ОГРАНИЧИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СВЧ
LIMITER OF MICROWAVE POWER

Известны ограничители мощности СВЧ, применяемые для защиты малошумящих полупроводниковых усилителей приемников СВЧ от перегрузок при прохождении на вход мощности своего передатчика.
Различают управляемые и неуправляемые (пассивные) ограничители мощности. В качестве управляемого ограничителя широкое применение нашла ключевая схема, работающая на отражение и представляющая собой отрезок линии передачи, зашунтированный pin диодом [Гасанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. Москва: Радио и связь. 1988. С.140], который может быть включен и выключен управляющим напряжением в нужные моменты времени. Для получения необходимого уровня ограничения мощности применяется каскадное соединение через четвертьволновые отрезки линии. Достоинством управляемого ограничителя является хорошее быстродействие и малые прямые потери, а главным недостатком - отсутствие ограничения мощности при исчезновении управляющего напряжения (в случае аварийной ситуации).
Известен неуправляемый (пассивный) ограничитель мощности [Гасанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. Москва: Радио и связь 1988. С.143], состоящий из отрезка линии передачи, параллельно которому включены pin диоды и диод Шоттки, соединенные встречно-параллельно. Диод Шоттки благодаря малой инерционности и меньшей контактной разности потенциалов открывается раньше при малых уровнях входной мощности и своим током открывает pin диоды, повышая быстродействие ограничителя.
При больших уровнях мощности открытые pin диоды отражают основную часть входной мощности и частично ее рассеивают, а поскольку pin диоды располагаются перед диодом Шоттки, то мощность, дошедшая до диода Шоттки, оказывается значительно ослабленной и безопасной для него. Уровень ограничения проходящей мощности в таком ограничителе соответствует падению прямого напряжения на диоде Шоттки.
Недостатком этого ограничителя является наличие высокой рассеиваемой мощности на pin диодах вследствие их неполного открытия, обусловленного недостаточной величиной тока диода Шоттки из-за наличия отрицательной обратной связи, органически присущей данному ограничителю мощности (Для перевода pin диода в максимально открытый режим работы необходимо его питание постоянным током детекторного диода, полученного за счет детектирования входной мощности, оставшейся после отражения pin диодом, и, соответственно, если эта мощность мала, то мал и продетектированный ток для максимально открытого режима работы pin диода).
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного изобретения является неуправляемый (пассивный) ограничитель СВЧ-мощности [патент России №2097877, дата публикации 1997.11.27], содержащий отрезок линии передачи, один из концов которого является входом ограничителя, а другой его выходом, и шунтирующие эту линию детекторный и переключательный (pin) диоды, соединенные встречно-параллельно, отличающийся наличием со стороны входа ограничителя дополнительного детекторного диода с большой емкостью, включенного последовательно по СВЧ и замкнутого по постоянному току с pin диодом.
При входном СВЧ-сигнале, мощность которого превышает пороговое значение, pin диод открывается постоянным током детекторного диода, что в свою очередь приводит к резкому возрастанию СВЧ-мощности, детектируемой на дополнительном детекторном диоде, постоянный ток которого дополнительно снижает сопротивление pin диода, при этом увеличивается отражение сигнала и снижается мощность, рассеиваемая на pin диоде.
Недостатком этого ограничителя является наличие существенных прямых потерь при малом уровне входного сигнала, обусловленных потерями в дополнительном детекторном диоде, что в конечном итоге приводит к снижению чувствительности приемника, особенно в длинноволновом диапазоне СВЧ.
Технической задачей изобретения является снижение прямых потерь при необходимом уровне ограничения входной мощности в рабочем управляемом режиме ограничителя и необходимый уровень ограничения входной мощности СВЧ при обесточенной схеме (аварийная ситуация).
Поставленная задача достигается тем, что в ограничителе мощности СВЧ, содержащем отрезок линии передачи, параллельно которому включены pin диод и цепь детектирующего диода, соединенные встречно-параллельно, цепь детектирующего диода включена перед pin диодом на расстоянии L и содержит транзисторный ключ с ограничением тока, при этом расстояние L между pin диодом и детектирующим диодом определяется по формуле
,
где λ - длина волны в линии передачи;
0
Z - волновое сопротивление линии передачи;
0
I - ток ограничения транзисторного ключа;
I
P - максимальная входная мощность;
T
P - предельно допустимая мощность рассеяния транзисторного ключа.
Изобретение поясняется чертежом, где изображена электрическая принципиальная схема ограничителя мощности СВЧ.
Ограничитель мощности СВЧ содержит развязанный по постоянному току блокирующими конденсаторами 1 и 2 отрезок линии передачи, параллельно которому включены pin диод 3 и детектирующая цепь, состоящая из последовательного соединения детектирующего диода 4 и ключа на полевом транзисторе (ПТ) 5 с заземленным резистором смещения затвора 6 и дроссель ввода управляющего напряжения и тока 7.
Ограничитель мощности СВЧ работает следующим образом.
I,
T
В неуправляемом режиме (при обесточенной схеме либо в случае аварийной ситуации) напряжение на затворе ПТ 5 за счет резистора смещения 6 равно нулю, при этом ПТ 5 находится в режиме генератора тока так, что при напряжении на стоке выше напряжения насыщения ток ПТ 5 ограничен и равен его начальному току, а при напряжении на стоке ниже напряжения насыщения ПТ 5 имеет низкое омическое сопротивление. Таким образом детектирующий диод 4 включен через ПТ 5 встречно-параллельно pin диоду 3. Амплитуда напряжения входного сигнала, не превышающая контактной разности потенциалов детектирующего диода 4, проходит на выход ограничителя с минимальными потерями. При поступлении на вход ограничителя СВЧ-мощности, превышающей по амплитуде контактную разность потенциалов детектирующего диода 4, входная мощность частично детектируется, питая выпрямленным током pin диод 3, частично отражается (в основном от детектирующего диода 4), образуя стоячую волну с пучностью тока в точке подключения детектирующего диода 4 к линии передачи, при этом амплитуда выходного сигнала ограничена на уровне прямого падения напряжения на детектирующем диоде 4. Дальнейшее повышение входной мощности ведет к росту тока детектирующей цепи. Однако наличие ПТ 5 в цепи детектирующего диода 4 ограничивает выпрямленный ток на уровне начального тока ПТ 5, достаточного для максимально возможного открытия pin диода 3 и в тоже время безопасного для детектирующего диода 4. При этом ПТ 5, переходя в режим ограничения тока, увеличивает свое сопротивление переменному току СВЧ в детектирующей цепи, приводя к перераспределению отраженной мощности. При некоторой пороговой входной мощности, определяющейся током ограничения ПТ 5 и расстоянием L между pin диодом 3 и детектирующим диодом 4, пучность тока стоячей волны перемещается из точки подключения к линии детектирующего диода 4 в точку подключения pin диода 3. Отражение основной мощности обеспечивает максимально открытый режим работы pin диода 3. Увеличение расстояния L снижает пороговую входную мощность, однако, при этом увеличивает долю входной мощности, рассеиваемой на транзисторном ключе ПТ5. Поэтому расстояние L между pin диодом 3 и детектирующим диодом 4 рассчитывается исходя из максимальной входной мощности Р приходящей на вход ограничителя, и предельно допустимой мощности рассеяния Р на ключе (ПТ 5) и определяется по формуле
.
При этом расчетная величина L обеспечивает минимально возможную пороговую входную мощность исходя из заданных условий.
Для перевода ограничителя в управляемый режим на затвор ПТ 5 подается отрицательное запирающее напряжение. ПТ 5 переходит в закрытое состояние и отключает детектирующую цепь, устраняя ее шунтирующее влияние, при подаче управляющего напряжения положительной полярности, которое обеспечивает быстрое рассасывание накопленного заряда pin диода, обеспечивая тем самым прохождение входной мощности на выход с минимальными потерями. Переход ограничителя мощности в закрытое состояние осуществляется подачей управляющего тока через pin диод 3 в прямом направлении, при этом сопротивление pin диода резко уменьшается, приводя к возникновению в линии передачи сильной неоднородности, на которой входная избыточная мощность СВЧ испытывает отражение.
Реализация предложенной конструкции ограничителя мощности СВЧ (для максимальной входной мощности 80 Вт при скважности 2) позволила получить ограничение мощности на выходе не более 50 мВт, что обеспечивает необходимый уровень ограничения входной мощности СВЧ в управляемом режиме и при обесточенной схеме (аварийная ситуация). Причем рассеиваемая мощность на pin диоде не более 3.5 Вт в управляемом режиме и не более 4.5 Вт в неуправляемом (пассивном) режиме.
Прямые потери предложенного ограничителя мощности СВЧ в управляемом режиме при этом составили не более 0.1 дБ, что значительно меньше уровня прямых потерь прототипа.
Таким образом, заявляемое устройство при всех достоинствах, характерных для управляемого ограничителя, сохраняет свою работоспособность в обесточенном состоянии за счет использования энергии входной мощности для эффективного отражения избыточной мощности, повышая тем самым надежность РЭА.