Волноводный полупроводниковый пассивный ограничитель мощности для защиты малошумящих усилителей
Полезная модель относится к пассивным полупроводниковым ограничителям мощности волноводного типа, в частности, ограничителям миллиметрового диапазона, где защита высокочувствительных малошумящих усилителей чрезвычайно актуальна.
Целью предлагаемого технического решения является создание ограничителя с малой величиной импульсной просачивающейся мощности. Эта задача решается тем, что в волноводном полупроводниковом пассивном ограничителе мощности содержащем, по крайней мере, две разнесенные на четверть длины волны в волноводе резонансные диафрагмы с полупроводниковыми диодами, в каждой резонансной диафрагме использованы, по крайней мере, две щели с диодами, объединенными в параллельно включенные по СВЧ столбцы из последовательно включенных диодов, при этом в первый (входной) диафрагме используются только p-i-n диоды, во второй - p-i-n и детекторные диоды (или близкие к ним «тонкие» p-i-n диоды), причем столбцы из детекторных диодов имеют обратное включение по постоянному току по отношению к столбцам p-i-n диодов второго каскада и связанных с ним по постоянному току столбцам первого (входного каскада), а в третьей резонансной диафрагме применены только детекторные диоды.
Технический результат: импульсная просачивающаяся мощность на выходе волноводного ограничителя 8-мм диапазона не превышает 10 мВт, динамический диапазон входных сигналов от 10 мВт до 50 Вт в импульсе, средняя мощность 2 Вт. Потери ограничителя в режиме приема - 1 дБ при величине КСВН не более 1,3.
Предлагаемое техническое решение относится к радиоэлектронике, в частности, к пассивным полупроводниковым ограничителям мощности волноводного типа миллиметрового диапазона, предназначенным для защиты высокочувствительных малошумящих усилителей (МШУ), которые широко применяются в радиолокации, системах связи и измерительной технике.
Учитывая низкий предельно допустимый уровень входной мощности для МШУ миллиметрового диапазона (не более 10 мВт в импульсе), ограничители миллиметрового диапазона разрабатываются на базе p-i-n диодов с подпиткой последних детекторными диодами. При этом малые габариты волноводов миллиметрового диапазона требуют применения бескорпусных p-i-n и детекторных диодов.
Известна конструкция волноводного переключателя (ограничителя) в виде расположенной поперек волновода металлической диафрагмы с резонансной щелью и с установленной на ней n-i-p-i-n структурой (СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет. Под ред. Н.В.Мальского и Б.В.Сестрорецкого. М., Сов. Радио, 1969). Однако в данной конструкции обеспечивается недостаточная величина потерь в режиме запирания, что обусловлено одним диодом в щели, и невысокое быстродействие, так как конструктивно сложно создать достаточно тонкую n-i-p-i-n структуру.
Известна конструкция волноводного переключателя (ограничителя) (Патент на полезную модель Российской Федерации 
56721, опубл. 10.09.2006 г.) в виде металлической диафрагмы с двумя или несколькими резонансными щелями, в каждой из которых установлены по две пары встречно включенных p-i-n диодов, при этом каждая пара фактически имитирует n-i-p-i-n структуру как в первой конструкции. Этой конструкции также присущи указанные выше недостатки.
Общим недостатком приведенных конструкций является неавтономность работы, т.к. они требуют для своей работы подачи внешнего напряжения питания. Последнее является очень важным для надежной защиты МШУ от несинхронных сигналов (помех).
Полезная модель направлена на создание пассивного (автономного) волноводного полупроводникового ограничителя мощности, характеризующегося малой величиной просачивающейся мощности (не более 10 мВт в импульсе) при малой величине потерь в режиме приема в относительно широкой для миллиметрового диапазона частотной полосе 5% и высоким быстродействием 100 нс.
Поставленная цель достигается тем, что в волноводном полупроводниковом пассивном ограничителе мощности, содержащем, по крайней мере, две разнесенные на четверть длины волны в волноводе резонансные диафрагмы с полупроводниковыми диодами, в каждой резонансной диафрагме использованы, по крайней мере, две щели с диодами, объединенными в параллельно включенные по СВЧ столбцы из последовательно включенных диодов, при этом в первой (входной) диафрагме использованы только p-i-n диоды, во второй - p-i-n и детекторные диоды (или близкие к ним «тонкие» p-i-n диоды), причем столбцы из детекторных диодов имеют обратное включение по постоянному току по отношению к столбцам из p-i-n диодов второго каскада и связанных с ними по постоянному току столбцами первого (входного) каскада, а в третьей резонансной диафрагме применены только детекторные диоды.
Принципиальная схема ограничителя приведена на фиг.1.
Первый (входной) каскад выполнен на резонансной диафрагме с двумя резонансными щелями 1, 2, в каждой из которых размещено по 4 диода, объединенных в два столбца 3, 4, 5, 6. Все столбцы одноименными полюсами соединены с металлической площадкой 7, изолированной по постоянному току от металлической диафрагмы.
Второй каскад конструктивно аналогичен первому с той разницей, что в каждой резонансной щели размещен один столбец из p-i-n диодов, а другой - из детекторных диодов - в частности диодов с барьером Шоттки (ДБШ), причем столбцы ДБШ по постоянному току включены навстречу столбцам из p-i-n диодов, обеспечивая подпитку последних. Дополнительно выводы столбцов первых и вторых каскадов соединены между собой. Таким образом, столбцы из детекторных диодов второго каскада одновременно обеспечивают подпитку p-i-n диодов как второго, так и первого каскадов.
Третий каскад также выполнен на металлической диафрагме с двумя резонансными щелями, при этом в каждой из щелей размещено по одному столбцу из двух детекторных диодов.
В реальной конструкции ограничителя пары p-i-n диодов и детекторных диодов объединены - выполнены в едином конструктивном исполнении. В частности, в НИИ полупроводниковых приборов (г.Томск), серийно выпускаются пары балочных детекторных диодов 3А143. Пары балочных p-i-n диодов для миллиметрового диапазона выпускаются в ЗАО «Светлана-Электронприбор» (г.Санкт-Петербург) в опытном производстве. Эту пару также можно образовать из серийных балочных p-i-n диодов 2А553, которые выпускаются ЗАО «ТИЭТО» (г.Томилино Московской обл.).
Ограничитель работает следующим образом. Сигнал, поступающий на вход ограничителя, детектируется парами ДБШ во втором каскаде, и выпрямленное напряжение используется для подпитки p-i-n диодов второго и входного каскадов. Третий каскад на детекторных диодах обеспечивает окончательное ограничение уровня СВЧ мощности до величины, необходимой для надежной защиты МШУ.
Предложенная конструкция ограничителя была опробована авторами в 8-мм диапазоне длин волн (34-36 ГГц) на стандартном сечении волноводного тракта 7,2×3,4 мм. В конструкции были применены три металлические диафрагмы с двумя резонансными щелями с размерами 3,6×0,8 мм каждая, пары из серийных балочных p-i-n диодов 2А553А-3 и детекторных диодов (ДБШ) 3А143АС-3 (Параметры указанных диодов приведены в справочнике «Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды.» Томск, МГП «Раско», 1992.).
Входной каскад содержал 8 диодов 2А553А-3 (четыре пары), второй каскад содержал 4 диода 2А 553А-3, объединенных в две пары, и две пары диодов 3А143АС-3, выходной - две пары диодов 3А143АС-3. Входной и второй каскады были соединены по постоянному току в соответствии с фиг.1.
Ограничитель обеспечивал работоспособность при входной импульсной мощности до 50 Вт при длительности импульса 1-2 мкс и величине средней мощности 2,0 Вт, при этом величина просачивающейся на выход ограничителя импульсной мощности составила не более 5 мВт, т.е. вносимое затухание составило 40 дБ. Типовая ограничительная характеристика предложенного устройства приведена на фиг.2.
Потери пропускания предложенной конструкции ограничителя составляют 1,0 дБ при величине КСВН не более 1,3 в рабочей полосе 5%, время восстановления режима приема по уровню 3 дБ - 0,1 мкс.
Полученные результаты показывают, что предложенная конструкция обеспечивает необходимую защиту МШУ в широком динамическом диапазоне от 10 мВт до 50 Вт импульсной мощности.
Дополнительным преимуществом предложенной конструкции является увеличение импульсной и средней рабочей мощности при сохранении высокого быстродействия, что достигнуто за счет применения во входном каскаде восьми быстродействующих балочных p-i-n диодов.
Следует отметить, что эффективность работы ограничителя может быть повышена за счет введения в цепь каждого столбца последовательного конденсатора для создания последовательного резонанса в рабочем диапазоне частот, что увеличит вносимое ограничителем затухание.
1. Волноводный полупроводниковый пассивный ограничитель мощности, содержащий, по крайней мере, две разнесенные на четверть длины волны в волноводе резонансные диафрагмы с полупроводниковыми диодами, отличающийся тем, что в каждой резонансной диафрагме использованы, по крайней мере, две щели с диодами, объединенными в параллельно включенные по СВЧ столбцы из последовательно включенных диодов, при этом в первой (входной) диафрагме использованы только p-i-n диоды, а во второй - p-i-n и детекторные диоды (или близкие к ним «тонкие» p-i-n диоды), причем столбцы из детекторных диодов имеют обратное включение по постоянному току по отношению к столбцам p-i-n диодов второго каскада и связанных с ними по постоянному току столбцам первого (входного) каскада.
2. Волноводный полупроводниковый пассивный ограничитель мощности по п.1, в котором последовательно в цепь каждого столбца по СВЧ включена дополнительная емкость, величина которой выбрана из условия обеспечения последовательного резонанса на рабочей частоте при работе ограничителя в режиме защиты (ограничения).
3. Волноводный полупроводниковый пассивный ограничитель мощности по п.1 и п.2, в котором в качестве третьего, дополнительного каскада, применена резонансная диафрагма, содержащая одну или несколько щелей, в каждой из которых (или в части из них) включены детекторные диоды (или близкие к ним «тонкие» p-i-n диоды) или столбцы из последовательно включенных детекторных диодов (или близких к ним «тонких» p-i-n диодов).
