Применение переключательных диодов

Простейшим примером использования диода с pin-структурой является выключатель, обеспечивающий прохождение СВЧ сигнала по линии или его отражение (при различных состояниях диода и значениях его импеданса). Для реализации такой функции диод, подобно любому ключу может быть включен последовательно в разрыв линии передачи. Однако в СВЧ цепях часто более предпочтительным является вариант шунтирующего включения диода в линию, не реализуемый обычно на низких частотах. Известно, что при коротком замыкании СВЧ линии максимальный ток через ключ превышает ток в режиме согласования только в 2 раза [2]. Рассмотрим такой пример подробнее. Для режима обратного смещения диода используем параллельную эквивалентную схему (см. рис. 4.12,а), в которой C_d , моделирует полную емкость прибора с учетом емкости корпуса. Данный случай характеризуется высоким импедансом диода, когда преобладает его реактивная проводимость, и соответствует режиму пропускания сигнала по линии с малыми потерями.

На рабочей частоте и в небольшой полосе около нее возможно достичь улучшения характеристик выключателя путем добавления элемента L_p , индуктивность которого удовлетворяет условию резонанса с конденсатором C_d . Однако при удалении от центральной частоты в любую сторону суммарный импеданс прибора снижается. Это приводит к увеличению потерь пропускания

,

(4.6)

как показано на рис. 4.13, кривая 1.

Режиму запирания сигнала соответствует рис. 4.12,б, где диод характеризуется малым последовательным сопротивлением r_пр и индуктивностью выводов L_s . С целью снижения импеданса на рабочей частоте в схему добавлен последовательный конденсатор С_s , емкость которого удовлетворяет условию резонанса с указанной индуктивностью. При этом выключатель характеризуется высокими потерями запирания L_з , которые рассчитываются по той же формуле при новом значении импеданса диода. Этому случаю соответствует кривая 2 на рис. 4.13. Нетрудно понять, что наличие в схеме высокоимпедансного элемента L_p практически не сказывается на условии резонанса в режиме запирания, где индуктивность L_s намного ниже. Аналогичное соображение может быть высказано и для влияния конденсатора С_s в режиме пропускания.

Заметим, что для широкополосных устройств компенсацию реактивных элементов с целью улучшения характеристик выключателя выполнить не удается. В этом случае следует использовать диоды с минимальными значениями собственной емкости и индуктивности выводов. Параметры такого выключателя при увеличении частоты ухудшаются а обоих режимах.

Рассмотрим схему с двумя pin-диодами, выполняющую функцию антенного переключателя. На рис. 4.14 а приведена блок-схема радиолокационного узла, обеспечивающего связь антенны попеременно с передатчиком или приемником. Его электрическая схема показана на рис. 4.14 , б , переключение диодов осуществляется с помощью управляющего сигнала УС. Изображенные на схеме индуктивные элементы и конденсаторы служат для развязки цепей СВЧ и управляющих сигналов.

При указанной на рисунке полярности управляющего сигнала диод V ₁ открыт, а V ₂ закрыт, что обеспечивает связь антенны с передатчиком. Переход в режим приема происходит при смене полярности сигнала.

К диодам переключателя предъявляются противоречивые требования высокой рабочей мощности и быстрого переключения в режим приема, чтобы минимизировать размер «слепой зоны» радиолокатора.

Другой важной областью применения переключательных диодов являются дискретные фазовращатели в радиосистемах с ФАР. Имеются несколько принципов построения названных устройств. Рассмотрим два наиболее простых и широко используемых варианта.

Первым является фазовращатель с переключением отрезков линии (см. рис. 4.15). Длина отрезка определяет фазовый сдвиг j_i , вносимый фазовращателем. В зависимости от полярности управляющего сигнала открываются верхние или нижние на схеме диоды, что обеспечивает требуемую разность фаз («дискрет» фазы y ) между двумя состояниями ячейки фазовращателя. Выражение для названного параметра имеет вид:

.

(4.7)

Недостатком рассмотренного устройства является большая площадь, занимаемая на подложке, особенно при высоких значениях требуемого фазового сдвига.

Второй принцип основан на повороте фазы проходящего по линии СВЧ сигнала в сечении, где включен реактивный элемент с управляемой проводимостью (см. рис. 4.16,а). При этом обычно используются 2 шлейфа с идентичными импедансами, что позволяет снизить отражаемый сигнал. Каждый шлейф вызывает сдвиг фазы проходящего сигнала на величину

.

(4.8)

Один из вариантов реализации управляемой реактивной проводимости показан на рис. 4.16 , б, цепи смещения диодов не показаны. Если при прямом смещении диода принять допущение , проводимость шлейфа будет равна .

Во втором состоянии (при обратном смещении диода) последовательно с индуктивностью включается емкость диода. При допущении проводимость шлейфа будет равна . Можно подобрать параметры элементов схемы так, чтобы B ₁= – B ₂, тогда дискрет фазы для рассматриваемой ячейки будет равен

.

(4.9)

Недостатком представленной схемы является зависимость характеристик от параметров диодов, которые не всегда достаточно стабильны. Более удобный и надежный вариант приведен на рис. 4.17. Здесь диод играет роль идеализированного ключа, импеданс которого при прямом смещении значительно ниже, а при обратном смещении – значительно выше, чем у других элементов схемы. На рисунке показаны также цепи подачи управляющего сигнала и необходимые для их развязки конденсаторы С _р с достаточно высокой емкостью, которые не влияют на СВЧ параметры схемы. Расстояние между шлейфами (обычно близкое к четверти длины волны) и характеристическое сопротивление линии на этом участке выбирается из условия минимального отраженного сигнала.

При том же условии B ₁= – B ₂ разность фаз между двумя состояниями ячейки не зависит от значении импеданса диодов и равна

.

(3.5)

Рассмотренные ячейки объединяются в общий многокаскадный фазовращатель, на выходе которого суммируются значения фазового сдвига каждого каскада, которые задаются в соответствии с двоичной системой. Пример 5-разрядного устройства представлен на рис. 4.18, для каждой ячейки указано значение дискрета фазы. В зависимости от комбинации независимых управляющих сигналов такой фазовращатель обеспечивает получение 32 значений фазового сдвига от 5,6° до 174,4° с шагом 5,6°. Добавление 6-го каскада с дискретом 180° расширит диапазон регулировки фазы до 360° с тем же шагом.

В многокаскадном фазовращателе могут использоваться ячейки различных типов. Существуют и другие принципы построения аналогичных устройств, которые широко применяются в приемопередающих модулях ФАР.

Реже используются аналоговые фазовращатели, обеспечивающие плавную регулировку фазы СВЧ сигнала. Активным элементом таких устройств может служить варикап, изменение емкости которого в зависимости от напряжения смещения приводит к повороту фазы проходящего сигнала в некотором диапазоне.

В рассмотренных примерах применения pin-диоды работают в ключевом режиме с двумя фиксированными состояниями. Помимо этого, показанная выше зависимость импеданса диода от тока прямого смещения может быть использована для плавной регулировки ослабления проходящего по линии сигнала. Как следует из соотношения (4.5) и рис. 4.7, сопротивление базовой области, определяющее импеданс диода, снижается обратно пропорционально току прямого смещения. На этом основана работа регулируемого аттенюатора, схема которого представлена на рис. 4.19.

	4R 3R 2R R R Pвх Pвых Cp
Рис. 4.19. Управляемый аттенюатор на pin-диодах

В отличие от выключателей, в данном устройстве отражение значительной мощности от входа нежелательно. Для минимизации отраженного сигнала управляющие токи каскадов аттенюатора находятся в соотношении, указанном на рисунке, что задает соответствующее соотношение между сопротивлениями диодов. Доля мощности, отраженной каждым каскадом, увеличивается постепенно при удалении от входа. Расстояние между диодами оптимизируется таким образом, чтобы отраженные сигналы в максимальной степени взаимно уничтожались. Ослабление проходящего сигнала достигается за счет его поглощения диодами, что необходимо учитывать при проектировании приборов. Постепенное уменьшение импеданса диодов по каскадам способствует более равномерному распределению мощности, поглощаемой диодами. При увеличении I ₀ сопротивления всех приборов пропорционально уменьшаются, что дает возможность регулировать выходную мощность в широких пределах. В представленном аттенюаторе обеспечивается регулировка ослабления от 2 до 80 дБ, его зависимость от тока I ₀ близка к линейной. При этом значение КСВН на входе не превышает 1,3.

Аттенюаторы на pin-диодах могут использоваться для создания амплитудных модуляторов или стабилизаторов СВЧ мощности в широких диапазонах частот и мощностей. Пример схемы стабилизатора мощности дан на рис. 4.20.

Сигнал с выхода устройства через направленный ответвитель подается на детектор. При превышении порога детектирования возникает ток I_d , поступающий на усилитель. Развязывающий конденсатор С _р служит для подавления СВЧ компоненты тока в цепи детектора. Усиленный ток I ₀ является управляющим для рассмотренного выше блока аттенюатора. Его рост приводит к повышению ослабления, вносимого аттенюатором, что противодействует исходному увеличению выходной мощности.

Вид передаточной характеристики стабилизатора мощности показан на рис. 4.21.

Начальное ослабление L _min при малом сигнале определяется аттенюатором и соответствует 2 дБ. Уровень стабилизации зависит от переходного ослабления направленного ответвителя, характеристик усилителя и аттенюатора. Изменение мощности на участке стабилизации должно быть минимальным. После достижения наибольшего ослабления аттенюатора, равного 80 дБ, этот участок заканчивается.