Свч-ограничитель

(19) ( 1) 1 Р 1 22 е объединение ин и А,С.Ш нит 9 о СССР1987. ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(57) Использование: в радиоэлектронике СВЧ, в защитных устройствах. Сущность изобретения: снижение пороговой мощности ограничения и упрощение настройки обеспечивается за счет введения коротко- замкнутого шлейфа 2, соединенного параллельно с отрезком 1 линии передачи, в который последовательно-встречно включены детекторный 3 и переключательный 4 диоды, Общая длина 1 шлейфа 2, расстояние между диодами 3 и 4, а также между отрезком 1 и диодом 3 выбираются из приведенных соотношений. 3 ил.Изобретение относится к СВЧ-радиоэлектронике, а именно к твердотельным самоуправляемым СВЧ-ограничителям мощности, и предназначено для защиты от перегрузок маломощных элементов СВЧ- приемников.Известны квазиактивные СВЧ-ограничители, содержащие отрезок линии передачи, в котором шунтирующим образом включается переключающийся диод, а на расстоянии четверти длины волны от него детекторный диод,Недостатком такого ограничителя является трудность в предварительной настройке его параметров на низком уровне мощности, для которой необходимо конструктивно реализовать общую цепь смещения диодов по постоянному току, развязанную от СВЧ-цепи с помощью дросселей, Использование последних приводит к существенному росту вносимых потерь ограничителя на низком уровне мощности, Кроме того, такой ограничитель обладает большими размерами, что также является причиной дополнительного роста вносимых потерь на низком уровне мощности.Наиболее близким техйическим решением к изобретению принятым в качестве прототипа, является СВЧ-ограничитель, содержащий отрезок линии передачи и цепочку, состоящую из последовательно соединенных разноименными электродами детекторного и переключательного диодов, которая подключена параллельно отрезку . линии передачи,Недостатком такого ограничителя является относительно высокая пороговая мощность ограничения. Причина в том, что . СВЧ-напряжение падающей на ограничитель волны прикладывается к детекторному диоду не непосредственно, а через емкостный делитель, образованный емкостью переключательного и детекторного диодов.Это значит, что эффективное детектирование, а следовательно, и режим ограничения, будут начинаться при повышенных уровнях падающей СВЧ-мощности, Кроме того, недостатком такого ограничителя, особенно проявляющимся в КВЧ-диапазоне, является вытекающее из его эквивалентной схемы размещение детекторного и переключательного диодов конструктивно в одной шунтирующей основную линию передачи плоскости. Такое включение диодов при разработке ограничителя в коротковолновых диапазонах вследствие того, что размеры диодов становятся сравнимы как с величиной длины волны, так и с размерами линии передачи, ведет к существенному усложнению его конструктивной реализации. Введение параллельного короткозамк нутого шлейфа позволяет изменять местовключения детекторного диода относительно переключательного и при подборе определенного расстояния добиться снижения порога ограничения. Кроме того, включение 50 диодов в основную линию передачи не непосредственно, а через параллельный шлейф, существенно упрощает конструктивную реализацию ограничителя, что особенно важно для устройств КВЧ-диапазона,На фиг. 1.приведена эквивалентная схе-,ма предлагаемого ограничителя; на фиг. 2 - предлагаемый ограничитель в КВЧ-диапазоне, пример конструктивной реализации; на фиг. 3 - эквивалентная схема ограничителя КВЧ-диапазона. 35 и изготовления и, как следствие, к ухудшению его параметров,Целью изобретения является снижениепороговой мощности ограничения и упро щение изготовления ограничителя.указанная цель достигается тем, что вСВЧ-ограничитель, содержащий отрезок линии передачи, один конец которого является входом, а другой выходом ограничите ля, детекторный и переключательныйдиоды, соединенные по постоянному току разйоименными электродами, введен короткозамкнутый шлейф длиной , соединенный параллельно с отрезком линии 15 передачи, в который на расстоянии четвертидлины волны от места соединения шлейфа сотрезком линии передачи последовательно включен детекторный диод, а на расстоянии И от детекторного диода таким же образом20 включен переключательнцй диод, причемдлиныи 11 выбираются из соотношенийЛ/4 +1 +Л/2 йагс 1 ц Х приХ )О;Л/4 +11 +Л/2 (1 + - , агс 1 д Х ) при ХО1Л/2 жагсщ У при У)О;Л/2 (1 + - агс 1 ц У ) при УО,1 1гДе Х= 2 Е (й.1 вС )3042 Е ШС 3 С 2 С 22 С 1Устройство содержит отрезок основной линии передачи 1, в который шунтирующим образом включен короткоэамкнутый шлейф 2. В один из проводников шлейфа включаются последовательно детекторный 3 и переключательный 4 диоды, при этом они оказываются соединенными по постоянному току разноименными электродами. Для замыкания цепи постоянного тока служит дроссель ядр 5.Ограничитель работает следующим образом.При низком уровне входной мощности напряжение на детекторном диоде 3 недостаточно для появления выпрямленного тока, переключательный диод 4 закрыт и характеризуется высоким импедансом, обусловленным в основном его малой емкостью, Импеданс обоих диодов трансформируется в основную линию передачи таким образом, чтобы обеспечить в сечении включения шлейфа 2 в отрезок линии передачи 1 режим, наиболее близкий к холостому ходу, Затухание, вносимое ограничителем, в этом режиме мало.По мере увеличения входной мощности СВЧ-напряжение на детекторном диоде 3 возрастает, и при достижении некоторого порогового уровня начинается эффективное 303540 455055 детектирование. Возникающий в процессе детектирования постоянный ток протекает через переключательный диод 4, который переходит в состояние с низким импедансом, имеющим индуктивный характер засчет индуктивности выводов диода. В этомрежиме импеданс обоих диодов трансформируется в основную линию передачи таким образом, чтобы обеспечить в сечении включения шлейфа 2 в отрезок линии передачи 1режим, наиболее близкий к короткому замыканию. Затухание, вносимое ограничителем, велико.В предложенном ограничителе детекторный диод включается в ту точку шлейфа, где находится пучность СВЧ-тока при низком уровне мощности. Это ведет к снижению величины пороговой мощности ограничения устройства, Последнее обусловлено тем, что при низком уровне входной мощности, когда диод закрыт и его импеданс высок, в шлейфе устанавливается стоячая волна, при этом в точке включения переключательного диода в шлейф находится узел СВЧ-тока. Если детекторный диодвключать в точку, где находится пучность СВЧ-тока, то в режиме низкого уровня мощности через детекторный диод будет протекать максимально возможный для данного уровня падающей мощности СВЧ-ток и, следовательно, на его внутреннем сопротивле 5 10 15 20 25 нии будет развиваться максимально возможное для данного уровня падающей мощности СВЧ-напряжение. В этом случае пороговое напряжение детектирования будет дастигаться при меньших уровнях падающей СВЧ-мощности, что и приводит к снижению пороговой мощности ограничения,Упрощение конструктивной реализации ограничителя достигается тем, что в предложенном устройстве диоды включаются не непосредственно в рассечку линии передачи, а через параллельный шлейф, это позволяет вынести их из одной общей шунтирующей основную линию передачи плоскости и включить их в шлейфе на некотором расстоянии друг от друга. Такое включение обладает существенным преимуществом в КВЧ-диапазоне, где размеры диодов становятся сравнимы с рабочей длиной волны и размерами основной линии передачи, что ведет к усложнению разрабатываемых конструкций или к ухудшению параметров устройств. Так, в КВЧ- диапазоне применение получили диоды сбалочными выводами, а из основных типов линий передач - волноводно-щелевая линия ВЩЛ). Зазор между металлизациями ВЩЛ равен обычно 70150 мкм, что значительно меньше, чем размер одного диода с балочными выводами, поэтому конструктивно невозможно реализовать ограничитель, предложенный в прототипе, так как в малом зазоре ВЩЛ необходимо было бы разместить два последовательно соединенных диода.Расчет длин отрезков шлейфа, при кото рых достигаются приведенные ранее усло вия снижения величины порога ограничения и соответствующей трансформации импедансов диодов в режимах высокого и низкого уровня мощности, для схемы, показанной на фиг, 1, проведем следующим образом,Определим длину отрезка шлейфа 11 от точки включения детекторного диода до точ- ки включения переключательного диода и длину отрезка шлейфа 1 г от его короткозамкнутого конца до точки включения переключательного диода, Длина отрезка шлейфа от места соединения его с линией передачи до точки включения детекторного диода равна 1/4, что следует из условия минимальных вносимых потерь ограничителя в режиме низкого уровня мощности, так как детекторный диод включен в пучности СВЧ-тока, что соответствует сечению эквивалентного короткого замыкания в шлейфе.Рассмотрим режим низкого уровня мощности, считая импеданс диода чистоемкостным:(12) 5 Решая совместно уравнения (7) и (10),получаем выражение относительно Х:х + (а(1 " ) х+(1- - хВСХ( 1 . (-1 с 1+2 С 210 вгс,сг с сгРешением уравнения (13) является выражениеХ 1 г= -- (в 1-1, ) .1 122 . аС 1 15 дной импедане:2 ж 11 2(14)Для определения однозначного физического решения рассмотрим два "идеальных"состояния ограничителя,В режиме низкого уровня мощности -это минимальные вносимые потери, чему25 соответствуетС 1-9 Ои С 2-1 се (15)а в режиме высокого уровня мощности -максимальные потери запирания, чему соответствуетОи, +О (16)Иэ условий (15) и (16) следует, что 12 =О,а 11= Л/4,что обеспечивает 2 аьн -9 се и 2 еь - 0С учетом (11) получаем требование Х =О,что при выполнении условий (1 5) и (16) является единственным решением уравнения(13). Этому решению соответствует отрицательный знак перед квадратным корнем в40 вцражении (14),Таким образом окончательно имеем;Х= - - (а .1 -- ) -1 122 вС 1 равен2 сен 22 н + 2 ден(6) Условием, при котором одновременно выполняются требования как для снижения порога ограничения, так и для трансформации импедансов диодов в режиме низкого уровня мощности, является соотношение 2 сен - О. Учитывая его из соотношений (1)- (6) получаем уравнение, связывающее 1 и 12:+2 м Сз49 - ( -- 2( - +1) =0С 1При анализе режима высокого уровня мощности, учитываем только реактивную составляющую импеданса диода, которая является чисто индуктивной21 в =) а 1; (8)2 гв =) а 1-г (9) где 1 и .2 индуктивность вцчводов переключательного и детекторного диодов соответственно,Определив по соотношениям (ЗН 6) но ВЫЕ ЗНаЧЕНИя 2 Ьее, 21 де, 2 бее 2 сее И уЧИтЫ- вая требования для высокого уровня МОЩНОСТИ 2 сее -9 со, ПОЛУЧаЕМ ВТОРОЕ УРаВ- нение относительно 1 и 12 45 из уравнения (10) нахо 18) игономет- (11) и (12) ц 11 и 12 Л/2,2- аЬ 9 2 Ж 11- 2 2 Л 2, 2 ж 11 Х -- 19 - ч -0) 1(1)122 н (2)где С 1 и Сг - емкости переключательного идетекторного диодов соответственно.Входной импеданс отрезка шлейфа всечении Ь 9 будет равен;2 ндн =)249 2(3)2 й 2где 2 - характеристическое сопротивлениешлейфа.Входной импеданс отрезка шлейфа всечении 1 ц равен21 Вн = 21 н + 2 Ьцн(4)Далее определяем вхо сотрезка шлейфа в сечении б 2 +ЪдчЗЯходной импеданс шлейфа в сечении с 2 а 11+2 Х Отрицательным значением т рических функций в выражениях соответствуют наименьшие дли лежащие в интервалах от Ю 4 до С учетом этого получаем Л/2 жагс 19 Х при Х Л/2 (1+ - агс 19 Х) при ХгЛ/2 л, агстд У при У ) 0; ЗА 140 А, в качестве переключательного- р 1 пЛ/2 (1 + - агссд У ) при У0, (20) диод 2 А 553. Ограничитель имел вносимыепотери меньше 1 дБ в 5 полосе частот ии (18).где Х и У определяются соотношениями (17) порог ограничения мощнос б 10ти не олее5 мВт. Максимальнодостижимая развязка огВыбранные таким образом размеры от- раничителя равнялась 25 дБ, максимальнорезковшлейфао еспечиваютминимальный допустимая падающая импульсная мощпорог ограничения мощности и оптималь- ность составила 10 Вт,ные параметры ограничителя соответствен- В сравнении с прототипом йс известныно в режимах низкого и высокогор ого и высокого уровня 10 ми из литературы лучшими отечественнымимощностей, общая длина шлейфа равна и зарубежными аналогами рй б йзра отанныограничитель имеет на порядок меньшийПример конструктивного выполнения порог ограничения мощности при сравни-предлагаемого устройства приведен на мыхостальныхйараметрах.фиг, 2. 1 5 Таким образом, в предлагаемом ограниОграничитель содержит волновод б, в чителе обеспечиваются снижение порога ОгЕ-плоскости кото ого азме ена ирого размещена диэлек- раничения и уп рощение конструктивнойтрическая подложка 7 с областями 8 реализации, особенно существенное для усметаллизации образующими волноводно- тройств КВЧ-диапаэо, бв -диапазона, езухудшениядрущелевую линию (ВЩЛ) 1 с плавными пере гих его параметров.ходами на волновод (на фиг. 2 граница ретенияобластей металлизации на обратной сторо- СВЧ-ограничитель, со-ограничитель, содержащий послене подложки 7 показаны пунктиром), На ли- довательно соединенные по йостоянномуцевой стороне подложки 7, свободной от току и включенные параллельно в отрезокметаллизации ВЩЛ, выполнена схема, со линии передачи е йлинии пе едачи детекторный и перекйючадержащая полосковый проводник 2, разо- тельный диоды, отл и ча ю щ ймкнтыбли ющи ся тем,область ели по и ямым гл му й на обоих концах и пересекающий что, с целью сйижения йорйРогово мощнбо ласть щели под прямым углом к ней. Де- сти ограничения и упрощения настройки,текторный 3 и переключательный 4 диоды детекторный и пере ат рный и переключательный диодыр рывы введенного коротковключены последовательно в разрывах по включены в разрывы вве еннласкового проводника, Отрезки высокоом- эамкнутогошлейфа,причемначетве тьволных и низкоомных линий 9 и 10 длиной Л/4 новом расстоянии от точки подключейияслужат для развязки цепей постоянного то- короткозамкнутого Шлейфа к отрезку линЫ 1каиСВЧп ин тпри настройке ограничителя на передачи в него включен детекторный дионизком уровне мощности. Эквивалентная 35 на расстоянии.11 от него - переключательсхемаустройства приведена нафиг.3. ный диод а длина 1ныйдиод, а длина короткозамкнутогоДлина отрезка полоскового проводника шлейфа и расстояния 11 выбраны из условий2 От НИЖНЕГО раЗОМКНутОГО КОНца дО цЕНтраЛ/4+1+Л/2 Лагсц Хщели выбирается равнойЛ/4, где Л - длина=;Л/ + +Л/ г " ) Х 5;0волны в полосковой линии, при этом обес 40 + + д Я Р4+11 + 2 (1+ - агс 1 Х) п и Х 5 аОпечивается эквивалентное параллельноеподключение полоскового шлейфа к ВЩЛ. 1 Л/2 лагс 1 д У при У ) 0;Длина отрезка полоскового проводника 2 от У 2 г 1+1 У с( - агстд ) при У О,центра щели до точки включения детектор-Жного диода равна Л/4, а длина шлейфа 1 и 45 где Х= -- (в 11 - 1 ) -расСтояние междудиодами 11 определяются 2в С 1из приведенных выше расчетов,Длина отрезка полоскового проводникаот детекторного диода до верхнего разо КЛ"Сн)мкнутого конца определяется путем увеличения расчетной длины 2 на Л/4, так как в . У -полосковой схеме на конце шлейфа конств 1 1 + . Хруктивно проще выполнить условия для хо - характеристическое сопротивлениВлостого хода, чем для короткого замыкания. короткоэамкнутого шлейфа;Описанная конструкция ограничителя 55 Л- длина волны;была изготовлена в длинноволновой части в- рабочая частота;КВЧ диапазона в канале волновода сечени-1 - индуктивность переключательногоем 7,2 х 3,4 мм, В разработанном ограничителе а качестве детекторного диода С 1 и С 2 - емкость переключательного ииспользовался диод с барьером Шоттки детекторногодиодов, соответствейно,1786552 каз 251 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 НТ ССС роизводстве ательский комбинат "Патент", г, Ужгород.Гагарина, 101 Составитель И. Лебедев Редактор Техред М,Моргентал Корректор Э. Лончако