ОГРАНИЧИТЕЛЬ СВЧ МОЩНОСТИ
MICROWAVE POWER LIMITER

Изобретение относится к СВЧ интегральным схемам с pin-диодами и предназначено для использования в качестве защитных схем в устройствах, содержащих малошумящие усилители.
Широко известны интегральные схемы СВЧ-устройств, содержащие pin-диоды из арсенида галлия или гетероструктур на его основе [1]. Известна монолитная интегральная схема ограничителя СВЧ мощности TGL2201, разработанная фирмой TriQuint Semiconductor [2]. Известный аналог выполнен на полуизолирующей подложке из арсенида галлия и содержит два pin-диода на входе интегральной схемы и два pin-диода на выходе схемы. Входные и выходные пары диодов соединены отрезком микрополосковой линии. Входная пара диодов включена встречно-параллельно между микрополоском и «землей», таким же образом включена и пара выходных диодов. Недостатком известной интегральной схемы является то, что уровень просачивающейся мощности ограничителя, обусловленный видом прямой ветви вольт-амперной характеристики p-i-n-диода, является неприемлемо высоким для многих схем малошумящих усилителей.
Прототипом предлагаемого изобретения является монолитная интегральная схема ограничителя, рассмотренная в работе [3]. Она выполнена на полуизолирующей подложке из арсенида галлия и содержит две группы pin-диодов на входе и на выходе интегральной схемы. Входная группа, состоящая из пары pin-диодов, включенных встречно-параллельно между микрополоском и «землей», соединена отрезком микрополосковой линии с группой выходных диодов. Пара выходных диодов также включена встречно-параллельно между микрополоском и землей. Недостатком известной интегральной схемы является то, что минимальный уровень просачивающейся мощности ограничителя, зависящий от вида вольт-амперной характеристики диода, составляет величины, примерно равные 40-50 мВт, и является неприемлемо высоким для многих схем малошумящих усилителей.
Технический результат, на который направлено предлагаемое изобретение, состоит в устранении указанного недостатка.
Этот результат достигается тем, что в интегральной схеме ограничителя, содержащей несколько групп pin-диодов, соединенных через отрезки микрополосковых линий, изменена схема включения pin-диодов. А именно, группы входных и выходных диодов через фильтры питания подключены, по крайней мере, к одному источнику постоянного напряжения, смещающего отдельные диоды или все группы диодов в прямом направлении. Напряжение источника питания выбирают таким образом, чтобы на каждом из диодов, в отсутствие СВЧ-сигнала, падало не более 80% от напряжения включения диода. Для арсенид галлиевых диодов это напряжение соответстствует 0,8 В. При этом эквивалентные емкости диодов возрастут на величины, не превышающие 15% от емкости диодов при нулевом смещении, а сопротивления диодов в рабочей точке будут не ниже 0.1 МОм и pin-диоды на малом сигнале могут быть представлены эквивалентными емкостями. Ограничение входного сигнала в устройстве начнется при меньшей амплитуде входного СВЧ сигнала за счет того, что диоды смещены в прямом направлении.
На фиг.1 схематично представлена одна из возможных конструкций предлагаемой схем. Схема содержит два входных pin-диода 1 и 2, и два выходных pin-диода 3 и 4. Аноды диодов 1 и 3 через фильтры питания 5 соединены с источником постоянного напряжения 6, а катоды этих диодов соединены с отрезком микрополосковой линии 7 и соответственно с анодами диодов 2 и 4. Катоды диодов 2 и 4 соединены с землей. На фиг.1 также показаны микрополосковые линии 8 и 9 на входе и выходе схемы и разделительные конденсаторы 10 и 11, которые обычно присутствуют в большинстве схем ограничителей на диодах.
Пример практического исполнения.
Монолитная интегральная схема ограничителя была создана на подложке из арсенида галлия на пленках эпитаксиального материала, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Были созданы два одинаковых входных pin-диода 1 и 2 и два одинаковых выходных pin-диода 3 и 4. Между парой входных и выходных диодов была сформирована микрополосковая линия 7. Аноды диодов 1 и 3 соединялись с источником постоянного напряжения 6, а катоды диодов 2 и 4 соединялись с землей через металлизированные отверстия в подложке. В качестве фильтров питания 5 использовались тонкопленочные конденсаторы, выполненные на подложке и соединенные одной обкладкой с землей, а другой - с источником питания.
В исходном состоянии на источнике постоянного напряжения 6 было задано напряжение +1,5 В. Таким образом, на каждом из диодов двух групп падало напряжение 0,75 В. Измерение параметров схемы проводилось в диапазоне 2-20 ГГц. При непрерывном увеличении мощности входного сигнала уровень просачивающейся мощности изменялся сначала линейно, а затем происходило ограничение входного сигнала, обусловленное резким уменьшением сопротивлений диодов вследствие накопления зарядов в активных областях. Ограничение мощности происходило при меньших амплитудах входного сигнала, чем в прототипе, так как диоды были смещены в прямом направлении. Уровень просачивающейся мощности устройства достигал значения 15 мВт при заданном напряжении на диодах, что почти в 3 раза меньше, чем у прототипа.
Таким образом, был понижен уровень просачивающейся мощности по сравнению с прототипом, а следовательно, достигнута поставленная цель.
Отметим еще некоторые важные достоинства предлагаемой схемы. Выбирая определенные значения напряжений источника питания, смещающего pin-диоды, можно легко регулировать уровень вносимых потерь, что дает возможность использовать данную схему в качестве аттенюатора. В схеме также можно регулировать уровень просачивающейся мощности, что невозможно в известных схемах.
Источники информации
1. J.V.Bellantoni, D.C.Bartele, D.Payne and et. al. Monolithic GaAs p-i-n Diode Switch Circuits for High-Power Millimeter-Wave Applications. // IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL.31. NO.12. DECEMBER, 1989, pp.2162-2165.
2. James M.Carrol. Performance Comparison of Single and Dual Stage MMIC Limiters. // 2001 IEEE MTT-S Digest, pp.1341-1344.
3. D.G.Smith, D.D.Heston, J.Heston, B.Heimer, K.Decker. Designing reliable high-power limiter circuits with LIMITER GaAs PIN diodes. // 2002 IEEE MTT-S Digest, pp.1245-1247.