Redirect= Автономные ограничители мощности СВЧ от НПП «Планета-Аргалл»

Автономные ограничители мощности СВЧ

№ 1’2020
PDF версия
В статье представлены результаты разработки предприятием ЗАО «НПП «Планета-Аргалл» двух типов автономных ограничителей мощности на основе диодов с барьером Шоттки:
  • с рабочим диапазоном до 20 ГГц и максимальной входной мощностью до 1,7 Вт;
  • с рабочим диапазоном до 8 ГГц и максимальной входной мощностью до 25 Вт.

    Введение

    В современных радиотехнических системах диапазона СВЧ для защиты входных каскадов приемных трактов активно используются разнообразные защитные устройства. Особенно широкое распространение получили полупроводниковые защитные устройства.

    На рис. 1 приведена основная классификация полупроводниковых защитных устройств различных типов, отличающихся по характеру требуемого для их работы электропитания и управления.

    Основная классификация полупроводниковых защитных устройств

    Рис. 1. Основная классификация полупроводниковых защитных устройств

    По способу управления работой полупроводниковые ЗУ принято делить на две большие группы: выключатели и ограничители.

    Выключатели (управляемые ЗУ) — устройства защиты, ограничивающие входную мощность под действием управляющих импульсов синхронизированных с передатчиком.

    Ограничители (неуправляемые ЗУ) — устройства защиты, вызывающие ограничение входной мощности из-за нелинейных свойств активных элементов.

    Различают два вида выключателей — прямые (нормально открытые) и инверсные (нормально закрытые), в зависимости от того, какой режим работы они обеспечивают при отсутствии управления.

    Ограничители в свою очередь принято разделять на автономные (не требующие внешнего электропитания) и неавтономные (с внешним постоянным напряжением).

     

    Основные параметры ограничителей мощности

    Независимо от типа ограничителя мощности, его работа всегда связана с периодическими переходами из одного состояния в другое соответственно уровню входной СВЧ-мощности.

    В режиме низкого уровня мощности (НУМ) ограничитель мощности пропускает слабый сигнал с минимальным ослаблением и искажением его формы. Причем входная СВЧ-мощность Рвх ниже некоторого порогового значения, а импеданс устройства близок к характеристическому сопротивлению линии передачи.

    В этом режиме выходная мощность Рвых линейно зависит от Рвх, и интерес представляет относительная величина проходящей мощности, характеризуемая величиной потерь пропускания αпр (дБ).

    Потери пропускания αпр — ослабление СВЧ-мощности, проходящей через ограничитель мощности, находящийся в состоянии пропускания. Применение устройств с большими потерями пропускания приводит к понижению чувствительности радиоприемной аппаратуры, поэтому на практике стремятся уменьшить их значение, обычно находящееся в пределах 0,4–1,3 дБ, а при задании требований по этому параметру применяют одностороннее ограничение сверху (не более). Полоса частот, в которой αпр не превышает заданного значения, называется полосой пропускания ∆fпр.

    В случае работы ограничителя мощности в режиме высокого уровня мощности (ВУМ) возможны два варианта. В первом случае Рвх значительно (в 3–10 раз) больше порогового значения мощности Рпор, во втором — Рвх = Рпор или превышает его несущественно.

    Пороговая мощность Рпор — значение Рвх, при превышении которого ограничитель мощности начинает переходить из состояния пропускания в состояние запирания. Значение Рпор является условной границей между режимами НУМ и ВУМ и определяется по увеличению потерь пропускания αпр на 1–3 дБ при плавном увеличении Рвх.

    Рассмотрим сначала первый вариант, приведенный на рис. 2.

    Огибающие

    Рис. 2. Огибающие:
    а) входного
    б, в) выходного импульсов;
    г) зависимость потерь от времени

    В случае прихода импульса ВУМ (рис. 2а), уровень которого существенно превышает пороговую мощность, ограничитель мощности переходит в состояние запирания, то есть вызывает сильное ослабление входного импульса. Время перехода из состояния пропускания в состояние запирания (время установления tуст) обычно не больше длительности фронта импульса ВУМ τфр. Этому времени соответствует, как правило, резко выраженный пик 1 на огибающей выходного импульса (рис. 2б). Во многих ограничителях мощности переходные процессы заканчиваются к моменту окончания фронта. Однако в некоторых типах ограничителей при определенных значениях входной мощности после достижения состояния запирания всеми нелинейными элементами устройства выходной элемент в силу малости доходящей до него мощности возвращается на протяжении импульса в состояние пропускания. В этом случае наблюдается огибающая выходного импульса, как на рис. 2в, и выраженная плоская части 2 имеется лишь при достаточно большой длительности импульса.

    На рис. 2г показано, как изменяется во времени величина потерь α, для ограничителей с различной формой огибающей выходного сигнала (рис. 2б, в). После возрастания на фронте импульса устанавливается постоянная величина потерь, соответствующая состоянию запирания. В конце импульса, на его спаде (длительность τсп), начинается период восстановления 3, в процессе которого восстанавливается состояние пропускания ограничителя.

    Рассмотренные процессы происходят при выполнении условия Рвх >> Рпор. При уровнях Рвх, близких к Рпор, возможны различные последовательности изменения выходного (просачивающегося) импульса при увеличении Рвх, как показано на рис. 3.

    Огибающая входного и выходного импульсов при увеличении Рвх для инерционного ЗУ

    Рис. 3. Огибающая входного и выходного импульсов при увеличении Рвх для инерционного ЗУ

    В случае при Рвх < Рпор все элементы ограничителя мощности являются линейными, и прямоугольный импульс проходит через устройство без изменения формы, лишь уменьшаясь по амплитуде на величину потерь пропускания.

    При большей Рвх пропорционально выше и Рвых (уровни Рвх 1 и 2 на рис. 3). При дальнейшем увеличении Рвх линейность наиболее чувствительного к мощности элемента (как правило, в выходном каскаде ограничителя) окажется нарушенной. Следовательно, возрастают доли отраженной от ограничителя и поглощенной им мощности, и уменьшается доля просачивающейся мощности. Для подобного типа устройств максимальная просачивающаяся мощность соответствует некоторому значению Рвх, при котором начинает нарушаться линейность ЗУ. У отдельных типов ограничителей мощности (характерно для ограничителей мощности на pin-диодах) нарушение линейности начинается спустя некоторое время после начала импульса высокого уровня мощности. Чем больше Рвх, тем ближе к фронту импульса начинается уменьшение амплитуды импульса при прохождении его через ЗУ (уровни Рвх 3–5 на рис. 3). При достаточно большом значении Рвх ее дальнейшее увеличение перестает влиять на форму огибающей просачивающегося импульса (рис. 3 уровни Рвх 5–6), то есть достигается условие Рвх >> Рпор.

    У безынерционных ограничителей мощности нарушение линейности происходит с самого начала импульса. При этом изменяется не форма огибающей просачивающегося импульса, а лишь его амплитуда, как показано на рис. 4.

    Огибающая входного и выходного импульсов при увеличении Рвх для безынерционного ЗУ

    Рис. 4. Огибающая входного и выходного импульсов при увеличении Рвх для безынерционного ЗУ

    Полупроводниковые безынерционные ограничители мощности строятся, как правило, на основе диодов Шоттки, что обусловлено отсутствием в них тока открытия, характерного для pin-диодов, а также времени восстановления, вызванного токопереносом, связанным с неосновными носителями заряда.

     

    Разработка новых изделий

    При разработке новых изделий за основу был взят опыт создания и серийного производства кристалла модуля М54405–2 — автономного ограничителя мощности на основе диодов с барьером Шоттки с диапазоном рабочих частот (полосой пропускания) до 12,5 ГГц.

    На рис. 5 показан внешний вид кристалла модуля М54405–2, основные характеристики модулей М54405 приведены в таблице 1 и на рис. 6–8.

    Внешний вид кристалла модуля М54405-2

    Рис. 5. Внешний вид кристалла модуля М54405-2

    Зависимость прямых потерь от частоты для кристалла модуля М54405-2

    Рис. 6. Зависимость прямых потерь от частоты для кристалла модуля М54405-2

    Зависимость КСВН частоты для кристалла модуля М54405-2

    Рис. 7. Зависимость КСВН частоты для кристалла модуля М54405-2

    Зависимость Рвых от Рвх для модуля М54405

    Рис. 8. Зависимость Рвых от Рвх для модуля М54405

    Таблица 1. Основные характеристики модулей М54405

    Обозначение модуля

    М54405-1

    М54405-2

    М54405-3

    Диапазон рабочих частот, ГГц

    0,1–6,0

    0,1–12,5

    0,1–12,5

    Прямые потери, дБ

    < 0,7

    < 1,0

    < 1,5

    Максимальная входная непрерывная мощность, Вт

    не менее 1,7

    Просачивающаяся мощность, мВт

    не более 20

    При разработке новых изделий ставилось две основные цели:

    • расширение рабочего диапазона частот до 20 ГГц при сохранении имеющихся мощностных характеристик (уровня максимально допустимой входной и просачивающейся мощности);
    • увеличение максимально допустимой входной мощности до 25 Вт в диапазоне частот до 8 ГГц при сохранении уровня просачивающейся мощности.

    Эквивалентная высокочастотная малосигнальная схема диода Шоттки приведена на рис. 9а. Для согласования емкостной составляющей в рабочем диапазоне частот используется классическая схема фильтра низкой частоты (ФНЧ), как показано на рис. 9б.

    Эквивалентные малосигнальные ВЧ-схемы

    Рис. 9. Эквивалентные малосигнальные ВЧ-схемы:
    а) диода Шоттки,
    б) ФНЧ

    Сопротивление диода R должно быть минимизировано, поскольку оно существенным образом влияет на ограничительные свойства устройства при высоком уровне входной мощности.

    Поскольку каждый из диодов Шоттки работает только с той полуволной СВЧ-сигнала, которая открывает диод в прямом направлении, в составе ограничителя мощности диоды включаются встречно-параллельно.

    Таким образом, при высоком уровне входной СВЧ-мощности диоды Шоттки открываются в прямом направлении и шунтируют часть падающей на них мощности на землю. Часть мощности просачивается сквозь защитное устройство, а часть отражается обратно к источнику. Исходя из закона сохранения, можно записать:

    Рвх = Рпогл + Ротр + Рпр,

    где Рвх — входная СВЧ-мощность; Рпогл — поглощенная СВЧ-мощность; Ротр — отраженная СВЧ-мощность; Рпр — просачивающаяся СВЧ-мощность.

    Поглощенная мощность приводит к разогреву структуры диода. Поэтому диодная структура должна быть оптимизирована для работы с высокими уровнями мощности и большими токами. Для расчета рабочих токов, протекающих через диодную структуру, входной импеданс устройства можно считать согласованным с волновым сопротивлением линии передачи, по которой распространяется СВЧ-мощность. В этом случае сопротивление источника сигнала Rg равно сопротивлению нагрузки RL и мощность Pa, доставленная к диодам, будет составлять:

    Формула

    где Vg — среднеквадратичное напряжение источника сигнала (генератора) с сопротивлением Rg.

    Волновое сопротивление линии передачи СВЧ-мощности обычно составляет 50 Ом. В этом случае Rg = 50 Ом, и, если Id — среднеквадратичное значение тока проходящего через диоды, имеем:

    Формула

    Таким образом,

    Формула

    Пиковый ток Ip, проходящий через диоды, при этих условиях будет:

    Формула

    Величина отраженной мощности определяется КСВ устройства. При измерении КСВН можно записать:

    Ротр = Рвх[(КСВН – 1)/(КСВН + 1)]2.

    В режиме низкого уровня входной мощности КСВН обычно мало и величина Ротр незначительна. В случае высокого уровня входной мощности на входе устройства КСВН увеличивается и отраженная мощность растет.

     

    Результаты разработки

    С целью расширения рабочего частотного диапазона до 20 ГГц при сохранении максимально допустимой входной СВЧ-мощности на уровне 1,7 Вт эквивалентная схема кристалла ограничителя мощности М54405 была преобразована из схемы ФНЧ 5‑го порядка в схему ФНЧ 7‑го порядка.

    Таким образом, ограничитель мощности из двухкаскадного был преобразован в трехкаскадный, чей внешний вид показан на рис. 10. Также были уменьшены паразитные составляющие за счет более компактного размещения диодных блоков на основе ДБШ.

    Внешний вид кристалла СФЕК.244

    Рис. 10. Внешний вид кристалла СФЕК.244

    Для повышения максимально допустимой входной СВЧ-мощности до 25 Вт количество параллельных диодов в первом каскаде было увеличено до 64 ДБШ, что позволило увеличить проходящий через них пиковый ток до 2 А. Для сохранения эквивалентной емкости Сj0 первого каскада эквивалентной схемы ФНЧ, использовано последовательное включение восьми диодных каскадов. Сама эквивалентная схема преобразована из схемы ФНЧ 5‑го порядка в схему ФНЧ 7‑го порядка, таким образом, ограничитель мощности из двухкаскадного также был преобразован в трехкаскадный, внешний вид которого показан на рис. 11.

    Внешний вид кристалла СФЕК.245

    Рис. 11. Внешний вид кристалла СФЕК.245

    Были разработаны новые типы автономных ограничителей мощности, основные характеристики которых приведены в таблице 2.

    Таблица 2. Основные характеристики новых типов автономных ограничителей мощности

    Обозначение кристалла

    СФЕК.244

    СФЕК.245

    Диапазон рабочих частот, ГГц

    1,0–20,0

    1,0–8,0

    Прямые потери, дБ

    < 1,0

    < 1,0

    Максимальная входная
    непрерывная мощность, Вт

    не менее 1,7

    не менее 25

    Просачивающаяся мощность, мВт

    не более 20

    не более 20

    Размеры, мм

    2,4×0,9×0,1

    2,4×2,0×0,1

    На рис. 12, 13 приведены зависимости прямых потерь и КСВН от частоты в диапазоне до 20 ГГц, измеренные для кристаллов СФЕК.244.

    Зависимость прямых потерь от частоты для кристалла СФЕК.244

    Рис. 12. Зависимость прямых потерь от частоты для кристалла СФЕК.244

    Зависимость КСВН от частоты для кристалла СФЕК.244

    Рис. 13. Зависимость КСВН от частоты для кристалла СФЕК.244

    На рис. 14, 15 приведены зависимости прямых потерь и КСВН от частоты в диапазоне до 9 ГГц, измеренные для кристаллов СФЕК.245.

    Зависимость прямых потерь от частоты для кристалла СФЕК.245

    Рис. 14. Зависимость прямых потерь от частоты для кристалла СФЕК.245

    Зависимость КСВН от частоты для кристалла СФЕК.245

    Рис. 15. Зависимость КСВН от частоты для кристалла СФЕК.245

    Зависимость выходной мощности от уровня входной мощности (ограничительная характеристика) для кристаллов СФЕК.244 приведена на рис. 16, для кристаллов СФЕК.245 — на рис. 17. Измерения выполнены на частоте 6 ГГц.

    Зависимость Рвых от Рвх для кристалла СФЕК.244

    Рис. 16. Зависимость Рвых от Рвх для кристалла СФЕК.244

    Зависимость Рвых от Рвх для кристалла СФЕК.245

    Рис. 17. Зависимость Рвых от Рвх для кристалла СФЕК.245

    Литература
    1. Ропий А. И., Старик А. М., Шутов К. К. Сверхвысокочастотные защитные устройства. М.: Радио и связь, 1993.
    2. Inder J. Bahl 10W CW Broadband Balanced Limiter/LNA Fabricated Using MSAG MESFET Process. MaCom, 2001.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *