Одним из важнейших узлов систем радиолокации и связи является ограничитель мощности, защищающий чувствительный элемент на входе приемника от опасных перегрузок [11]. Разновидности возможной передаточной характеристики ограничителя показаны на рис. 4.22 . В диапазоне изменения входного сигнала до заданной величины Р 1 мощность на выходе не должна превышать опасного уровня P max . Помимо кривой 1, подобной характеристике стабилизатора, на практике используются также зависимости типа кривой 2 с максимумом и кривой 3, имеющей участок гистерезиса. В дополнение к основному названному условию, к ограничителю предъявляется также требование минимального значения начальных потерь при малой входной мощности, снижающих чувствительность приемника.
Pвх
Pвых
Lmin
Lmax
Pmax
P1
L = 0
Рис. 4.22. Варианты передаточной характеристики ограничителя мощности
Простейшая схема СВЧ ограничителя содержит диод, замкнутый накоротко по цепи постоянного тока (см. рис. 4.23). В отличие от переключательного pin-диода с протяженной областью базы, ограничительный диод должен иметь более тонкую активную область и обеспечивать генерацию выпрямленного тока при подаче СВЧ сигнала достаточно высокого уровня. Возникающий ток I0 , замыкающийся через индуктивный элемент, приводит к положительному смещению диода и снижению его импеданса. При этом возрастают потери, вносимые диодом в линию, и снижается выходная мощность ограничителя. Таким образом, диод должен совмещать функции детектора (выпрямителя) и управляющего элемента цепи.
I0
ОД
Pвых
L p
Pвх
Рис. 4.23. Однодиодная схема СВЧ ограничителя
В устройствах сравнительно невысокой мощности может использоваться диод с барьером Шоттки, успешно выполняющий роль быстродействующего детектора. Однако модуляция его импеданса током I0 оказывается недостаточно эффективной, т. к. инжекция носителей заряда в базовую область является незначительной. Допустимый уровень входной мощности невелик.
Более удачным соотношением параметров обладает pin-диод с достаточно тонкой базой, при которой происходит детектирование сигнала на рабочей частоте. Двойная инжекция носителей в базовую область обеспечивает эффективное снижение импеданса, высокое значение достигаемой развязки и незначительную долю входной мощности, рассеиваемую в диоде. Описанная схема «пассивного» ограничителя (не требующего дополнительного управляющего сигнала) проста и способна обеспечить защиту с развязкой до 20 дБ на низкочастотном краю СВЧ диапазона (до 10 ГГц). Данное устройство может иметь передаточную характеристику типа 1 или 2 (см. рис. 4.22).
При увеличении рабочей частоты необходимо снижать время пролета носителей заряда через активную область, определяемую толщиной i‑слоя. При этом возрастает удельная емкость структуры, а для сохранения низкого уровня вносимых потерь в режиме малого сигнала общая емкость диода должна быть снижена. Если значение w уменьшается обратно пропорционально частоте, то площадь сечения структуры требуется снижать обратно пропорционально квадрату частоты, что приводит к многократному снижению максимальной рабочей мощности pin-диода. Для диода Шоттки описанное противоречие проявляется еще сильнее. Оно может быть преодолено при усложнении схемы ограничителя с целью разделения функций детектирования и управления мощностью проходящего сигнала между разными диодами (см. рис. 4.24).
Небольшая часть проходящего по линии сигнала ответвляется в цепь быстродействующего детекторного диод с барьером Шоттки. Выпрямленный ток I 0 замыкается через достаточно мощный pin-диод и управляет вносимым им в линию ослаблением. Индуктивность Lр , и емкость Cр , служат для развязки цепей СВЧ и постоянного тока.
К недостаткам описанного «квазиактивного» ограничителя следует отнести значительные потери при низком уровне мощности и повышенную инерционность из-за более длительных процессов изменения импеданса pin-диода. Задержка срабатывания устройства на фронте приходящего мощного импульса приводит к появлению на выходе короткого всплеска, представляющего опасность для последующего защищаемого каскада. С целью ослабления такой опасности на выходе может быть добавлен дополнительный быстродействующий каскад на диоде Шоттки, построенный по схеме рис. 4.23. Имеются и другие более сложные варианты построения ограничителей мощности с использованием Si или GaAs диодов [11].
