СВЧ-ОГРАНИЧИТЕЛЬ

Полезная модель относится к радиоэлектронике и может использоваться в приемных устройствах с защитой по входу от синхронных и несинхронных сигналов сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн.
Известна конструкция мощного волноводного ограничителя миллиметрового диапазона на основе кремниевой пластины с матрицей pin-диодов, расположенной поперек волновода (патент США №4.571.559, опубликован 18.02.86). Недостатком такого ограничителя является небольшое вносимое затухание в режиме ограничения, что связано с последовательным включением диодов в каждом столбце матрицы, что эквивалентно увеличению толщины i-области диода и, следовательно, приводит к снижению чувствительности диода к СВЧ-мощности, и, как следствие, к увеличению просачивающейся мощности на выходе ограничителя.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому объекту является конструкция волноводного ограничителя на основе установленной поперек волновода диэлектрической пластины с матрицей из полупроводниковых диодов, описанная в патенте России №2065234, опубликованном 10.08.1996, где с целью уменьшения просачивающейся мощности применены диоды с барьером Шоттки, причем в одной половине столбцов матрицы диоды включены в одном направлении, а в другой половине столбцов - в противоположном направлении (фиг.1).
Недостатком такой конструкции является малая рабочая мощность, так как в сантиметровом и, особенно, в миллиметровом диапазоне невозможно создать достаточно мощные диоды с барьером Шоттки, что обусловлено жесткими требованиями к величине емкости и их чувствительности к мощности.
Целью данной полезной модели является повышение рабочей мощности (пассивного) волноводного ограничителя на основе многодиодных матриц при одновременном обеспечении малой величины просачивающейся мощности.
Поставленная цель достигается тем, что в СВЧ-ограничителе, содержащим прямоугольный волновод, диэлектрическую пластину, расположенную поперек волновода и размещенную на диэлектрической пластине матрицу из полупроводниковых диодов с барьером Шоттки, объединенных в столбцы, компенсирующий индуктивный элемент, включенный параллельно диодным столбцам, установлена вторая диэлектрическая пластина, расположенная поперек волновода на расстоянии, равном четверти длины волны в волноводе, и размещенную на диэлектрической пластине матрицу из pin-диодов, объединенных в столбцы, второй компенсирующий индуктивный элемент, включенный параллельно диодным столбцам этой матрицы, при этом в каждой матрице начала и концы столбцов диодов соединены с широкими стенками волновода, а середины столбцов каждой матрицы соединены между собой и с серединами столбцов другой матрицы, при этом число диодов выбирается четным в каждом столбце каждой матрицы и содержит «п» диодов, причем «n/2» диодов включены навстречу друг другу, при этом полярность включения диодов в столбцах каждой матрицы одинаковая и обратная по отношению к столбцам другой матрицы.
Конструкция ограничителя схематично изображена на фиг.2.
Ограничитель содержит прямоугольный волновод 1, пластину 2, которая расположена поперек волновода и на которой размещена матрица 3, образованная из n×m «безынерционных» диодов с барьером Шоттки (возможно использование детекторных или близкие к ним тонких pin-диодов с толщиной базы 0,5…1 мкм). где n - число диодов в столбцах соединенных с широкими стенками 4 и 5 волновода, m - число столбцов диодов, расположенных параллельно узким стенкам волновода, причем число n выбирается четным, a m может быть произвольным, компенсирующие элементы 6 в виде проводящих полосок, включенных параллельно столбцам. На расстоянии равном четверти длины волны в волноводе, от пластины 2 установлена вторая пластина 7 с матрицей 8, образованная из n×m кремниевыми pin-диодами, где n - число диодов в столбцах, соединенных с широкими стенками 4 и 5 волновода m - число столбцов диодов, расположенных параллельно узким стенкам волновода (число n должно быть четным, а число m может быть произвольным), второй компенсирующий элемент 9 в виде проводящих полосок, включенных параллельно столбцам, при этом в каждой матрице начала и концы столбцов диодов присоединены к широким стенкам 4 и 5 волновода, а середины столбцов каждой матрицы соединены между собой выводами 10, 11, которые в свою очередь связаны между собой общим выводом 12, при этом число диодов выбирается четным в каждом столбце каждой матрицы и содержит «n» диодов, причем «n/2» диодов включены навстречу друг другу, при этом полярность включения диодов в столбцах каждой матрицы одинаковая и обратная по отношению к столбцам другой матрицы.
СВЧ-ограничитель работает следующим образом.
При малом уровне мощности СВЧ-сигнала напряжение на диодах с барьером Шоттки (детекторных или близким к ним тонких pin-диодах с толщиной базы 0,5…1 мкм) первой пластины и на кремниевых pin-диодах с большей толщиной базы второй пластины не достигает напряжения открывания диодов и ограничитель пропускает сигнал с небольшим ослаблением, что обеспечивается выбором суммарной емкости диодов на каждой пластине и индуктивностью компенсирующих элементов, так чтобы на рабочей частоте обеспечивался резонанс в параллельном контуре, образованном суммарной емкостью матрицы диодов и индуктивностью компенсирующих элементов на каждой пластине. Так как эквивалентное сопротивление на резонансной частоте этих контуров много больше волнового сопротивления волновода, то каждый контур слабо шунтирует волновод.
При большом уровне мощности СВЧ-сигнал детектируется диодами матрицы, расположенной на первой пластине, управляющее напряжение вырабатываемое диодами этой матрицы, подается на столбцы диодов матрицы, расположенной на второй пластине, обеспечивая подпитку pin-диодов всех столбцов этой пластины, что приводит к резкому уменьшению сопротивления диодов этой пластины, шунтирующей волновод, благодаря чему сигнал проходит с большим ослаблением. Последующее ограничение уже ослабленного сигнала осуществляется матрицей на диодах с барьером Шоттки.
Увеличение рабочей мощности СВЧ-ограничителя обеспечивается за счет матрицы, в которой использованы достаточно мощные, с большей толщиной базы кремниевых pin-диодов, а малая величина просачивающейся мощности в режиме ограничения обеспечивается за счет подпитки этих диодов постоянным током, вырабатываемым диодами с барьером Шоттки на первой пластине, при этом первая пластина одновременно будет выполнять роль дополнительного, второго каскада ограничителя.
Величину рабочей мощности ограничителя можно регулировать, изменяя число диодов матрицы, т.е. изменяя число столбцов и число диодов в них.
2
Предложенная конструкция ограничителя в соответствии с фиг.2 была реализована в монолитном исполнении в 8-мм диапазоне длин волн на волноводном сечением 7,2×3,4 мм.
Монолитная матрица на pin-диодах содержала 64 диода (8 столбцов по 8 диодов в каждом), толщина i-области составляла 8 мкм. Матрица была сформирована на кремниевой подложке из высокоомного кремния типа КБО-2. Емкость единичных диодов матрицы составляла 0,02 пФ. Расстояние между матрицами составляло 2,5 мм, что соответствовало четверти длины волны на рабочей частоте.
Предложенная конструкция ограничителя обеспечила работоспособность ограничителя при импульсной мощности до 500 Вт при величине средней мощности 15 Вт, вносимое затухание в режиме ограничения составило 32 дБ. Типовая ограничительная характеристика приведена на фиг.3.
Потери пропускания ограничителя в режиме приема (режим низкого уровня мощности) составляли 1,5 дБ в рабочей полосе 5% при величине КСВН не более 1,5. Время восстановления ограничителя по уровню потерь в паузе 3 дБ составляла 0,15 мкс.