксиальной КСВН не более 1,03 в диапазоне до от высокодобротной полосковой линии к коаксильной КСВН не более 1,02 в диапазоне от несимметричной полосковой линии к коаксиальной КСВН не более 1,05 в диапазоне до Выполнение устройств на различных типах линий и применение переходов от ЩЛ к МПЛ [152], в которых СВЧ энергия проходит от линии к линии через толщу диэлектрической подложки, позволяет создавать безразъемные сборки герметичных модулей, что резко повышает их надежность и повторяемость параметров.

Конструкцию ГИС СВЧ обычно выполняют так, что поликоровые платы своей металлизированной стороной припаивают к рамке из

металла, коэффициент теплового расширения которого совпадает с коэффициентом поликора (например, ковар или титан). Центральный проводник герметичного коаксиального разъема соединяют с МПЛ гибкой фольгой, что предотвращает отслоение напыленного проводника при механических и тепловых деформациях платы и корпуса. Размещение элементов устройств на обеих плоскостях подложек увеличивает плотность заполнения СВЧ элементами ГИС, которая определяется соотношением

где и — высота и площадь поперечного сечения модуля соответственно; — единичный объем, в котором заключен максимум электромагнитного поля распространяющейся волны: — единичная площадь; — длина СВЧ элемента.

Таблица 17 (см. скан)

Значение зависит для МПЛ от ширины центрального проводника, для ЩЛ — от ширины щели, для КЛ от расстояния между

заземленными плоскостями. Если использовать подложки одинаковой толщины, то

При использовании подложек с высокой диэлектрической проницаемостью размеры всех резонансных элементов сокращаются в У раз. Очевидно, чем меньше П, тем лучше использован объем модуля. Сравнение с помощью этого коэффициента регулярных линий передачи указанных типов показывает, что плотность заполнения у них практически одинакова. Применение комбинаций линий увеличивает плотность заполнения вследствие более эффективного использования поверхностей подложки. Оптимальный коэффициент заполнения

Большое значение при проектировании имеют допустимые расстояния между микроэлектронными линиями, при которых развязки выше 20 дБ. Расстояния, полученные на основании опытных данных для различных типов линий, приводятся в табл. 18.

Разработчику микросхем приходится выбирать также материал подложек и проводников. Основные физико-химические свойства материалов подложек ГИС СВЧ приведены в табл. 19, а свойства материлов проводников — в табл. 20. Для подложек наибольшее распространение получил поликор. Проводники микроэлектронных линий при тонкопленочной технологии чаще всего выполняют из следующих слоев: хрома — меди — золота или серебра.

Таблица 18

Таблица 19

(кликните для просмотра скана)