Автономные ограничители мощности СВЧ

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.

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 Р_вх ниже некоторого порогового значения, а импеданс устройства близок к характеристическому сопротивлению линии передачи.

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

Потери пропускания α_пр — 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 α_пр не превышает заданного значения, называется полосой пропускания ∆f_пр.

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

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

Рассмотрим сначала первый вариант, приведенный на рис. 2.

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 τ_сп), начинается период восстановления 3, в процессе которого восстанавливается состояние пропускания ограничителя.

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

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

В случае при Р_вх < Р_пор 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 Р_вх пропорционально выше и Р_вых (уровни Р_вх 1 и 2 на рис. 3). При дальнейшем увеличении Р_вх 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 Р_вх, 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 Р_вх, тем ближе к фронту импульса начинается уменьшение амплитуды импульса при прохождении его через ЗУ (уровни Р_вх 3–5 на рис. 3). При достаточно большом значении Р_вх ее дальнейшее увеличение перестает влиять на форму огибающей просачивающегося импульса (рис. 3 уровни Р_вх 5–6), то есть достигается условие Р_вх >> Р_пор.

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.

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.

Рис. 5. Внешний вид кристалла модуля М54405-2

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

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

Рис. 8. Зависимость Рвых от Рвх для модуля М54405

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.

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:

Р_вх = Р_погл + Р_отр + Р_пр,

где Р_вх — входная СВЧ-мощность; Р_погл — поглощенная СВЧ-мощность; Р_отр — отраженная СВЧ-мощность; Р_пр — 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:

где V_g — среднеквадратичное напряжение источника сигнала (генератора) с сопротивлением R_g.

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

Таким образом,

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

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

Р_отр = Р_вх[(КСВН – 1)/(КСВН + 1)]2.

В режиме низкого уровня входной мощности КСВН обычно мало и величина Р_отр 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.

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 С_j0 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.

Рис. 11. Внешний вид кристалла СФЕК.245

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

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

Рис. 12. Зависимость прямых потерь 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.

Рис. 14. Зависимость прямых потерь 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.

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

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