Устройства РВК (стр. 7 из 13)
где
.Эффективная направленность (Dэфф), которая считается с учетом переотражений, при условии что НО нагружен на согласованную нагрузку. Эффективная направленность определяется как:
, (8.7)где ас – погрешность измерения КСВ;
Г3 – коэффициент отражения от нагрузки.
На практике известно, что реальное достижимое значение коэффициента отражения нагрузки составляет 0,02…0,03.
Зададимся значением Г3=0,025. Выберем КСВ – 1,05…6, ас – 0,02…0,1 и переходное ослабление С=20 дБ. Также известна рабочая частота f=9,38 ГГц. Зная переходное ослабление и погрешность измерения КСВ можно определить направленность. Таким образом были получены следующие значения направленностей: Dэфф=38,1 дБ и Dсоб=80 дБ.
Произведем расчет конструкции НО:
1. Выбираем значения частот f1=8,2ГГц и f2=12,5ГГц, находящиеся на границах рабочей полосы НО. По ним и по рабочей частоте fраб=9,38 ГГц рассчитываем значения длин волн:
λ=с/f, (8.8)
где с=3·108 м/с.
λ1=3·108/(8,2·109)=36 мм,
λ2=3·108/(12,5·109)=24 мм,
λраб=3·108/(9,38·109)=32 мм.
2. Определим соответствующие значения длин волн в волноводе:
λв=λ/√1-(λ/2·а)2, (8.9)
λв1=36/√1-(36/2·23)2=60,4 (мм),
λв2=24/√1-(24/2·23)2=28,1 (мм),
λвраб=32/√1-(32/2·23)2=58,2 (мм).
Таким образом λвср равна:
λвср=2·λв1·λв2/(λв1+λв2),
λвср=2·60,4·28,1/(60,4+28,1)=38,38 (мм).
3. Определим расстояние между центрами отверстий связи:
l=λвср/4, (8.10)
l=38,38/4=9,6 (мм).
4. По рассчитанной минимальной собственной направленности НО определяется количество отверстий связи:
N≥-Dmin/(20·lg(cos(2·π·l/ λвраб))+1, (8.11)
N≥-80/(20·lg(cos(2·π·9,6/32))+1=6 шт.
5. Далее определяется коэффициент передачи в прямом направлении:
K∑+=10-C/20, (8.12)
K∑+=10-20/20=0,1.
Коэффициент передачи для первого отверстия:
K1= K∑+/2N-1, (8.13)
K1=0,1/26-1=3,125·10-3.
Коэффициент передачи остальных отверстий:
Ki=(N-1)!·K1/((i-1)! ·(N-i)!), (8.14)
K2=(6-1)!·3,125·10-3/((2-1)! ·(6-2)!)=1,563·10-2,
K3=(6-1)!· 3,125·10-3/((3-1)! ·(6-3)!)=3,125·10-2,
K4=(6-1)!· 3,125·10-3/((4-1)! ·(6-4)!)=3,125·10-2,
K5=(6-1)!·3,125·10-3/((5-1)! ·(6-5)!)=1,563·10-2.
Таким образом, наибольшее значение Kmax=3,125·10-2.
6. Диаметры отверстий определяются из формулы:
K±=(π∙d3λв/12a3b) ∙Фм, (8.15)
где Фм = [1+Pm∙th(2∙t∙qm/d)]-1-[1+Pm∙cth(2∙t∙qm/d)]-1/, (8.16)
где Pm=1,729,
qm=0,92.
Таким образом, диаметры отверстий равны:
d1 = d6 = 3,30 мм,
d2 = d5 = 4,40 мм,
d3 = d4 = 6,30 мм.
радиоволновой диэлектрический волноводный
В прямоугольном волноводе, работающем на волне Н10, существуют две продольные плоскости х = const (рис. 8.4.1), параллельные узкой стенке волновода, где магнитное поле имеет круговую поляризацию. Эти плоскости находятся на расстоянии
от узких стенок волновода.Направление вращения вектора Н в каждом из указанных продольных сечений взаимно противоположно и зависит от направления движения волны по волноводу. Поместим в волноводе в одной из двух указанных плоскостей ферритовую пластинку, намагниченную перпендикулярно широкой стенке волновода (рис. 8.6). Если напряжённость постоянного магнитного поля выбрать равной или близкой к величине Нрез, то феррит поглощает мощность волны, создающей правополяризованное высокочастотное магнитное поле. Волна, распространяющаяся вдоль волновода в противоположном направлении (прямая волна, рис. 8.8), испытывает малое затухание. Серийно выпускаемые ферритовые вентили обеспечивают в полосе частот 10…15 % f0 затухание в прямом направлении не более 0,5 дБ, затухание в обратном направлении 20 дБ и имеют Kcт = 1,08…1,1 ( Kcт – коэффициент стоячей волны).
Рисунок 8.6 – Рассмотрение областей с круговой поляризацией магнитного поля волныН10 в различных сечениях прямоугольного волновода
Рисунок 8.7 – Эскиз конструкции резонансного вентиля
Рисунок 8.8 – Вентиль со смещением поля:
а – эскиз конструкции; б – распределение напряжённости электрического поля
Модулирующий отражатель представляет собой прямоугольный волновод с поперечными размерами (а=23 мм и b=10 мм), открытый конец которого плотно примыкает к исследуемому диэлектрическому образцу. Фазовая модуляция отраженной электромагнитной волны осуществляется с помощью металлической диафрагмы и модулирующего диода (p-i-n диода), встроенных в волновод. Другой конец волновода согласован на нагрузку (поглотитель).
Переключательный полупроводниковый диод — это полупроводниковый диод, предназначенный для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
Принцип действия переключательного диода основан на большом различии полного сопротивления СВЧ сигналу при прямом постоянном токе через диод и при обратном постоянном напряжении на диоде. Именно поэтому СВЧ тракт (волноводная, коаксиальная или полосковая линия), следующий за переключательным устройством с диодом, может быть либо открыт, либо закрыт для СВЧ сигнала. Например, в радиолокационных станциях с фазированными решетками, содержащими тысячи идентичных антенных элементов, переключательные диоды должны обеспечить подачу мощного СВЧ импульса на каждый элемент в определенные моменты времени. При этом мощные импульсы передатчика не должны попадать в канал чувствительного приемника.
Отсюда ясны основные требования к переключательным СВЧ диодам. Они должны с минимальными потерями пропускать СВЧ мощность в состоянии пропускания и не пропускать — в состоянии запирания, обладать большой допустимой мощностью рассеяния, большим пробивным напряжением, малой собственной емкостью и достаточно большой скоростью переключения.
Обобщенным параметром переключательного диода является критическая частота fкp, которая характеризует эффективность переключательного диода и определяется по формуле:
(8.17)где Сстр — емкость структуры; rпр — прямое сопротивление потерь (активная составляющая полного сопротивления диода) при определенном прямом токе смещения; rобр — обратное сопротивление потерь при определенном обратном напряжении смещения.
Для увеличения допустимой мощности рассеяния диода необходимо увеличивать площадь выпрямляющего электрического перехода, что влечет за собой увеличение барьерной емкости. Поэтому большинство переключательных СВЧ диодов имеет p-i-n-структуру, толщина p-n-перехода которой существенно увеличена из-за наличия между р- и n- областями слоя высокоомного полупроводника с собственной электропроводностью (рис. 8.9).
Практически p-i-n-структуру для переключательных СВЧ диодов формируют на исходном кристалле кремния с проводимостью, близкой к собственной, т. е. либо с небольшой концентрацией акцепторов (π-слой), либо с небольшой концентраций доноров (ν-слой). Энергетическая диаграмма, распределение примесей, плотность объемного заряда и электрического поля в p-i-n- и p-π-n-структурах показаны на рисунке 8.9. Методы формирования этих структур различны: вплавление и диффузия примесей, эпитаксиальное наращивание, ионное легирование.
Рисунок 8.9 – Диод с p-i-n-структурой (a), энергетическая диаграмма (б), распределение примесей (в), плотность объемного заряда (г) и напряженности электрического поля (д)
Диоды с p-i-n-структурой отличаются меньшей барьерной емкостью, которая к тому же очень слабо зависит от напряжения (особенно при больших концентрациях примесей в р- и n-областях). Практическая независимость емкости структуры от напряжения оказывается важным свойством переключательных диодов, так как изменение емкости с напряжением может вызвать дополнительные частотные искажения полезного сигнала.
Пробивное напряжение диодов с p-i-n-структурой достигает нескольких сотен вольт, что существенно превышает пробивное напряжение диодов с обычным р-п-переходом и с таким же уровнем легирования прилегающих областей.
Для переключательных СВЧ диодов некоторых марок (2А523А-4 и др.) максимально допустимая мощность, которую может рассеять диод в непрерывном режиме, равна 20 Вт. Такие диоды представляют собой бескорпусные приборы с жесткими выводами - кристаллодержателями - и защитным покрытием. Диаметр их 2 мм, длина 3,6 мм.
Переключательный СВЧ диод может работать при последовательном и при параллельном включении с линией передачи. В параллельной схеме при прямом смещении диод имеет небольшое сопротивление, шунтирующее линию, и большая часть СВЧ мощности отражается обратно. Таким образом, при параллельной схеме для переключения СВЧ тракта используют разницу в отражении, а не в поглощении. В самом диоде при этом поглощается незначительная часть падающей на него СВЧ мощности, что позволяет относительно маломощному прибору управлять десятками и сотнями киловатт импульсной СВЧ мощности.
Недостатком переключательных СВЧ-диодов с p-i-n-структурой является инерционность процесса рассасывания носителей заряда (электронов и дырок) из i-слоя при переключении диода c прямого направления на обратное, так как толщина i-слоя может составлять несколько десятков микрометров, а скорость движения носителей заряда ограничена.
Значительно большую скорость переключения можно получить при использовании диодов Шотки, изготовленных на основе арсенида галлия. Однако уровень переключаемой СВЧ мощности при этом на несколько порядков ниже, чем при применении переключательных СВЧ диодов с p-i-n-структурой.