свч-ограничитель

Формула изобретения

СВЧ-ОГРАНИЧИТЕЛЬ, содержащий прямоугольный волновод, диэлектрическую подложку, которая расположена поперек волновода и на которой размещена матрица полупроводниковых диодов с барьером Шоттки с четным числом столбцов, одни концы которых соединены с одной широкой стенкой волновода, компенсирующий индуктивный элемент, включенный между широкими стенками волновода, и конденсатор, отличающийся тем, что полупроводниковые диоды в столбцах включены последовательно, в четных в одном направлении, в нечетных в противоположном, а конденсатор включен между другими концами столбцов и другой широкой стенкой волновода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиоэлектронике и может использоваться в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн в качестве самоуправляемого ограничителя СВЧ-колебаний.

Известен управляемый внешним напряжением СВЧ-ограничитель, выполненный в виде волноводно-стержневой резонансной решетки, в которой пара металлических стержней размещена в поперечной плоскости прямоугольного волновода параллельно его широким стенкам, полупроводниковые диоды включены между концами стержней и узкими стенками волновода, а индуктивные штыри включены между серединами указанных стержней и внутренними электродами проходных, размещенных в широких стенках волновода конденсаторов [1]

Такое устройство при использовании в нем быстродействующих (малоемкостных) диодов с барьером Шоттки, у которых напряжение пробоя составляет порядка 10 В, имеет малый допустимый уровень СВЧ-сигналов на его входе.

Известен управляемый внешним напряжением СВЧ-ограничитель, выполненный в виде многоэлементной волноводно-стержневой резонансной решетки [2]

При использовании в нем быстродействующих диодов с барьером Шоттки он имеет тот же недостаток, что и СВЧ-ограничитель [1]

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является управляемый внешним напряжением СВЧ-ограничитель, содержащий отрезок прямоугольного волновода, диэлектрическую подложку, которая расположена поперек волновода и на которой размещена матрица, образованная n x m полупроводниковыми диодами, где n число рядов диодов, расположенных параллельно широким стенкам волновода; m число столбцов диодов, расположенных параллельно узким стенкам волновода, при этом концы столбцов диодов соединены с ближайшими широкими стенками волновода гальванически, диоды в каждом ряду соединены согласно-параллельно, а соседние диоды в каждом столбце встречно, компенсирующий индуктивный элемент, выполненный в виде диафрагмы, одна часть которой соединена с отрезком волновода гальванически, и разделительный конденсатор, включенный между другой частью диафрагмы и волноводом [3] При закорачивании цепи управления такое устройство может выполнять функции самоуправляемого СВЧ-ограничителя.

Недостатком устройства-прототипа при использовании в нем быстродействующих диодов с барьером Шоттки (имеющих малое напряжение пробоя) является низкая надежность к СВЧ-перегрузкам (малый допустимый уровень сигналов на его входе).

Целью изобретения является увеличение надежности СВЧ-ограничителя к перегрузкам.

Цель достигается тем, что в СВЧ-ограничителе, содержащем прямоугольный волновод, диэлектрическую подложку, которая расположена поперек волновода и на которой размещена матрица полупроводниковых диодов с барьером Шоттки с четным числом столбцов, одни концы которых соединены с одной широкой стенкой волновода, компенсирующей индуктивный элемент, включенный между широкими стенками волновода, и конденсатор, полупроводниковые диоды в столбцах включены последовательно, в четных в одном направлении, в нечетных в противоположном, а конденсатор включен между другими концами столбцов и другой широкой стенкой волновода.

На чертеже схематично изображен СВЧ-ограничитель.

Он содержит отрезок прямоугольного волновода (не показан), индуктивную диафрагму 1, в отверстии которой на диэлектрической подложке 2 размещена матрица 3 полупроводниковых диодов, образованная n x m быстродействующими диодами с барьером Шоттки, где n 4 число рядов диодов, расположенных параллельно широким стенкам 4 и 5 волновода (число n может быть четным и нечетным); m 6 четное число столбцов диодов, расположенных параллельно узким стенкам волновода, при этом верхние (по чертежу) концы столбцов диодов соединены с верхней широкой стенкой 4 волновода гальванически, и компенсирующий индуктивность диодной матрицы 3 конденсатор, образованный нижней широкой стенкой 5 волновода, электродом 6, с которым соединены нижние концы столбцов диодов, и слоем диэлектрика между нижней широкой стенкой 5 волновода и электродом 6 (возможен вариант СВЧ-ограничителя, в котором отсутствует соединение диодов в рядах).

СВЧ-ограничитель работает следующим образом.

При малом уровне СВЧ-сигнала все диоды имеют емкостное сопротивление (напряжение на диодах в этом случае не достигает напряжения открывания), и система, образованная диодной матрицей 3 и компенсирующим конденсатором, также имеет емкостное сопротивление. Совместно с индуктивной диафрагмой 1 она образует параллельный колебательный контур, шунтирующий волновод. Ширина перегородок, образующих индуктивную диафрагму 1, рассчитывается или определяется экспериментально из условия совмещения резонансной частоты параллельного колебательного контура со средней рабочей частотой СВЧ-ограничителя.

При большом уровне СВЧ-сигнала в один полупериод открываются диоды в нечетных столбцах, в другой полупериод в четных. Диодная матрица 3 в этом случае имеет комплексное сопротивление (индуктивное плюс активное). Совместно с емкостью компенсирующего конденсатора она образует последовательный колебательный контур, шунтирующий волновод. Ширина зазора между широкой стенкой 5 волновода и электродом 6 рассчитывается или подбирается экспериментально из условия совмещения резонансной частоты последовательного колебательного контура со средней рабочей частотой устройства. Использование параллельного и последовательного резонансов соответственно при малом и большом уровнях СВЧ сигнала обеспечивает получение малого значения ослабления слабых сигналов и большого ослабления сильных.

Увеличение надежности заявляемого ограничителя к СВЧ-перегрузкам по отношению к устройству-прототипу обусловлено тем, что ограничение сигнала в нем происходит на двух прямых ветвях вольт-амперных характеристик (ВАХ) диодов, а в устройстве-прототипе на двух обратных (сравниваются устройства, выполненные на "безынерционных" диодах, имеющих малые напряжения пробоя). При работе на прямых ветвях ВАХ, являющихся более "прочными", чем обратные (максимально допустимый ток через полупроводниковые диоды при отрицательном напряжении на них всегда на несколько порядков меньше, чем максимально допустимый ток через полупроводниковые диоды при положительном напряжении), сопротивление диодов для сильного сигнала получается меньше, чем при работе на обратных ветвях. При этом оказывается большей величина шунтирующей волновод проводимости. Большей оказывается и величина мощности, отраженной от ограничителя, и меньшей величина мощности, прошедшей через него. Четное число столбцов с противоположно ориентированными диодами позволяет равномерно распределить рассеиваемую мощность между всеми диодами, что также увеличивает надежность устройства к СВЧ-перегрузкам. Заявляемое включение диодов увеличивает быстродействие ограничителя, так как в этом случае не требуется дросселей или эквивалентных им цепей, по которым бы протекала постоянная составляющая выпрямленного тока (т. е. не требуется цепей, уменьшающих быстродействие ограничителя). Увеличению быстродействия ограничителя способствует и уменьшение значения индуктивности и добротности шунтирующей цепи для сильного сигнала. Введение компенсирующего индуктивность диодной матрицы конденсатора уменьшает в полосе рабочих частот ограничителя при большом уровне поступающего на его вход сигнала реактивную составляющую шунтирующей проводимости, что также уменьшает рассеиваемую в диодах мощность и мощность, проходящую через ограничитель.

Эксперимент показал, что при шести столбцах диодов, шунтирующих волновод сечением 72 х 34 мм² и размещенных на расстояниях 4 мм друг от друга (с шагом 5 мм), индуктивность шунтирующей цепи при открытых диодах в первом, втором и третьем столбцах составляла на частоте 3 ГГц 5,46 нГ, а при открытых диодах в первом, третьем и пятом столбцах 2,84 нГ. Индуктивность шунтирующей цепи для заявляемого случая почти в два раза меньше, чем при включении столбцов двумя, рядом расположенными группами, в первой из которых диоды одноименными электродами ориентированы в одном направлении, а во второй в противоположном.

В СВЧ-ограничителе могут использоваться полупроводниковые диоды с балочными выводами, размещенные на диэлектрической подложке, или диоды, формируемые в полупроводниковом эпитаксиальном слое, выращенном на полуизолирующей подложке (например, на арсенидо-галлиевых структурах n

n_i n⁺ n-типа).

Был изготовлен макет ограничителя на основе волновода сечением 72 х 8 мм². С волноводом нормального сечения 72 х 34 мм² он соединялся при помощи двух ступенчатых трансформаторов. В ограничителе использовалось два ряда диодов по шесть диодов в каждом ряду. Соседние диоды в каждом ряду соединялись встречно-параллельно, соседние диоды между рядами согласно. Индуктивная диафрагма, контактные полоски и диоды размещались на диэлектрической пластине, имеющей _р 7,2 (ФЛАН-7), толщиной 1 мм. Одна крайняя контактная полоска соединялась с широкой стенкой волновода гальванически, другая отделялась от второй широкой стенки волновода емкостным зазором. В ограничителе использовались бескорпусные арсенидо-галлиевые диоды с барьером Шоттки, имевшие r_пр 4 6 Ом, С_д 0,2 0,4 пФ (при нулевом смещении) и U_пр 10 В. В относительной полосе рабочих частот 20% при средней рабочей частоте 3 ГГц ослабление слабых непрерывного и импульсного сигналов составляло менее 1 дБ, ослабление импульсного сигнала мощностью 30 Вт (при длительности импульса 15 нс и скважности 1000) превышало 21 дБ. Ограничитель при такой мощности сигнала из строя не выходил. Устройство-прототип, содержащее 12 таких же диодов, вышло из строя при падающей импульсной мощности около 5 Вт.

Технический эффект от применения предлагаемого устройства по сравнению с устройством-прототипом при использовании в обоих устройствах быстродействующих диодов с барьером Шоттки состоит в увеличении надежности как самого устройства, так и систем, в которых подобные устройства используются, а также в снижении уровня импульсных помех на его выходе и увеличении его быстродействия (за счет уменьшения индуктивности диодной матрицы).