Напівпровідникові атенюатори і фазообертачі

1. Напівпровідникові пристрої на високих і надвисоких частотах нині виконують більшість функцій, для яких раніше використовувалися електровакуумні й газорозрядні прилади. Поряд з використанням в пристроях для генерації та посилення сигналів напівпровідникові прилади застосовуються в пристроях для управління амплітудою - атенюатори і фазою коливань - фазообертачі.

Пристрої на напівпровідникових приладах мають малу вагу і габарити, тривалий термін служби і високу надійність, високу швидкодію, малу потужність, необхідну від ланцюгів керування [8].

За характером регулювання атенюатори і фазообертачі можуть бути аналоговими (плавними) і дискретними (східчастими), а по побудові схеми - прохідними і відбивають. В останніх використується подвійне проходження сигналу СВЧ через керуючий пристрій завдяки установці на його виході короткозамикача. В аттенюатором і фазовращателямі з малим рівнем сигналу приміняють в більшості випадків діоди з р-n - переходом (варактори); при великій потужності сигналу р-i-n i n-i-р-i-n -діоди. Останні застосовуються також в комутаторів.

Рис. 6.12. Атенюатор на р-i-n – діодах

2. Атенюатори на р-i-n - діодах виконуються в більшості випадків по каскадній схемі (рис. 6.12, а). Еквівалентна схема такого атенюатора (рис. 6.12, б) являє собою відрізок лінії, паралельно якій через відповідні інтервали включені провідності з практично чистого напівпровідника (і- області), розташованого між високолегованої нимі р- і n- областями. При від'ємному зміщенні область з власною провідністю стає замикаючим шаром з дуже малою ємністю; при позитивному зміщенні р- і n-області інжектують дірки і електрони в проміжну область, утворюючи добре провідну плазму. Така інжекція призводить до значного зменьшення опору і-області (до одиниць омів.). При зміні керуючої напруги U_у, а отже, і струму, протікаючого через діод, активний опір R. р-i-n- діода змінюючого в 10³ разів і більше. Ця властивість визначило широке застосування р-i-n- діодів в пристроях з плавним зміною зату хания (атенюатори, модулятори) і стрибкоподібним зміною затухання (вимикачі, комутатори).

Метод аналізу каскадних схем НВЧ викладено в гл. 3 і в залежності з ним розрахунок параметрів атенюатора на р-i-n- діодах заключається в наступному: кожен р-i-n-діод з ділянкою лінії передачі представляється матрицею передачі [Т] (3.31), а матриця передачі [Т] всього атенюатора визначається шляхом перемноження матриць окремих елементів (3.29). Для знаходження загасання, внесеного аттенюатором, використовується формула (3.28), а для визначення коефіцієнта відображення переходять від матриці [Т] до матриці [5] і відповідності з (3.27).

Для отримання максимального загасання р-i-n- діодах в атенюаторі розташовуються на відстані А/4 один від одного, однак для розширення робочої смуги частот атенюатора доцільно використовувати нееквідістантне розташування р-i-n-діодів. З цією ж метою опір крайніх діодів в робочому режимі роблять більше опору решти діодів шляхом збільшення їх навантажувальних опорів. Конденсатори і дроселі, показані на схемі атенюатора (рис. 6.12), служать для поділу ланцюгів НВЧ та керуючого напруги.

3. Фазообертачі на р-i-n - діодах належать до східчасто регульованим пристроям, оскільки в них використовується принцип включення або відключення відрізків ліній (бінарний принцип) за допомогою комутаційних р-i-n-діодів, для отримання необхідних стрибків фазового зсуву.

На рис. 6.13 показана схема трехкаскадного прохідного фазообертача. Стрибок фазового зсуву Δф в цьому пристрої залежить від електричної довжини відрізка лінії довжиною підключеного послідовного в основну лінію, коли р-i-n- діод знаходиться в стані «виключено»

(6.4)

4. Фазообертачі на р-n -діодах (варакторов) дозволяють плавно регулювати величину фазового зсуву завдяки зміні ємності р-n-переходу від величини прикладеного до нього керуючого напруги.

Залежність ємності р-n-переходу від керуючої напруги (або напруги зсуву) має вигляд

(6.5)

де А - постійна для даного переходу величина;

U_у – керуюча напруга;

φ_к - контактна різниця потенціалів, складающа кілька десятих часток вольта;

n = 1/3 для так званих різких переходів і n = 1/2 - для плавних переходів.

Графік залежності ємності р-nпереходу від керуючої напруги (такі залежності називаютя вольтфараднимі характеристиками) показаний на рис. 6.14, а.

В фазообертачі доцільно використовувати ємність тільки закритого р-nпереходу, так як в режимі прямого струму занадто велику шунтуючу дію його прямого опору. Еквівалентна схема варактора при негативному зміщенні показана на рис. 6.14,б, де С_к - ємність корпусу варактора; С - ємність р-n- переходу; L - індуктивність висновків; r_s - еквівалентний активний опір втрат.

Рис 6.13. Прохідний дискретний фазообертач.

Рис 6.14. Варактор (а - характеристика, б - еквівалентна схема).

Рис 6.15. Схема багатоелементного плавного фазообертача.

Рис 6,16 Відбивний фазообертач.

Еквівалентна схема багатоелементного фазовращателя (ріс.6.15) являє собою каскадне з'єднання відрізків лінії з підключеними паралельно варакторов. При такому включенні опис параметрів варактора в робочій смузі частот і у всьому діапазоні керуючих напруг доцільно вести за допомогою його комплексної провідності У=G+iВ, складові якої визначаються на основі еквівалентної схеми (рис. 6.14, б)

( 6 . 6 )

(6.7)

Ці величини дозволяють визначити повну наведену провідність варактора у=g+ib, а отже, і матрицю передачі одного елемента фазообертача.

Розрахунок параметрів багатоелементного фазовращателя подібний за своїм алгоритмом розрахунку багатоелементного атенюатора - шляхом перемноження матриць передач окремих елементів з тією відмінністю, що основною шуканої величиною є не модуль t₁₁, а його аргумент, що визначає фазовий зсув, створюваний фазовращателем.

Методи розрахунку за допомогою хвильових матриць зручні для реалізації їх на ЕОМ, що особливо цінно при розрахунках керуючих пристроїв, так як необхідність визначення параметрів як в смузі частот, так і в усьому діапазоні керуючого напруги, об’єднана з великим числом обчислень.

5. Відображаючі фазообертачі утворюються з прохідних фазообертачів шляхом замикання накоротко виходу схеми. Тоді наявні в схемі варактори регулюватимуть фазу сигналу на його шляху до фазообертача і назад, що веде до збільшення фазового зсуву вдвічі. Істотним недоліком такої схеми є наявність одного лише входу. Для поділу падаючої і відбитої хвиль можна використовувати трьохдецибельний спрямований відгалужувач, щілинний міст чи іншій восьмиполюсник, що володіє аналогічними властивостями. Включення відображають фазобертачі за допомогою зазначених багатополюсників утворюючи в цілому схему прохідного фазообертача.

На рис. 6.16 трьохдецибельние спрямований ответвитель навантажений на виходах 2 і 4 відображають фазовращателямі, що містять в загальному випадку по одному або по кілька варакторов. Сигнал поступає на вхід 1 і знімається на виході 3. Для ідеального направленого відгалужувача і відображаючих фазообертачів без втрат внесений схемою фазовий зсув дорівнює сумі фазових зрушень, що вносяться відбивають фазовращателямі, а величина коефіцієнта відображення на входах 1 і 3 фазообертача дорівнює нулю.