Устройство и принцип действия плавного аттенютора и импульсного коммутатора на p-i-n-диодах. Основные характеристики аттенютора и импульсного коммутатора, страница 3

1.5. Управляющие устройства на p-i-n-диодах.

В самом простом случае управляющий диод модет включаться в некоторой поперечной плоскости передающей линии в качестве  элемента шунтирующего конечную нагрузку. (рис. 7, а). Диод модет включаться также в линию передачи в виде последовательного элемента (рис. 7, б). Очевидно, что схема последовательного и параллельного включения характеризуются противоположными режимами управления СВЧ-сигналами.

В схеме параллельного включения при малом сопротивлении диода имееет место режим запирания, при котором большая часть мощности отражается к источнику. При малом сопротивлении диода в последовательной схеме большая часть мощности поступает в оконечную нагрузку. При большом сопротивлении диода имеют место обратные соотношения.

Коэффициент передачи А₁, ослабления L₁ и отражения Г₁ для схемы параллельного включения можно представить в виде

А₁ = 1 + Y/2 Y₀;                                               (1)

L₁ = 20 tg (1/A₁)      дБ;                                 (2)

Г₁ = -Y/(2 Y₀ + Y),                                            (3)

где Y – проводимость диода, Y₀ – проводимость линии передачи.

Коэффициент передачи А₂, ослабления L₂ и отражения Г₂ для схемы последовательного включения диода

А₂ = 1 + Z/2 Z₀;                                               (4)

L₂ = 20 tg (1/A₂)      дБ;                                 (5)

Г₂ = Z/(2 Z₀ + Z),                                             (6)

где Z – сопротивление диода, Z₀ – сопротивление линии передачи.

Управляющие элементы с p-i-n-диодами стремятся конструировать таким образом, чтобы свести к минимуму реактивные составляющие сопротивления диодов. Полагая сопротивления диодов чисто активными, легко получить соотношение, связывающее А₁ и А₂:

L (А₁ – 1)(A₂-1) = 1

Зависимость ослабления и КСВ диода, вычисленные в предположении, что сопротивление диодов чисто активные, приведены на рис. 8.

Из рисунка видно, что КСВ становится недопустимо большим уже при ослаблении 1...2 дБ, т.е. одиночный диод нельзя использовать в качестве регулируемого аттенютора.

Резкого улучшения КСВ в широком диапазоне изменения ослабления можно добиться, если включать в линию передачи несколько диодов, отстоящих друг от друга на расстоянии λ_β/4 (рис. 9) и питать эти диоды разными токами, с тем чтобы сопротивления диодов отличались друг от друга. Можно использовать и одиночный диод, но между ним и генератором необходимо установить развязывающий вентиль, обеспечивающий поглощение энергии волн, отраженных от диода.

Среди управляющих устройств весьма значительное место занимают устройства типа выключателей, характеризующихся двумя рабочими состояниями «включено – выключено». Коэффициенты передачи выключателя в этих режимах, называемые «потерями пропускания и запирания», являются выжными показателями качества работы выключателей и обозначаются соответственно А_п, А_з.

Полагая импеданс схемы включения диода в обоих режимах чисто активным, на основании формул (1) или (4) получим соотношение

Параметр k – качество – является важной характеристикой коммутирующего диода. Величина k зависит от величин максимального и минимального сопротивления диодов и не зависит от волнового сопротивления линии. Величина k изменяется с изменением рабочей частоты. Различные p-i-n-диоды на сантиметровых и длинных миллиметровых волнах имеют k = 150...1000.

Принцип работы резонансного выключателя заключается во внесении в линию передачи большого отражения за счет минимизации импеданса (см. рис. 2, б), шунтирующего линию передачи при подаче на диод положительного смещения. Чтобы скомпенсировать на рабочей частоте f₀ импеданс последовательной индуктивности L_s, необходимо добавить последовательную емкость C_s (рис. 10, а).

Для получения минимальных потерь на рабочей частоте f₀ необходимо включить параллельно с диодом индуктивность L_p резонирующую с общей емкостью структуры C_общ = C_p + C_f (см. рис. 2, а). При этом эквивалентная схема параллельно включенного диода в состоянии пропускания (обратное смещение) изображена на рис. 10, б. Существует несколько вариантов включения p-i-n-диодов в волноводные и полосковые линии передач с использованием резонансных диафрагм. Наиболее простой является конструкция волноводного щелевого модуля (рис. 11, а). В щелевом модуле используется n-i-p-i-n-структура (рис. 11, б). Наличие диодов эквивалентно включению в центре щели некоей емкости. Поэтому для настройки в резонанс щель необходимо укоротить (тем самым вносится L_p). Это укорочение составляет примерно 25% от резонансной длины щели без диодов на рабочей частоте f₀. Последовательная емкость C_s получается благодаря уменьшению высоты щели до размера, равного суммарной высоте двух p-i-n-диодов, образующих n-i-p-i-n-структуру.