Свч-ограничитель

 

Использование: в радиоэлектронике СВЧ, в защитных устройствах. Сущность изобретения: снижение пороговой мощности ограничения и упрощение Настройки обеспечивается за счет введения короткозамкнутого 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s1)5 Н 01 P 1/22

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (54) СВЧ-ОГРАНИЧИТЕЛЬ.

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4910892/09 (22) 11.02.91 (46) 07.01.93. Бюл. М 1 (71) Научно-производственное объединение

"Исток" (72) И.В.Лебедев, С.А;Легенкин и А.С.Шнитников (56) Патент США М 3660708, кл. Н 03 Н 7/10,6 опублик. 1971.

Авторское свидетельство СССР

М 1483518, кл. Н 01 P 1/15, 1987.

5U, 1786552 А1

2 (57) Использование: в радиоэлектроника

СВЧ, в защитных устройствах. Сущность изобретения: снижение пороговой мощности ограничения и упрощение настройки обеспечивается за счет введения короткозамкнутого 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.

1786552

Изобретение относится к СВЧ-радиоэлектронике, а именно к твердотельным самоуправляемым СВЧ-ограничителям мощности, и предназначено для защиты от перегрузок маломощных элементов СВЧприемников.

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 8l 0 конструктивной реализации

Z й) Е1+Z Х

Z — характеристическое сопротивление шлейфа;

il- длина волны; в- рабочая частота;

L1 — индуктивность переключател ьного диода;

C1 — емкость переключательного диода;

С2 — емкость детекторного диода, . Введение параллельного короткозамк45 нутого шлейфа позволяет изменять место включения 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 снижение пороговой мощности ограничения и упро5 щение изготовления ограничителя. указанная цель достигается тем, что в

СВЧ-ограничитель, содержащий отрезок линии передачи, один конец которого является входом, а другой выходом ограничите10 ля, детекторный и переключательный диоды, соединенные по постоянному току разйоименными электродами, введен короткозамкнутый шлейф длиной L, соединенный параллельно с отрезком линии

15 передачи, в который на расстоянии четверти длины волны от места соединения шлейфа с отрезком линии передачи последовательно включен детекторный диод, а на расстоянии

11 от детекторного диода таким же образом

20 включен переключательный диод, причем длины L и 11 выбираются из соотношений

1 =

il,/4 +!1 +А/2 Xarctg Х при Х >0;

Л/4+11 +Л,/2 (1 + —,arctg X ) при Х 0

) iL/2лarng Y npu Y)0; il/2 (1+ — arctg Y) при Y 0, 1 1 где Х= 2Z (Ю(.1 вС )

4Е 2 ШС3 CZ C2Z

1786552

30

50

Устройство 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 детектирование. Возникающий в процессе детектирования постоянный ток протекает через переключательный диод 4, который переходит в состояние с низким импедансом, имеющим индуктивный характер за счет индуктивности выводов диода. В этом режиме 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 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 диод включать 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 сопротивлении 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 КВЧдиапазоне применение получили диоды с балочными выводами, а из основных типов линий передач — волноводно-щелевая линия (ВЩЛ). Зазор между металлизациями ВЩЛ равен обычно 70...150 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 l2 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

А/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:

1786552 (2) Z- NL1 tg -2 tg x

2 ж11

2Л12 2ж11 х — з — 19 — з — -О (10) 1

Z1 = )ВС1: (1)

1 .Z2H ) NС где С1 и Сг — емкости переключательного и детекторного диодов соответственно.

Входной импеданс отрезка шлейфа в сечении hg будет равен;

2нач =)249 — з —, (3)

2 zCI2 где 2 — характеристическое сопротивление шлейфа.

Входной импеданс отрезка шлейфа в сечении fg равен

Zfgj4 = Z1н + Zhgjj ° (4)

Далее определяем входной импеданс отрезка шлейфа в сечении de:

2 Ж11

Zf4н+j 2 t9 — У вЂ” —.

Р)

Z+j Zt4 t9 з

Входной импеданс шлейфа в сечении се равен

2сен =22н +2с(ен ° (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

2ce, — О. Учитывая его из соотношений (1)(6) получаем уравнение, связывающее11и 12: (Z и Сз,С } 19 — у —.Н

+Z t9 49 — — +

2л Iг 2 г11 г .. 2л12

+ Z м Сз 49 — (—— — Z(— +1) =0

С1

При анализе режима высокого уровня мощности, учитываем только реактивную составляющую импеданса диода, которая является чисто индуктивной

21в = j NL1; (8)

2гв - l NL2 (9) где l 1 и L2 индуктивность вйводов переключательного и детекторного диодов соответственно.

Определив по соотношениям (ЗН6) ноВЫЕ ЗНаЧЕНИя Zhge, Zfge, Zdee, Zcee И уЧИтЫвая требования для высокого уровня

МОщНОСтИ Z«e - ccj, ПОЛуЧаЕМ ВтарОЕ ураВнение относительно 11 и 12

Обозначим через Х=щ — з — — (11)

2 гlг и Y=щ — ч—

2 д11 (12)

5 Решая совместно уравнения (7) и (10), получаем выражение относительно Х:

x + — (N L1 " ) х +(1- — X

СО С1 2

X(1 „1 L1 C1+L2 С2 )) =0

10 N2c, с1.сг

Решением уравнения (13) является выражение

X1,г= — — (NL1 ) +.

1 1

2Z . вС1

15 (14)

Для определения однозначного физического решения рассмотрим два "идеальных" состояния ограничителя, В режиме низкого уровня мощности— это минимальные вносимые потери, чему

25 соответствует

С1-9 0 и Сг - ОО (15) а в режиме высокого уровня мощности— максимальные потери запирания, чему соответствует

11 .Ои12 9. 0 (16)

Иэ условий (15) и (16) следует, что 12 =О, а 11= il/4, Чтс ОбЕСПЕЧИВаЕт Zabjj <© И Zabe О.

С учетом (11) получаем требование X =О, что при выполнении условий (1 5) и (1 6) является единственным решением уравнения (13). Этому решению соответствует отрицательный знак перед квадратным корнем в

40 выражении (14).

Таким образом окончательно имеем;

Х= - — (NL1 — — )—

1 1

22 . NC1

45 4Z2

Z 9ЗС1С2 C2Z C1Z (17) из уравнения (10) находим У

NL1+Z ° Х (18)

Отрицательным значением тригонометрических функций в выражениях (11) и (12)

55 СООтвЕтСтвуЮт наимЕньшиЕ длины 11 и 1г, лежащие в интервалах от Л/4 до Л/2.

С учетом этого получаем

jk/2 marctg Х при Х ) 0;

) ЛЛ (1 + — arctg X ) при X 0 (19) 1786552

10 Лб2 л агс1Я Y при Y ) 0; ЗА140А, в качестве переключательного- pin

11 = 2 2 (1+ — 1ä„Y) и Y 0 (20) диод 2А553. Ограничитель имел вносимые потери меньше 1 дБ в 5 полосе частот и и (18). гдеХи Уопределяются соотношениями(17) порог ограничения мощности не б 10 олее

5 мВт. Максимальнодостижимая развязка огВыбранные таким образом размеры от- раничителя равнялась 25 дБ, максимально резков шлейфа обеспечивают минимальный допустимая падающая импульсная мощпорог ограничения мощности и оптималь- ностьсоставила10 Вт. ные параметры ограничителя соответствен- В сравнении с прототипом йс известныно в режимах низкого и высокого уровня 10 ми из литературы лучшими отечественными мощностей, общая длина шлейфа равна = Л/4+l1+lz. (21) и зарубежными аналогами раз аб и ра отанны ограничитель имеет на порядок меньший

Пример конструктивного выполнения nopor ограничения мощности при сравнипредлагаемого устройства приведен на мыхостальных параметрах.

15 Таким образом, в предлагаемом огранифиг. 2.

Ограничитель содержит волновод 6, в чителеобеспечиваютсяснижениепорогаогE-плоскости которого размещена диэлек- раничения и уп рощение конструктивной трическая подложка 7 с областями 8 реализации, особенно существенное для усметаллизации образующими волноводно- тройств КВЧ-диапазона, безухудшениядрущелевую линию (ВЩЛ) 1 с плавными пере- 20 гих его параметров. ходами на волновод (на фиг. 2 граница областей металлизации на обратной сторо- СВЧ-ограничитель, содержа

-ограничитель, содержащий посленеподложки7 показаны пунктиром), Нали- довательно соединенные по йостоянному цевой стороне подложки 7, свободной от току и включенные параллельно в отрезок металлизации ВЩЛ, выполнена схема

ЩЛ, выполнена схема, со- 25 линии передачи детекторный и перекаючадержащая полосковый проводник 2, разо- тельный диоды, отличающийся тем, мкнутый на обоих концах и пересекающий что, с целью сйижения йороговой мощно область щели под прямым углом к ней. Де- сти ограничения и упрощения настройки, текторный 3 и переключательный 4 диоды детекторный и переключательный диоды включены последовательно в разрывах по- 30 включены в разрывы введенного коротколоскового проводника. Отрезки высокоом- эамкнутогошлейфа,причемначетвертьволных и низкоомных линий 9 и 10 длиной Х/4 новом расстоянии от точки подключейия служат для развязки цепей постоянного то- короткозамкнутого шлейфа к отрезку линЫ ка и СВЧ при настройке ограничителя на передачивнеговключендетекторныйдио низком уровне мощности. Эквивалентная 35 на расстоянии.l1 от него — переключательсхемаустройства приведена нафиг.3. ный диод, а длина L короткозамкнутого

Длина отрезка полоскового проводника шлейфа и расстояния I1 выбраны из условий

2 От НИЖНЕГО раЗОМКНутОГО КОНца дО цЕНтра I А/4 + I1 +Л/2Л агс19 Х при Х 0 О; щели выбирается равнойА/4, где 1 — длина =,; + + у / + 1 ц р Х МЯО волны в полосковой линии, при этом обес- 40

4+I1+ 2 (1+ — arctg Х) при Х йЯО печивается эквивалентное параллельное подключение полоскового шлейфа к ВЩЛ. ) 2 гагс19 Y npu Y > 0:

Длина отрезка полоскового проводника 2 от центра щели до точки включения детекторного диода равна Х/4, а длина шлейфа L и 45 где X= — — 1(co f1 — — 1 ") расСтояние между диодами 11 определяются

2Z вС из приведенных выше расчетов, I

Длина отрезка полоскового проводника от детекторного диода до верхнего разо- 0KA <щ мкнутого конца определяется путем увели- 50 чения расчетной длины lz на Х/4, так как в . у— полосковой схеме на конце шлейфа констNLi+ZX руктивно проще выполнить условия д я хо У вЂ” характеристическое сопротивлениЕ лостого хода, чем для короткого замыкания. короткоэамкнутого шлейфа;

Описанная конструкция ограничителя 55 длина о н была изготовлена в длинноволновой части в- рабочая частота;

КВЧ диапазона в канале волновода сечени- L1 — инДУктивность пеРеключательного ем 7,2 х 3,4 мм. В разработанном ограничителе а качестве детекторного диода С1и С2 — емкость переключательного и использовался диод с барьером Щоттки детектоРногодиодов, соответствейно.

1786552

Жребии

Составитель И. Лебедев

Техред M,Моргентал Корректор 3. Лончакова

Редактор

Заказ 251 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101