Семинар № 5. Проектирование коммутаторов и фазовращателей

Расчет коммутатора с параллельным включением pin-диодов. Двухканальный коммутатор с параллельным включением pin-диодов в микрополосковом исполнении (рис.1) представляет собой тройник, в выходные каналы которого параллельно включены pin-диоды на расстоянии Λ4 от точки разветвления. Диоды D1 и D2 работают в

различных состояниях. Пусть D1 открыт, а D2 закрыт. В этом случае канал 1 оказывается закрытым вследствие шунтирующего действия большой проводимости диода.

В настоящее время pin-диоды широко распространены в технике СВЧ в качестве управляющих элементов. Работа pin-диода основана на изменении активной составляющей сопротивления i-области при положительном смещении, когда через pin- диод протекает ток. При отсутствии управляющего напряжения сопротивление диода составляет единицы килоом. При положительном смещении сопротивление диода зависит от величины управляющего тока. Так, при токе 5 ÷ 50 мА (в зависимости от типа pin- диода), чему соответствует управляющее напряжение порядка нескольких вольт, сопротивление диода падает до единиц Ом. Эквивалентные схемы pin-диода для двух состояний приведены на рис.2.

Рис.2. Эквивалентные схемы pin-диода для двух состояний: диод закрыт (а), диод открыт (б)

Различные типы pin-диодов отличаются номинальными значениями максимального R и минимального r сопротивлений, величиной собственной емкости Cд, допустимым уровнем рассеяния СВЧ-мощности, временем срабатывания и т.д. В тех случаях, когда требуются минимальные веса и габариты СВЧ-аппаратуры, управляющие устройства выполняются на основе МПЛ-передач с применением бескорпусных pin-диодов.

С УЧЕТОМ ВЫШЕСКАЗАННОГО ВЫПОЛНИМ РАСЧЕТ ДВУХКАНАЛЬНОГО КОММУТАТОРА С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ПОДКЛЮЧЕНИЕМ PIN-ДИОДОВ, ИЗОБРАЖЕННОГО НА РИС.1. РАССМОТРИМ СОСТОЯНИЕ, КОГДА ДИОД D1 ОТКРЫТ, А D2 ЗАКРЫТ. В ЭТОМ СЛУЧАЕ ВХОДНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ 1-ГО КАНАЛА, ПЕРЕСЧИТАННАЯ К МЕСТУ РАЗВЕТВЛЕНИЯ (ТОЧКА А),

ОКАЗЫВАЕТСЯ РАВНОЙ

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Следует обратить внимание, что начальные выражения (1) и (2) являются уравнениями четвертьволнового трансформатора.

Для компенсации реактивной (индуктивной) составляющей проводимости Yвх 2 , численно равной проводимости BC диода, к точке разветвления подключается параллельный шлейф (разомкнутый на конце), обеспечивающий емкостную проводимость, равную BC .

Для определения геометрических параметров шлейфа воспользуемся известными выражениями для входного сопротивления шлейфов:

а) режим холостого хода:

С учетом шлейфа Yвх 2 » y0 , т.е. мощность, поступившая на вход коммутатора,

практически полностью проходит в канал 2 и не попадает в канал 1. Картина изменится, если поменять рабочие состояния диодов D1и D2.

Распределение мощности входного сигнала между открытым и закрытым каналами переключателя (учитывая, что g и G имеют конечные значения) легко найти из условия,

что при параллельном соединении активных проводимостей мощность делится пропорционально их величине. Сделав предположение о малости величины BC , можно

получить

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

где K - качество pin-диода, K = Rr .

Основными рабочими характеристиками коммутатора являются: - потери пропускания Lпр =10 lg(Pвх Pоткр ) [дБ];

- потери запирания Lз =10 lg(Pвх Pзакр ) [дБ];

- KстV на входе коммутатора в обоих его состояниях.

В реальных коммутаторах потери пропускания лежат в пределах

0,2 ÷ 1,5 дБ, потери запирания составляют 20 ÷ 40 дБ, KстV на входе коммутатора 1,2 ÷ 2,0.

Расчет фазовращателя с парой подключаемых реактивностей. Указанный

фазовращатель, изображенный на рис.3,а, представляет собой МПЛ, в которую на

определенном расстоянии (в точках А и Б) параллельно включены два одинаковых

четвертьволновых шлейфа, нагруженных на разомкнутые отрезки линий и pin-диоды.

Рис. 3. Фазовращатель с парой подключаемых реактивностей: а - топология; б - эквивалентная схема

Принцип действия ФВ легко объясняется из эквивалентной схемы на рис.3,б. Она представляет собой отрезок длинной линии, обеспечивающей набег фазы j1 = p +2 a , где α - требуемая величина фазового сдвига ФВ. Теория цепей показывает, что если в точках

разность фаз в двух состояниях будет равна требуемой величине: Dj = j1 - j2 = a . Подключение указанных проводимостей обеспечивается с помощью шлейфов y1 . В

случае включения диодов D1 и D2 (а они включаются одновременно) каждый шлейф может рассматриваться как короткозамкнутый отрезок длиной L4 с нулевой входной

проводимостью Y = 0 , т.е. они не влияют на проводимость основной линии.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

При обесточенных диодах проводимость Y определяется входной проводимостью короткого участка линии yвх = jBш , емкостной проводимостью диода jBC и волновой

проводимостью y1 четвертьволнового шлейфа (согласно формуле четвертьволнового трансформатора):

соотношении, полученном для идеального диода ( R = ∞ и r = 0 ), имеются два неизвестных: y1 и Bш . Для их определения введем реальные проводимости диода в открытом и закрытом состояниях: G и g соответственно. Тогда при открытом диоде ( G = 1r ) имеем Yоткр = y12 G , а при обесточенном диоде ( g = 1R )

(в последнем соотношении использовано условие g << (BC + Bш )).

Для оптимизированного ФВ (условие равенства потерь в обоих состояниях) необходимо обеспечить равенство его активных составляющих:

где K - качество диода, K = Rr .

Из формулы (7) видно, что при α → π потери в ФВ L → ∞ . Обычно такой тип ФВ применяется для получения фазового сдвига a £ p2 .

Пример. Рассчитать геометрические параметры ФВ на подключаемых неоднородностях на частоте f = 3 ГГц; величина требуемого фазового сдвига a = p2 , используемый pin-диод типа “Самшит” (2А547А-3), имеющий на данной частоте следующие характеристики: r =1,4 Ом; R = 20000 Ом; Сд = 0,1пФ . Оценить потери

проектируемого ФВ.

Решение. 1. Проводимость pin-диода на заданной частоте равна:

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

BC = 2pfCд = 6,28 × 3 ×109 ×10−13 = 2 ×10−3 См .

2. Проводимости МПЛ и pin-диода в закрытом и открытом состояниях составляют

y0 = 2 ×10−3 См; g = R1 = 5 ×10−5 См; G = 1r = 0,7 См.

3. Проводимость шлейфа, рассчитанная по формуле (6), составляет

B= 3,5 ×10−5 - 2 ×10−3 » 4 ×10−3 См (емкостной характер).

4.Проводимость четвертьволнового трансформатора, рассчитанная по формуле (7),

равна

5.Для нахождения геометрических параметров шлейфа воспользуемся выражениями

(4)и (5):

6. Оценим потери на прохождение ФВ по формуле (8):

L =10lg(1 + 4102 )» 0,4 дБ.

Задание 1. Рассчитать геометрию двухканального коммутатора на частоте f = 5 ГГц при использовании pin-диода типа “Костяника” (2А517), экспериментально измеренные проводимости которого (приведенные к r0 = 50 Ом ) равны соответственно

Yзакр = 0,015 + j0,08, Yоткр = 25,0 + j0,00.

Задание 2. Рассчитать геометрию фазовращателя на подключаемых реактивностях на частоте f = 5 ГГц, величина требуемого фазового сдвига a = p 4 , используемый диод типа

“Самшит” (2А55547А-3), который имеет на данной частоте следующие характеристики: r =1,5 Ом; R = 20000 Ом; Сд = 0,1пФ. Оценить потери проектируемого фазовращателя.

Литература

1. Веселов Г.И., Алехин Ю.Н. Элементы теории и вопросы проектирования СВЧ устройств. - М.: МИЭТ, 1980. - С. 130 - 137.

2. Чистюхин В.В. Антенно-фидерные устройства. - М.: МИЭТ, 1997. - С. 41 - 56.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com