Ограничитель мощности

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных устройствах СВЧ-диапазона . Целью изобретения является увеличение верхнего предела допустимого уровня входной мощности, надежности и избирательности. Ограничитель содержит электромагнитно связанные четвертьволновые бтрезки линии передачи 1, диоды 5. При уровнях мощности ниже порога ограничения диоды 5 закрыты, и мощность СВЧ проходит со входа на РЫХОД. При увеличении мощности диоды последовательно в зависимости от величины связи с отрезками линии передачи открываются и отражают мощность, превышающую пороговую , между диодами равномерно, что обеспечивает работу ограничителя при повышенном уровне мощности. 2 ил. g

СОК)3 СОВЕТСНИХ

ОИ

РЕСПУБЛИН

А1

09) (111

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Г ОСУДАРСТ1 ЕНН 1й HOMME T

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

К АВТОРСИОММ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4766536/09 . (22) 05.12.89 (46) 30.05.92. Вюл. 20 (71) Ленинградский научно-исследовательский радиотехнический институт (72) В.И.Недера и Л.Н.Швецов (э3) 621.372,852{088.8) (56) А.В.Вайсблат. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диорах. И.: Радио и связь, 1987, с. 73-74.

Авторское свидетельство СССР

М 1592883, .кл. H 01 P 1/15, 09 03.8 . (54) ОгРАйичитель мощности (57) Изобретение относится к радио-: технике и может быть использовано в радиоприемных устройствах СВЧ-диаПредлагаемое устройство относит ся к радиотехнике и может быть исполь. зовано в радиоприемных устройствах

СВЧ-диапазона.

Известны ограничители мощности

1-6j, предназначенные для защиты радиоприемных устройств СВЧ от попа" ния на их вход сигнала (помехи), уровень которого может вывести иэ строя первые каскады радиоприемника.

Подобные устройства могут быть по.строены по схеме с внешним управлением P, 2, 3), причем велйчина проходящей мощности и быстродействие устройства определяются схемой управления. Основным недостатком таких схем является - еэффективность работы при воздействии случайной импульсной помехи., 2 пазона. Целью изобретения является увеличение верхнего предела допустимого уровня входной мощности, надежности и избирательности. Ограничитель содержит электромагнитно связанные. четвертьволновые отрезки линии передачи 1, диоды 5. При уровнях мощности ниже порога ограничения дио-. ды 5 закрыты и мощность СВЧ проходит со входа на выход. При увеличении мощности диоды последовательно в зависимости от величины связи с отрезками линии передачи открываются и отражают мощность, превышающую пороговую, между диодами равномерно, что обеспечивает работу ограничителя при повышенном уровне мощности. 2 ил.

Пассивные СВЧ-ограничители мощности с самоуправлением (4, 5, 6) свободны от укаэанного недостатка. Од" нако для уменьшения уровня выходной мощности при одной и той же входной мощности помехи необходимо установить в тра кт передачи несколько огра ничительных диодов, при этом первым от входа: устанавливается наиболее мощный диод (с наиболее толстой базой), а на, выходе - с более тонкой базой °

Основным недостатком таких ограничителей является низкая эффективность использования диодов: так, чем боль". ше требуется ослабление сигнала, тем больше в тракт передачи СВЧ-энергии устанавливается диодов. Увеличение числа диодов увеличивает,лиссипативные и недиссипативные потери на

Т7

37572 входе приемника и, соответственно, увеличивает коэффициент шума всего радиоприемника, что является недостатком . б

Наиболее блиэкйм по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство принятое в качесгее орототииа (бб) и соаериаиее N диодов, первые электроды которых заземлены, входной и выходной отрезки полосковой линии передачи, И параллельно расположенных и злектромагнитно связанных между собой четвертьволновых полосковых резонаторов, одни концы которых заземлены (соедине" ны с земляной пластиной), а -другие концы соединены соответственно с вторыми электродами М диодов, причем

1 6.N @P. Первый и последний .из И четвертьволновых полосковых резонаторов соединены соответственно с входным и выходным отрезками полосковой линии передачи.

Ограничитель мощности, принятый за прототип, работает следующим образом. Принимаемый сигнал поступает на входной отрезок полосковой линии передачи и через злектромагнитносвязанные четвертьволновые полосковые резонаторы проходит на выходной отрезок полосковой линии передачи. При мощности сигнала ниже пороговой диоды остаются закрытыми и сигнал проходит с входного отрезка полосковой линии передачи на выходной отрезок полосковой линии передачи без ослабления. При подаче на входной отрезок полосковой линии переда4и сигнала, мощность которого превыша" ет пороговую, прояолимость диодов увеличивается, в результате чего мощность, близкая по величине к пороговой, поступает на выходной отрезок полосковой линии передачи, а осталь-, t ная мощность отражается либо рассеивается на диодах, тем самым осуществляется ограничение мощности.

Рассмотрим особенности работы устройства в режиме ограничения мощно" сти, При мощности сигнала (помехи) выше пороговой в рабочей полосе частот на входе ограничителя мощности проводимость диодов 5 резко увеличивает.ся и четвертьволновые разомкнутые на конце отрезки линии передачи 1 оказываются подключенными к земляной аине с двух концов.

Такая структура обладает параэитными полосами пропускания. Если од-. новременно на входе ограничителя мощ. ности присутствует вторая помеха в диапазоне параэитных полос пропускания, то вторая помеха будет передаваться на выход ограничителя мощности с малым ослаблением, что может щ привести к выходу из строя входных каскадов радиоприемного устройства, на входе которого устанавливается ограничитель мощности.

Таким образом, работа прототипа в условиях взаимодействия помех малоэффективна, что является недостатком прототипа.

Другой .недостаток прототипа обу" словлен тем, что при установке диоя дов на концах четвертьволновых резонаторов мощность, рассеиваемая на первом диоде от входа ограничителя мощности, будет максимальной. Это ограничивает максимально допустимый у уровень сигнала (помехи), подаваемого на вход ограничителя мощности.

Тем самым ограничивается, с одной стороны, динамический диапазона по уровню входного сигнала, а с другой Е стороны, надежность устройства, поскольку надежность такого устройства определяется в первую очередь на.дежностью nepaoro, наиболее перегруженного диода.

Целью данного изобретения являет ся увеличение верхнего предела допустимого уровня мощности, повышение надежности и избирательности при воздействии помех. При этом под повыше40нием избирательности понимается увеличение потерь в параэитной полосе пропускания.

Поставленная цель достигается за счет того, что в ограничителе мощности, содержащем И диодов, первые электроды которых соединены с общей ши ной, а каждые вторые соединены с одним из M четвертьволновых полосковых Е резонаторов, которые расположены параллельно, электромагнитно связаны и первые концы котерых соединены с общей шиной, причем И М = 1, а первый и последний из M четвертьволно- вых резонаторов являются соответстб венно входом и выходом ограничителя мощности, точки соединения диодов с соответствующими резонаторами смещены относительно их вторых концов на

5 1737572 6 расстояние 1 1 где i = 1...

141

N-1.

Как показал анализ, отличительные существенные признаки являются новыми. Совокупность существенных признаков обеспечивает получение положительного эффекта и в известных науке и технике решениях не обнаружена.

Это позволяет сделать вывод, что иэобретение соответствует критерию

"существенные отличия".

На фиг, 1 приведена схема предложенного ограничителя мощности на базе согласно включенных четвертьволновых связанных резонаторов; на фиг.2 - то .же, на базе встречно включенных четвертьволновых связанных резонаторов.

Ограничитель мощности (см.фиг.1, 2) состоит из M четвертьволновых отрезков линий пер дач 1, составляющих систему электромагнитно-связанных резонаторов, одни концы которых соединены с земляной пластиной 2 непосредственно. Первый и последний из четвертьволновых резонаторов соединены с входным 3 и выходным 4 отрезками полосковой линии передачи и являются входом и выходом ограничителя мощности. Ограничитель мощности содержит также Ъ диодов 5 (где M N « 1), первые электроды которых заземлены, а вторые электроды соединены с соответствующими четвертьволновыми резонато.рами 1, причем точка подключения второго электрода каждого i-го диода 5, начиная с первого (i = 1) от входа ограничителя мощности диода, расположена на плоскости резонатора на расстоянии 1; > 1;+,, где i = 1,...,N-1, от неэаземленного конца резонатора.

Ограничитель мощности работает следующим образом.

Принимаемый сигнал поступает на входной отрезок 3 полосковой линии передачи и через электромагнитносвязанные четвертьволновые отрезки линии передач 1 (четвертьволновые йолосковые резонаторы) проходит на выходной отрезок 4 полосковой линии передачи. При уровнях мощности сиг" нала. ниже порога ограничения диоды 5 остаются закрытыми и сигнал проходит с входного отрезка 3 полосковой

1 линии передачи на выходной отрезок

4 полосковой линии, при этом ограничитель выполняет функции полосового фильтра и осуществляет селекцию сигналов в рабочей полосе частот. При подаче на входной отрезок полосковой линии передачи мощности

5 сигнала превышающей пороговую, проФ водимость диодов 5 увеличивается, в результате чего мощность, близкая по величине к пороговой, поступает на выходной отрезок 4 полосковой линии передачи, а остальная мощность отражается либо рассеивается на диодах 5. Таким образом, при уровнях. входной ("падающей") мощности выше пороговой устройство выполняет функции ограничителя мощности.

При уровнях падающей мощности ниже пороговой, когда устройство выполняет функции полосового фильтра, влиянием диодов 5 можно пренебречь.

20 При этом условии рассчитываются геометрические размеры устройства.

Геометрические размеры устройства, т.е. геометрические размеры четвертьволновых отрезков линии передач и

25 ра стояния между ними, рассчитываются исходя иэ требуемых параметров амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра, например, с помощью пакета прикладных программ ПРАМ-0,3

З0 на EC ЭВМ.

Для того чтобы устройство выполняло функции ограничителя мощности в

l нем установлены диоды. Для увеличения верхнего предела допустимого уровня мощности, повышения надежноЗ5 сти и избирательности при воздействии помех в предложенном устройстве диоды своими вторыми электродами подключены не к концам четвертьволно40 вых полосковых резонаторов, что имеет место в прототипе, а к точкам, расположенным на плоскостях резонатоРов, при этом для каждого i-ro диода, начиная с первого (i = 1) от входа ограничителя мощности диода, эти точки расположены на расстоянии

1; 1;+,, где i: = 1,...,N-1 от незаземленного конца резонатора.

Получение указанного эффекта при таком подключении диодов можно пояснить следующим.

При падающей мощности сигнала Р., ". l на входе ограничителя больше пороговой .часть мощности отражается от первого ре., эон.—,тора, часть мощности рассеивает= ся на диоде, а оста.вшаяся часть мощности передается на второй резонатор, и в свою очередь, разделяется

>?3 7572

8 (2) 5

t5

20 сти.

2"7 nag

Ррас ,на три составляющие аналогичным образом. При прохождении отраженной волны также происходит рассеивание и передача мощности.

Рассмотрим ограничитель-прототип, содержащий N одинаковых открытых диодов, установленных на неэаземленных краях К одинаковых четвертьволновых резонаторов. Допустим, что мощность Р „;, отраженная от i-го резонатора, равна мощности Рра,, рассеиваемой на соответствующем -м диоде, и равна мощности, передаваемой на (i+3)-й резонатор. Тогда, на-пример; для ЯЗ получим, что мощност,ь, рассеиваемая на каждом i-м диоде, будет равна рас, 3 зов 27 ПСА 2 3

1 Р

Pac g 9 пОД fl ЯвА

Такое распределение рассеиваемой мощности на диодах справедливо для иде" . ализированного прототипа, однако оно позволяет показать, насколько силь" но различаются- мощности, рассеиваемые на первом и последующих диодах в прототипе, что обуславливает снижение динамического диапазона и надеж ности, В отличие от прототипа в предложенном устройстве обеспечивается уменьшение различий в мощностях, рассеиваемых на диодах. Укаэанное вы" равнивание мощностм.обеспечивавтся подключением диодов к точкам, распо» ложенным не на концах резонаторов, как в прототипе, а к точкам, расположенным на плоскости (на "теле") ре зонаторов. При этом используется тот Факт, что при прохождении СВЧэнергии через рассматриваемую систему связанных резонатором в конце каждого четвертьволнового отрезка линии передач, который соединен непосредственно с земляной пластиной, будет минимальное значение напряженности электрического гюля, а в противоположном его конце - максимальное. 6 промежуточной точке, расположенной в резонаторе (с i-м диодом) иа расстоя-" нии 1 от незаэемленного его края, 1 напряженность поля будет равна где — добротность резонатора, Pza>- падающая мощность;

- волновое сопротивление резонатора, ф - длина волны., Из выражения (2), видно, что чем больше расстояние 1; от незаземленного конца резонатора, на котором устанавливается i-й диод, тем меньше рассеиваемая на диоде мощность. поскольку в предлагаемом устройстве выполняется условие 1; ) 1;, то в устройстве обеспечивается более равномерное, чем в прототипе, распределение рассеиваемой мощности между диодами. Тем самым увеличивается максимально допустимый уровень входной мощности и одновременно повышается надежность всего ограничителя мощноВыражение (2) можно использовать для приближенного определения 1, например, в случае одновременного .срабатывания диодов при достижении

39 пороговой мощности.

В реальных ограничителях мощности распределение электрических полей значительно сложнее, чем описано выше, оно зависит от структуры, геометрических размеров резо" наторов, расстояния между ними, материала подложки и многих других, в том числе нелинейных, параметров диодов, поэтому практически опреде, ленке местоположения точек включения диодов 1; в ограничителе целесообразно производить с помацью

ЭВИ, например, с помощью пакета прикладных программ ПРИМ-0,3 на ЕС ЭВИ, которая позволяеть учитывать указанные факторы.

Точка подключения диода к резонатору определяет резонансные свойства резонатора при уровнях входной щ мощности выше пороговой. При предложенном подключении диодов уменьшается, по сравнению с прототипом, .электромагнитная связь между резо" наторами, что приводит к уменьшению коэффициента передачи в "паразитной" полосе частот при входной мощности, большей пороговой. Тем самым повышается избирательность ограничителя мощности при воэдеиствии помех.

15 0

9 1

С пра ведли вост ь сказанного подтверждается примером расчета частотных характеристик прототипа и предложенного устройства на ЭВМ EC-1046 с. помощью пакета прикладных программ

ПРАМ-0,3 для следующих условий:

Диапазон рабочих частот, ГГц 1,2-1,3

Неравномерность

АЧХ в рабочей полосе частот, д6, не более 1,0

Материал подложки поликор

Толщина токопроводя" щего слоя меди, мм 5,0 10

Экран удален от подложки на расстояние, мм

Входное и выходное сопротивление ограничителя мощности, Ом 50,0

Количество диодов 3

Количество резонаторов 3

3-i i3

Закон изменения 2 8

Расчет показал, что в предложенном устройстве коэффициент передачи в "паразитной" полосе частот (2,352,550 ГГц) на 10 дБ меньше, чем в ограничителе-прототипе.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройЧтвв, по сравнению .с прототипом, определяется увеличением верхнего предела допустимого .уровня мощности входного сигнала за счет более, равномерного рас" пределения рассеиваемой мощности между -диодами, что позволяет испольвовать диоды одного типа, одновременно увеличивается надежность всего устройства.

Кроме. этого, в предлагаемом ограничителе повышается избирательность

73 7572 при воздействии помех за счет.пИеллагаемого включения диодов и изменения в результате этого резонансных свойств, что позволяет уменьшить, по сравнению с прототипом, прохождение на выход ограничителя мощности помех в "паразитной" полосе частот .(на 10 дб) и предохранить or выго6 рания первые каскады радиоприемного устройства, на входе которого устанавливается ограничитель мощности. указанные преимущества предлагаемого технического решения делают целесообразным использование данного технического решения в радиотехнических системах различного назначения.Г

2О ф .формула изобретения

Ограничитель мощности, содержащий

И диодов, первые электроды которых соединены с общей шиной, а каждый

2$ второй соединен с одним из И четвертьволновых полосковых резонаторов

У которые расположены параллельно, электромагнитно связаны и первые концы которых соединены с общей шиЗ0 ной, причем H N> t, а первый и последний из И четвертьволновых рвзонаторов являются соответственно входом и выходом ограничителя мощности, о т л и ч а ю щ и М с я тем, . что, с целью, увеличения верхнего предела допустимого уровня мощности, повышения надежности и избирательности при воздействии помех, точки соединения диодов с соответствующими ре»

® зонаторами смещены относительно их вторых концов на расстояние 1; > 1;+, где i !...И-1.

4-4

Составитель Л.Швецов

Редактор,.T.Орловская Техред А.Кравчук Корректор А.Обручар .

- ювеюaae «еюеаеюевиюаеаеава@еевеаееФЕВЕааеаюЕеюеавеююа «еюваэевеме дюю» е е

Заказ 1898 Тираж Подписное

ВЙЙИПИ Государственного ко аИета ао изобретенными и открытиям нри ГКНТ СССР

133035э Иаскваэ Ж-35» Раун@как наб. ° д. 4/5

Производственно-иэдатеаъский комбинат "Патент", г. йюород, ул. Гагарина, 301