Принцип действия ограничительного диода

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.

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.

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 L_р , и емкость C_р , 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].

5. Туннельные и обращенные диоды