Если в области эллиптически - поляризованного магнитного поля щелевой
линии разместить поперечно-намагниченный феррит, то можно создать
невзаимные устройства. В фазовращателях, изображенных на рис. 2 13,
использованы железо-итгриевые гранаты (ЖИГ). Такой фазовращатель создает
невзаимный фазовый сдвиг в 12 град/см. Наилучшие образцы фазовращателей
создавали фазовый сдвиг в 28 град/см. Соответственно для создания гиратора
(сдвиг 180°) длина фазовращателя должна быть равной 6,5 см.
[pic]
Конструкция компланарного волновода (рис 2 14) также удобна для
параллельного включения сосредоточенных элементов. Компланарный волновод
легко возбудить с помощью коаксиального перехода. При этом центральный
проводник коаксиальной линии 1 соединяется с центральной полоской волновода
2. Такие переходы имеют удовлетворительные характеристики в широкой полосе
частот.
На основе компланарного волновода также созданы невзаимные устройства.
Так, в компланарном резонансном вентиле ферритовые пластины размещены в
обеих щелях. Один из таких вентилей, выполненный на монокристаллической
рутиловой подложке, при частоте f 6 ГГц имел прямые потери 2 дБ и обратные
37 дБ. Общая длина вентиля 20 мм. Ширина центральной полоски 0,76 мм,
толщина подложки 0,63 мм. Ферритовые пластинки размером 0,25 ( 0,13 ( 15мм
размещены в щелях волновода.
Фазовые характеристики поля в компланарном волноводе, как и в щелевой линии, рассчитывают по приближенным формулам. Волновое сопротивление волновода выражается через погонную емкость Сn и фазовую скорость Vф:
[pic] (8) где [pic] Сn=(( + 1) (02a/b; a/b = k(n)/k( (n); n = a1/b1; [pic] k((n) = k(n(); k – полный элептический интеграл первого рода.
Значение волнового сопротивления при ( = 20, a1/b1 = 0.1 составляет примерно 50 0м.
Таковы основные параметры регулярных микрополосковых линий, которые являются элементной базой для построения сложных узлов СВЧ.
Делители мощности могут быть ненаправленными и направленными.
Ненаправленные делители используют для деления мощности на два канала
или для суммирования мощностей двух сигналы. Они представляют собой
тройники, т. е. шестиполюсные устройства. Как известно, шестиполюсные
устройства не могут быть согласованы одновременно со всех трех плеч.
Одновременное согласование со всех трех плеч приводит к развязке между
какими-либо плечами. Однако со стороны одного или двух плеч такие тройники
могут быть согласованы с помощью ступенчатых согласующих трансформаторов
(рис. 2.15). Выбирая закон изменения волнового сопротивления
трансформатора, можно обеспечить требуемую частотную характеристику
делителя. Наибольшее применение нашли чебышевская и максимально-плоская
характеристики. Расчет тройника включает расчет регулярной линии и
ступенчатого трансформатора.
Наибольшее применение в микрополосковой технике нашли направленные кольцевые делители мощности с развязывающим сопротивлением (рис. 2.16). Их применяют для разветвления и суммирования сигналов в системах питания фазированных антенных решеток (ФАР), мощных усилителях на транзисторах, в смесителях, переключателях и т. п.
[pic]
Значение волнового сопротивления кольца делителя с равным делением мощности равно [pic]. Развязывающее сопротивление R = 2Zo выполняется в виде поглощающей пленки. Длина полукольца [pic]. Типовые параметры делителя следующие: в полосе частот fmax/fmin = 1,4, Ксв ( 1,22, развязка выходных плеч более 20 дБ.
Кольцевые дели гели могут быть изготовлены и для неравного деления
мощности, Р1/Р2= п2. В одном из таких делителей (рис 2.16, б) длины
полуколец остаются равными четверчи длины волны в линии, а их волновые
сопротивления соответственно равны
[pic]
Отношение Р1/Р2 должно быть не более четырех. При большем соотношении мощностей делитель трудно согласовать с входными линиями.
Направленные ответвители и мостовые схемы. В микрополосковых линиях,
как правило, используют направленные ответвители с распределенной связью.
Ответвители этого типа (рис. 2.17) являются противонаправленными, т. е. у
них отсутствует связь между плечами 1—4 и 2—3. Исходной величиной для
расчета ответвителя является переходное затухание с [дБ] = 10 lg P1/P2. По
этой величине рассчитывают сопротивление связи и геометрические размеры
полосок.
[pic]
Из мостовых схем в микрополосковой технике наибольшее распространение получили шлейфные мосты (рис. 2.18) и гибридные кольца (рис. 2.19).
В простейшем случае двухшлейфного моста, называемого квадратным мостом, волновые сопротивления вертикальных плеч равны
Zo, а горизонтальных Z1 = Zo/sqr(2). Для расширения полосы рабочих частот и изменения степени деления мощности в выходных плечах применяют многошлейфные схемы. Устройство и принцип работы микрополоскового гибридного кольца такие же, как и у гибридного кольца на других типах линий.
[pic]
Для уменьшения габаритов мостовых схем и кольцевых делителей в микрополосковом исполнении в метровом и дециметровом диапазонах можно выполнять на сосредоточенных L-, С- элементах. На центральной частоте четвертьволновому отрезку линии эквивалентны П- или Т- звенья фильтров нижних (ФНЧ) или верхних (ФВЧ) частот (рис. 2.20), если элементы ФНЧ, например, выбраны из условий
[pic] (9)
Возможны различные варианты построения схем на сосредоточенных элементах. Кольцевой делитель, например, может быть реализован в соответствии со схемами, представленными на рис. 2.21.
Как видно из рис. 2.22, частотные зависимости делителей на
сосредоточенных элементах выражены сильнее, чем зависимости делителей на
отрезках линий. Однако в полосе 10% Ксви< 1,1, переходное затухание C31 (
3,05 дБ, развязка плеч С23 >= 25 дБ. Следовательно, в этой полосе частот
делители (сумматоры) на сосредоточенных элементах могут заменять схемы из
отрезков линий.
В микрополосковых устройствах широко используют частотно-избирательные
фильтры. ФНЧ обычно имеют ступенчатую структуру. Полосовые фильтры
(ППФ.ПЗФ) выполняют на резонансных отрезках линий, связанных
электромагнитной и кондуктивной связью. Строгая теория фильтров на
микрополосковой линии отсутствует. Следовательно, и расчет фильтра будет
приближенным. Экспериментальная настройка микрополоскового фильтра
чрезвычайно затруднена из-за малых размеров всех элементов.
Кроме того, относительно высокие потери в микрополосковой линии не позволяют изготовить очень узкополосные фильтры. В последние годы исследуются вопросы построения узкополосных фильтров из диэлектрических резонаторов с полосой пропускания порядка 0,1%. Однако пока еще остается нерешенной проблема стабильности частотных характеристик таких фильтров из- за больших значений температурных коэффициентов емкости материалов с высокой диэлектрической проницаемостью.
Управление амплитудой и фазой СВЧ сигналов.
В современных радиотехнических системах широко применяют устройства управления амплитудой (многоканальные переключатели, аттенюаторы, амплитудные модуляторы, ограничители) и фазой (фазовращатели) СВЧ сигнала.
Для этих целей используют СВЧ диоды. Управляющий СВЧ диод может включаться в линию последовательно или параллельно.
В микрополосковую линию бескорпусные диоды обычно включают параллельно.
Принцип работы многоканального переключателя (рис. 2.22) заключается в
том, что при подаче положительного смещения диод открывается, его
сопротивление становится намного меньше Z0 и линия в этом сечении
шунтируется диодом. Подводимая мощность отражается от этого сечения линии.
Если же на диод подать отрицательное смещение, то он закрывается, его
сопротивление становится большим и не шунтирует линию. В диоде поглощается
небольшая доля переключаемой мощности. Это позволяет выполнять
переключатели для относительно большой мощности на маломощных приборах.
Если эта мощность мала (менее 1 Вт), то можно применять СВЧ диоды различных
типов: варакторы, туннельные диоды и др. Если же уровень мощности превышает
1 Вт, то пригодны только р—i—n - диоды, способные рассеять до 10 Вт средней
мощности. Необходимо отметить, что вносимые потери в переключателе в режиме
пропускания LП и запирания LЗ связаны зависимостью
[pic] где Rmax, Rmin — сопротивления диода при подаче отрицательного и положительного смещения соответственно, К — качество р—i — n-диода.
Обычно переключатели разрабатывают на максимальный уровень
переключаемой мощности. В этом случае режим работы переключателя
целесообразно выбрать таким, чтобы в положениях «включено» и «выключено» в
диоде поглощалась одинаковая мощность. При этом в диоде поглощается около
6% коммутируемой мощности. Потери в режиме «включено» составляют 0,5 дБ, в
режиме «выключено» 26...28 дБ. Если требуется увеличить вносимые потери в
режиме «выключено», вдоль линии можно установить несколько диодов на
расстоянии четверти длины волны. Мощность управления одним р—i—n - диодом
составляет 0,03...0,1 Вт.
Если нужно уменьшить мощность управления (например, при большом числе диодов), можно применить варакторы МДП. У этих приборов при изменении напряжения смещения изменяется емкостная проводимость. Ток утечки в них не превышает 10-14 А, из за чего требуемая мощность управления существенно уменьшается.
На основе одноканального переключателя созданы электрически управляемые аттенюаторы. В них напряжение смещения диода плавно изменяют в пределах ±Uсм При этом вносимое затухание изменяется в пределах 0,5...28 дБ.
Если в линию включить варактор или диод с барьером Шоттки без внешнего
смещения, то на нем за счет проходящего сигнала поддерживается постоянное
напряжение порядка 1 В, т. е. происходит амплитудное ограничение сигнала.
Такие схемы используются в РЛС для защиты входных цепей приемников и в ЧМ
приемниках для устранения паразитной амплитудной модуляции.
Переключающие свойства р—i—n -диодов используют длч создания
дискретных микрополосковых фазовращателей (рис. 2.23). Такие фазовращатели
для упрощения управления ими строят in принципу двоичной разрядности
(первый разряд обеспечивает изменение фазы на величину ((, второй — на 2
((, третий — на 4 (( и т. д.).
На рис. 2,24 показаны 3 схемы одного разряда микрополосковых фазовращателей. В схеме, приведенной на рис. 2.24, а, изменение фазы обеспечивается переключением отрезков линии разной длины. В фазовращателе, изображенном на рис. 2.24, б, используются свойства моста (как правило, это микрополосковый квадратный мост).
В шлейфном фазовращателе (рис. 2.24, в) фаза изменяется за счет того, что с помощью диода на конце шлейфа создается режим короткого замыкания или холостого хода. При этом изменяется характер сопротивления, включенного в линию. Такой фазовращатель может давать любые дискретные значения фазы, кроме 180°. При значении фазы, близком к 180°, требуются слишком большие волновые сопротивления шлейфов, и их невозможно реализовать.
[pic]
Достоинство полупроводниковых дискретных фазовращателей заключается в том, что точность установки фазы определяется не уровнем управляющего напряжения, а только фактом его наличия. Этим самым снижаются требования к управляющему устройству.
Современные ФАР требуют трех- или четырехрядных фазовращателей (Дф =
45 или 22,5°). Трехразрядный фазовращатель Х-диапазона имеет потери порядка
1,5 дБ.
Интегральные СВЧ ферритовые приборы.
В технике СВЧ широко применяются ферритовые устройства. Это объясняется тем, что феррит является практически единственной освоенной в производстве средой с управляемым параметром (, обладающей невзаимными свойствами. Попытки создать аналогичные приборы на магнитной плазме и сегнетоэлектриках хороших результатов пока не дали.
Переход к интегральному исполнению этих устройств представляет большой интерес. Трудность построения ферритовых приборов на микрополосковой линии связана с тем, что в ней магнитное поле линейно поляризовано. Для создания же невзаимных приборов требуется круговая или близкая к ней поляризация магнитного поля. Потому не все ферритовые СВЧ приборы можно выполнить в микрополосковой конструкции.
Наиболее разработаны мостовые трехплечие микрополосковые Y-циркуляторы
(рис. 2.25). Одна из конструкций микроциркулятора выглядит следующим
образом. На заземленное основание укладывается ферритовая подложка толщиной
0,6 мм. Центральная полоска шириною 0,064 мм напыляется на феррит. В центре
120°-ного разветвления полосковой линии напыляется металлический диск
диаметром 0,58 мм. Постоянный магнит имеет диаметр, несколько больший
диаметра центрального металлического диска. Таким образом, намагничивается
только часть феррита непосредственно в области разветвления. Прямые потери
в таком циркуляторе Х - диапазона не превышают 0,6 дБ, развязка плеч не
менее 20 дБ.
При включении в одно плечо циркулятора согласованной нагрузки он превращается в вентиль.
4. Активные СВЧ устройства
СВЧ полупроводниковые приборы.
СВЧ устройства в гибридном исполнении с полупроводниковыми активными элементами используют в основном в маломощных трактах радиопередающих устройств и в приемных трактах радиоэлектронной аппаратуры в качестве генераторов, модуляторов, усилителей и преобразователей.
К наиболее употребительным в настоящее время активным
полупроводниковым элементам СВЧ можно отнести транзисторы и диоды с
отрицательным сопротивлением разных типов. Кроме того, применяют диоды,
имеющие нелинейную зависимость емкости р—n - перехода от напряжения,
например параметрические диоды, варакторы и диоды с накоплением заряда
(ДНЗ). За исключением параметрических усилителей и генераторов, устройства
с нелинейной емкостью не обладают активными свойствами. Это пассивные
умножители СВЧ, а также устройства для амплитудной, частотной и фазовой
модуляции.
Рассмотрим кратко свойства СВЧ устройств, построенных на активных и нелинейных пассивных элементах.
Усилители СВЧ мощности на транзисторах применяют в метровом и
дециметровом диапазонах при выходных мощностях от сотен ватт (в метровом
диапазоне) до единиц и долей ватта на длинноволновой границе сантиметрового
диапазона. Широкополосность таких усилителей составляет 10...15%.
Коэффициент усиления от 20... ... 25 дБ в длинноволновом участке указанного
диапазона, до единиц децибел в коротковолновой части этого диапазона.
К.П.Д. = 15... ...50%, что заметно больше, чем у усилителей мощности,
построенных на других полупроводниковых активных элементах СВЧ.
На транзисторах строят малошумящие усилители СВЧ вплоть до сантиметрового диапазона волн при коэффициенте усиления 20...30 дБ и коэффициенте шума 5...8 дБ. Кроме того, на транзисторах выполняют автогенераторы в диапазоне от метровых до сантиметровых волн как с механической, так и с электронной перестройкой частоты. В таких автогенераторах, как правило, используют внешние цепи обратной связи, что усложняет их по сравнению с диодными генераторами. К основным достоинствам транзисторных устройств СВЧ следует отнести повышенное значение К. П. Д. и обеспечение однонаправленных свойств усилителей без введения дополнительных невзаимных элементов.
Генераторы и усилители на диодах с отрицательным сопротивлением
используют главным образом в сантиметровом и миллиметровом диапазонах.
Принцип действия таких устройств основан на компенсации сопротивления
потерь колебательной системы (с учетом сопротивления, вносимого нагрузкой)
отрицательной активной составляющей полного сопротивления диода. При полной
компенсации потерь в генераторе устанавливаются автоколебания. При
частичной компенсации потерь происходит регенеративное усиление внешних
колебаний. Для получения автоколебаний в диодном генераторе не требуется
внешних цепей обратной связи. Регенеративные усилители не обладая
однонаправленными свойствами, требуют использования невзаимных устройств,
например, циркуляторов.
В диодных генераторах и усилителях СВЧ используют диоды с различной
природой образования отрицательного сопротивления, а именно: лавинно-
пролетные диоды (ЛПД), диоды с переносом электронов (ДПЭ), туннельные диоды
(ТД).
На ЛПД строят генераторы с выходной мощностью единицы ватт в сантиметровом диапазоне и сотни милливатт в миллиметровом. Широкому применению усилителей на ЛПД препятствуют неудовлетворительные шумовые характеристики, обусловленные лавинным механизмом генерирования носителей заряда в этих диодах. Генераторы на ДПЭ в 3...10 раз уступают по мощности генераторам на ЛПД, однако ДПЭ характеризуются несколько лучшими, чем ЛПД, шумовыми свойствами: коэффициент шума усилителей на ДПЭ 10...15 дБ. Оба типа генераторов имеют приближенно одинаковый к. п. д., измеряемый единицами процентов.
Туннельные диоды применяют в малошумящих усилителях дециметрового и
сантиметрового диапазонов. Коэффициент усиления таких усилителей составляет
10...20 дБ при коэффициенте шума 5...7 дБ. Использованию ТД в генераторах и
мощных усилителях СВЧ препятствует малое значение рабочего напряжения на
диоде (доли вольта), что вызывает необходимость увеличивать ток диода для
увеличения мощности. В режиме больших токов и малых напряжений при М-
образной вольт-амперной характеристике трудно обеспечивать устойчивость
цепи питания ТД. Устойчивость цепи питания используемых на практике
источников может быть обеспечена только при рассеянии существенной части
мощности источника в стабилизирующем резисторе, а следовательно, при
значительном снижении К. П. Д. генератора.
Наилучшими шумовыми свойствами по сравнению с рассмотренными обладают
полупроводниковые параметрические усилители, коэффициент шума которых
порядка 0,5...3 дБ. Усилители на параметрических диодах применяют в
диапазоне от дециметровых до миллиметровых волн с коэффициентами усиления
15...40 дБ. В генераторах накачки параметрических усилителей могут быть
использованы ЛПД и ДПЭ. К стабильности частоты, уровню мощности и
спектральным характеристикам таких генераторов предъявляют жесткие
требования.
Умножители СВЧ на варакторах и ДНЗ применяют обычно для умножения частоты колебаний транзисторных усилителей мощности. С помощью таких транзисторно-варакторных цепочек получают колебания в коротковолновой части дециметрового диапазона и в сантиметровом диапазоне с удовлетворительными для многих практических применений значениями мощности и к. п. д. На выходе варакторных умножителей, работающих с запертым р — n - переходом, могут быть получены колебания миллиметрового диапазона. Как уже отмечаясь, такие умножители не имеют усилительных свойств, коэффициент передачи по мощности у них всегда меньше единицы и тем меньше, чем больше коэффициент умножения.
Особенности гибридных устройств СВЧ с активными и нелинейными элементами.
Полупроводниковые активные элементы СВЧ в настоящее время не могут
быть выполнены интегрально с остальными элементами СВЧ устройства.
Устройства СВЧ с полупроводниковыми элементами состоят из электромагнитных
систем СВЧ, выполненных по тонкопленочной технологии, и навесных
полупроводниковых приборов в обычном или бескорпусном исполнении, т. е
являются гибридными. Основной задачей в этом случае является миниатюризация
устройства. Малые размеры активных полупроводниковых элементов и
ограниченность электронного К. П. Д. приводя к чрезмерной локализации
тепловыделения и необходимости применять в случае больших мощностей
рассеяния эффективные теплоотводы и устройства охлаждения, ограничивающие
степень миниатюризации.
