Патент на изобретение №2258278

(54) ДИОДНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СВЧ СИГНАЛА

(57) Реферат:

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к диодным ограничителям мощности, служащим для защиты входа приемного устройства от воздействия СВЧ сигнала собственного передатчика и мощного стороннего СВЧ сигнала. Диодный ограничитель СВЧ мощности содержит входную и выходную линии передачи, между которыми расположен резонатор длиной m=1, 2 … полуволн, выполненный на n=1, … связанных линиях, шунтированных хотя бы одним диодом каждая. Диоды расположены k группами, где 1k2m-1 на расстояниях четверть длины волны, от концов резонатора и между группами. Все диоды включены в одной полярности. Устройство содержит цепь постоянного тока диодов. Длина резонатора отличается относительно точного значения полуволн на величину до 1/8 длины волны. Для расширения рабочего диапазона частот резонатор на входе и выходе дополнен последовательными секциями связанных микрополосковых линий. Для снижения уровня мощности, при котором начинается ограничение, цепь постоянного тока диодов содержит детекторный диод, который включен в обратной полярности по отношению к ограничительным диодам. Техническим результатом является обеспечение малых начальных потерь, большое значение допустимой входной мощности и малое значение просачивающейся мощности. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к диодным ограничителям мощности, служащим для защиты входа приемного устройства от воздействия СВЧ сигнала собственного передатчика и мощного стороннего СВЧ сигнала.

Известен ограничитель мощности [1]. В данном ограничителе мощности реализована микрополосковая линия на трех пластинах из поликора. В зазорах между средней пластиной и двумя крайними помещены два ограничительных диода. Диоды расположены вдоль микрополосковой линии на расстоянии четверти длины волны друг от друга и включены параллельно проводникам линии (шунтируют линию). Короткозамкнутый четвертьволновый шлейф обеспечивает протекание постоянной составляющей тока через диоды при воздействии высокого уровня СВЧ мощности.

Недостатками такого ограничителя являются:

– большие начальные потери (потери при малом уровне мощности СВЧ сигнала), обусловленные емкостями диодов,

– малый уровень предельно допустимой входной СВЧ мощности, величина которого определяется в основном диодом, ближайшим к входу ограничителя.

Более совершенным устройством является ограничитель [2], который выбран в качестве прототипа. Ограничитель-прототип построен на делителе, который разветвляет СВЧ мощность от входной микрополосковой линии между четырьмя отдельными линиями передачи и передает ее в аналогичный сумматор, за которым следует выходная микрополосковая линия. Делитель и сумматор образуют блок двух каскадно-соединенных систем микрополосковых линий, входной и выходной, между которыми размещены четыре ограничительных диода. Каждый из диодов шунтирует одну из линий каскадной системы и установлен на металлическом основании микрополосковых плат. Цепь пропускания постоянного тока диодов построена в виде четвертьволнового шлейфа. Согласование ограничителя с микрополосковыми линиями входа и выхода при малом уровне мощности достигнуто с помощью трансформаторов импеданса, выполненных на отрезках микрополосковых линий.

Недостатками такого ограничителя являются:

– большие начальные потери, поскольку линии делителя и сумматора являются высокоомными и емкостные проводимости диодов в режиме малого сигнала существенно шунтируют эти линии. Это вызывает отражение сигнала и ухудшение его передачи от входа ограничителя к его выходу,

– необходимость в специальных устройствах согласования ограничителя для компенсации отражений сигнала, вызванных емкостями диодов,

– большая величина омических потерь в узких проводниках высокоомных линий делителя, сумматора и в согласующих устройствах,

– плохая технологичность узких проводников высокоомных линий делителя и сумматора.

Технический результат изобретения заключается в следующем:

– малые начальные потери (потери на малом уровне мощности),

– большое значение допустимой входной мощности,

– малое значение просачивающейся мощности,

– высокая технологичность конструкции.

В предлагаемом диодном ограничителе мощности СВЧ сигнала (далее ограничитель) блок ограничения мощности выполнен в виде проходного резонатора на n=2,3… связанных микрополосковых линиях, имеющего длину L=(1/2±1/8) от длины волны в связанных микрополосковых линиях. Каждая из связанных микрополосковых линий резонатора шунтирована, по крайней мере, одним ограничительным диодом, установленным на середине длины резонатора, либо смещенным от середины на расстояние до 1/4 L. Сумма волновых проводимостей связанных линий больше волновой проводимости как входной, так и выходной линии.

Соотношение волновой проводимости подводящих линий и сумма волновых проводимостей связанных линий (волновой проводимости образованной ими линии резонатора) определяет начальную добротность резонатора на связанных микрополосковых линиях (добротность при малом уровне сигнала). Величина добротности при выполнении резонатора на связанных линиях является небольшой и выбирается с учетом требований к полосе пропускания ограничителя.

В ограничителе устранено диссипативное рассеяние мощности, связанное с емкостью диодов, поскольку ограничитель выполнен без внешних согласующих цепей, в которых могла бы рассеиваться мощность сигнала.

Устранены также реактивные потери на отражение, обусловленные емкостью диодов, поскольку резонатор на связанных линиях выполнен как согласующий трансформатор сопротивлений между входом и выходом ограничителя с учетом шунтирующих емкостей диодов. При этом сумма волновых проводимостей связанных линий выбрана больше, чем проводимость как входной, так и выходной линий, что дополнительно уменьшает шунтирующее влияние емкости ограничительных диодов на цепь передачи при низком уровне мощности.

Уменьшены омические потери в ограничителе мощности по сравнению с потерями в одиночных микрополосковых линиях прототипа благодаря более равномерному распределению и снижению средней плотности тока в системе проводников связанных линий, которые при сравнимом волновом сопротивлении имеют увеличенную ширину по сравнению с одиночными линиями.

Улучшена технологичность конструкции благодаря увеличению ширины микрополосковых линий.

Для компенсации емкости диодов и выбора между минимальным значением потерь при малом уровне мощности и повышенным затуханием при большом уровне мощности, длину резонатора L выполняют отличной относительно точного значения полуволны в связанных линиях на величину до 1/8 длины волны.

Повышенное значение допустимой входной мощности и пониженное значение просачивающейся мощности в ограничителе достигнуты за счет дополнительного отражения падающей мощности высокого уровня от резонатора на связанных линиях, резонансная частота которого уменьшается относительно частоты резонанса в режиме малого сигнала благодаря шунтирующему действию открытых диодов.

Для повышения уровня допустимой мощности параллельно каждому ограничительному диоду дополнительно устанавливают один или несколько ограничительных диодов.

Ограничитель выполняется как с диодами, лежащими по разные стороны связанных линий, так и с диодами, расположенными в разрыве резонатора на связанных линиях. В последнем случае, достигается повышенная защита малошумящего усилителя, поскольку в случае поступления непредвиденно мощного сигнала и пробоя диодов выгорают проводники, соединяющие микрополосковые линии с диодами, разрывается цепь передачи сигналов и прекращается поступление к усилителю мощного сигнала, несмотря на выход ограничителя из строя.

При повышенных требованиях к рабочей полосе частот, на входе и выходе ограничителя устанавливают дополнительные секции связанных микрополосковых линий, которые соединяют резонатор с входной и выходной линиями, соответственно.

Для снижения уровня мощности срабатывания в цепь постоянного тока диодов устанавливают детекторный диод, включенный в обратной полярности по отношению к ограничительным диодам.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показана топология ограничителя на двух связанных линиях 1, 2 (n=2), образующих резонатор длиной L=(1/2±1/8) от длины волны в связанных микрополосковых линиях резонатора, расположенный между входной 3 и выходной 4 линиями передачи. Линия 1 шунтирована диодом 5, а линия 2 шунтирована диодом 6. Ограничитель содержит цепь 7 пропускания постоянного тока диодов.

На фиг.1а показана структурная схема ограничителя на двух связанных линиях, соответствующая топологии ограничителя, показанного на фиг.1.

На фиг.2 показана топология ограничителя на двух связанных линиях 1 и 2 (n=2), образующих резонатор, длиной L=(1/2±1/8) от длины волны в связанных микрополосковых линиях резонатора. Линия 1 шунтирована двумя диодами 5, 8, а линия 2 шунтирована двумя диодами 6, 9. Диоды установлены на проводящей полоске, соединенной с экранирующим проводником микрополосковых линий через металлизированные отверстия в подложке. Ограничитель содержит цепь пропускания постоянного тока диодов 7.

На фиг.2а показан вариант конструкции ограничителя, отличающийся от ограничителя на фиг.2 тем, что пары диодов 5, 8 и 6, 9 расположены в разрыве связанных линий 1 и 2, образующих резонатор.

На фиг.2б показана структура ограничителя на двух связанных линиях, соответствующая топологиям, показанным на фиг.2 и 2а.

На фиг.3 и 3а показаны топология разводки ограничителя с резонатором длиной L=(1/2±1/8) от длины волны в связанных микрополосковых линиях резонатора, выполненного на четырех связанных линиях (n=4) и соответствующая ему структурная схема. Ограничительные диоды 8, 9 установлены параллельно диодам 5, 6. Диоды 5, 6, 8, 9 расположены в разрыве связанных линий 1, 2, 10, 11. Ограничитель содержит цепь пропускания постоянного тока диодов 7.

На фиг.4 показана структура ограничителя на четырех связанных линиях 1, 2, 10, 11 (n=4), образующих резонатор длиной L=(1/2±1/8) от длины волны в связанных микрополосковых линиях резонатора. На стороне входной 3 и выходной 4 линий передачи установлены дополнительные секции 12 и 13 связанных микрополосковых линий для увеличения рабочей полосы частот. Ограничитель содержит диоды 5, 6, 8, 9 и цепь пропускания постоянного тока диодов 7.

На фиг.5 показана структура ограничителя на четырех связанных линиях (n=4), образующих резонатор, длиной L=(1/2±1/8) от длины волны в связанных микрополосковых линиях резонатора, шунтированный диодами 5, 6, 8, 9. В цепь постоянного тока 7 включен детекторный диод 14, установленный в обратной полярности по отношению к ограничительным диодам.

Диодный ограничитель имеет блок ограничения мощности, выполненный в виде резонатора на связанных n=2,3… микрополосковых линиях (1, 2, 10, 11) длиной L=(1/2±1/8) от длины волны в связанных микрополосковых линиях резонатора, расположенный между входной линией 3 и выходной линией 4, при чем каждая микрополосковая связанная линия шунтирована, по крайней мере, одним ограничительным диодом (5, 6), установленным на середине длины L резонатора, или смещенным от середины на расстояние до 1/4L, и цепь постоянного тока диодов (7). Дополнительно каждому ограничительному диоду (5, 6) параллельно может быть установлен один или несколько ограничительных диодов (8, 9). Цепи согласования могут быть выполнены в виде отрезков связанных микрополосковых линий (12, 13). Цепь постоянного тока (7) может быть выполнена в виде детекторного диода (14), установленного в обратной полярности по отношению к ограничительным диодам.

Работу ограничителя поясним на примере конструкции, представленной на фиг.1. На середине длины резонатора каждая из линий 1 и 2 шунтирована одним ограничительным диодом 5, 6. Диоды расположены в области минимума электрического поля резонатора, что повышает пропускную способность ограничителя по мощности. Входная 3 и выходная 4 микрополосковые линии передачи нагружают резонатор.

Ограничитель мощности работает следующим образом. При низком уровне входной СВЧ мощности оба диода 5, 6 находятся в закрытом состоянии. Потери сигнала в ограничителе малы благодаря тому, что ограничитель не содержит дополнительных согласующих цепей, а согласование ограничителя с входной и выходной линиями передачи достигнуто с помощью настроенного на частоту сигнала резонатора на связанных микрополосковых линиях, шунтированных диодами. Ограничитель фиг.1 по сравнению с прототипом имеет широкие проводники связанных микрополосковых линий с повышенной равномерностью распределения плотности тока в проводниках и благодаря этому обладает дополнительным преимуществом уменьшенных диссипативных начальных потерь.

При сигналах повышенной мощности диоды 5, 6 в линиях 1, 2 переходят в состояние малого сопротивления. Постоянная составляющая тока диодов, один из электродов которых заземлен, замыкается через цепь постоянного тока 7, выполненную в виде микрополоскового шлейфа либо дросселя, соединенного с заземлением. Возникает режим замыкания СВЧ резонатора на связанных линиях 1 и 2 через малое сопротивление открытых диодов. СВЧ сигнал отражается к входу 3, коэффициент передачи от входной 3 к выходной 4 линии уменьшается, ограничитель переходит в режим ограничения мощности. Частота настройки резонатора относительно его рабочей частоты при малом сигнале уменьшается, что дополнительно усиливает затухание мощного сигнала и уменьшает мощность, просачивающуюся к приемному устройству.

В ограничителях, показанных на фиг.2 и 2б, каждая из линий 1 и 2 резонатора шунтирована двумя диодами, соответственно 5, 8 и 6, 9, в отличие от ограничителя на фиг.1, что дает преимущество повышенной допустимой мощности, поскольку мощность сигнала распределяется между четырьмя диодами. Ограничитель фиг.2 по сравнению с прототипом имеет повышенную равномерность распределения плотности тока в широких проводниках связанных линий и благодаря этому обладает преимуществом уменьшенных диссипативных начальных потерь.

Ограничитель фиг.3 также имеет преимущество повышенной допустимой мощности, поскольку мощность сигнала распределяется между четырьмя диодами. Кроме того, ограничитель с резонатором на четырех связанных линиях 1, 2, 10, 11 (n=4), показанный на фиг.3, по сравнению с прототипом и, даже, по сравнению с ограничителем фиг.2 и 2а имеет повышенную равномерность распределения плотности тока в широких проводниках связанных линий. Благодаря этому ограничитель фиг.3 обладает преимуществом уменьшенных диссипативных начальных потерь. Для удобства монтажа диодов, улучшения отвода тепла и повышения уровня допустимой входной мощности диоды 5, 6, 8, 9 в ограничителе фиг.3 установлены в разрыве линий резонатора 1, 2, 10, 11 в минимуме электрического поля резонатора, на расстояниях от середины длины резонатора, близких к 1/4L. Линии резонатора разорваны на середине длины резонатора либо со сдвигом от середины на расстояние до 1/4 длины резонатора для выбора условий нагрузки диодов на резонатор.

На фиг.4 показана структура ограничителя на четырех связанных линиях 1, 2, 3, 4 (n=4), образующих резонатор. Между входной линией 3 и резонатором, а также между выходной линией 4 и резонатором установлены дополнительные секции 12 и 13 связанных микрополосковых линий для увеличения рабочей полосы частот по сравнению с ограничителями фиг.1-3. Цепь постоянного тока в ограничителях фиг.1-4 выполнена в виде короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа либо индуктивности.

Ограничитель, показанный на фиг.5, выполнен на четырех связанных линиях 1, 2, 10, 11 (n=4), образующих резонатор, длиной L=(1/2±1/8) от длины волны в связанных микрополосковых линиях резонатора. Диоды 5, 6, 8, 9 в одинаковой полярности установлены на основание микрополосковых линий в разрыве связанных линий 1, 2, 10, 11. Постоянный ток в ограничителе фиг.5, в отличие от ограничителей фиг.1-4, проходит через детекторный диод 14, который установлен в обратной полярности по отношению к ограничительным диодам 5, 6, 8, 9. Детекторный диод 14 обеспечивает понижение уровня мощности, при котором начинается ограничение мощности. При детектировании СВЧ сигнала диодом 14, ток детектирования замыкается через диоды 5, 6, 8, 9, открывая их. Сопротивление диодов 5, 6, 8, 9, шунтирующих резонатор на связанных линиях, уменьшается. Ограничитель переходит в режим ограничения.

Ограничитель, структурная схема которого приведена на фиг.5, выдерживает импульсную мощность 140 Вт при длительности импульсов 1,2 мкс со скважностью 7 (средняя мощность 20 Вт) и импульсную мощность 100 Вт при длительности импульсов 40 мкс со скважностью 2,5 (средняя мощность 40 Вт), т.е. выдерживает практически непрерывный режим при мощности сигнала 100 Вт. Начальные потери составляют не более 0,4 дБ в трехсантиметровом диапазоне длин волн при рабочей полосе 25%. В диапазоне частот 1,5…4,5 ГГц ограничитель такого типа имеет начальные потери не более 0,5 дБ и выдерживает импульсную мощность более 2 кВт при скважности 1000.

Источники информации

1. Ю.Л.Гунченко, В.А.Завьялов, B.C.Постовой, В.А.Шпирт. Статья «Разработка и исследование защитных устройств повышенного уровня предельно допустимой входной мощности для малошумящих СВЧ транзисторных усилителей». Электроника СВЧ, сер. «Электроника», вып.2 (386), 1986, стр.4.

2. Ю.Л.Гунченко, В.А.Завьялов, B.C.Постовой, В.А.Шпирт. Статья «Разработка и исследование защитных устройств повышенного уровня предельно допустимой входной мощности для малошумящих СВЧ транзисторных усилителей». Электроника СВЧ, сер. «Электроника», вып.2 (386), 1986, стр.6.

Формула изобретения

1. Диодный ограничитель мощности СВЧ сигнала, содержащий входную и выходную линии передачи, между которыми расположены каскадно-соединенные системы микрополосковых линий, шунтированных ограничительными диодами, и цепь постоянного тока диодов, отличающийся тем, что системы микрополосковых линий выполнены в виде резонатора на n=2,3… связанных линиях длиной (0,75-1,25) полуволны в связанных микрополосковых линиях, при этом каждая связанная линия шунтирована, по крайней мере, одним ограничительным диодом, установленным на расстоянии, близком к четверти длины волны от одного из концов резонатора, притом сумма волновых проводимостей связанных линий больше волновой проводимости как входной, так и выходной линий.

2. Диодный ограничитель по п.1, отличающийся тем, что ограничительные диоды установлены в разрыве микрополосковых линий резонатора.

3. Диодный ограничитель мощности по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что на входе и выходе ограничителя установлены дополнительные секции связанных микрополосковых линий.

4. Диодный ограничитель мощности по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что цепь постоянного тока диодов выполнена в виде детекторного диода, который включен в обратной полярности по отношению к ограничительным диодам.

РИСУНКИ