(в токоведущих проводниках) или параллельно лини и передачи СВЧ мощности. Переключательные p-t-n-диоды характеризуются следующими основными параметрами: емкостью диода, которая в значительной мере определяет частотный диапазон эффективного использования диода; сопротивлением обесточенного диода, которое характеризует

начальные потери СВЧ Таблица 11 МОЩНОСТИ, вызванные наличием диода в передающей линии; сопротивлением диода при протекании через него управляющего тока, изменение этого сопротивления меняет потери, вносимые диодом в линию; временем переключения диода, которое характеризует длительность нестационарного режима при переходе диода из токового режима в бестоковый или наоборот, иногда быстродействие уР-1-п-диода характеризуется также величиной накопленного заряда в высокоомной области диода; максимально допустимой мощностью рассеяния, при которой температура диода не превышает пре-

Время восстановления 45 мкс.

Сбет

Рис. 6.2. Сосредоточенный и распределенный элементы, использующие явление фотоинжекцин:

а - включение сосредоточенного элемента в МПЛ (Л/ - последовательное, Р - параллель, иое): 6 - распределенный элемент, представляющий собой отрезок токоведущего проводника (например, четвертьволновой шлейф); в - распределенный элемент - часть подложки; 1 -

элементы

дельного значения. В табл. И приведены основные параметры p-i-n. диодов.

Фотоиншщия является перспективным направлением в развитии управляющих устройств СВЧ. Под действием света в объеме высоко-омного полупроводника образуются электронно-дырочные пары и переход в проводящее состояние происходит там, где поглощаются фотоны. Основное преимущество этого метода получения плазмы и перевода полупроводника из диэлектрического в электропроводное

состояние заключается в том, что он не требует контакта с полупроводниковым материалом. Оптоэлектронное управление устройств СВЧ особое развитие получит в процессе усовершенствования и удешевления инжекционной лазерной техники, создания долговечных лазерных полупроводниковых диодов (ЛПД) на основе гетеропереходов. Элементы, использующие явление фотоинжекцин носителей, позволят увеличить скорость переключения (уменьшить время срабатывания) устройства и увеличить широкополосность. Эти полупроводниковые (из кремния, арсенида галлия и т. д.) управляющие элементы могут быть как сосредоточенными и включаться в линии передач ана-логично^э-г-п-диодам (рис. 6.2, а), так и распределенными и представлять собой составную часть либо токоведущих проводников (рис. 6.2, б), либо подложки (возможно и подложку в целом) (рис. 6.2, в) [103]. Управляемый сигнал подается в схему питания источника света, фотоны которого, падая на полупроводниковый высокоомный (р 0,1 кОм м) элемент, выполненный в виде нанесенной на поверхность диэлектрической подложки полупроводниковой пленки [148] или образца монокристалла, переводят его в проводящее (световое с р <0,1 Ом м и значительно менее) состояние. В качестве источника света для распределенных элементов можно использовать лампы различных типов и лазеры, а для сосредоточенных - только лазеры и, в особенности, инжекционные лазерные диоды.

3. МАТШАтЧЕСтЙ АППАРАТ для РАСЧЕТА УСТРОЙСТВ НА СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

При анализе управляющего устройства возникают две задачи выбора: 1) типа и конструкции устройства и способа включения в него полупроводникового элемента; 2) математической модели цепи, дающей достаточно точное и

удобное описание каждого .-

элемента СВЧ устройства. Существенную роль при расчетах параметров управляющих устройств играют матрицы параллельного или последовательного включений управляемого элемента в линию передачи (рис. 6.3). Матрица рассеяния для параллельного включения элемента имеет вид

2+Y 2 + Y

-о

а

Рнс. 6.3. Схема параллельного (а) н последовательного (б) включения управляемого элемента в лннню

[5] =

(6.1)

где нормированная проводимость активного элемента Y - у1у(\ г/о - характеристическая проводимость линии; у = G + jB - комплексная проводимость управляющего элемента.

Из матрицы (6.1) следует, что комплексный коэффициент отражения четырехполюсника с параллельным включением элемента, согласованного с обеих сторон,

- У/Уо

2 + У/У

а комплексный коэффициент передачи

Si2 - -

2 + У/Уо 2 + К

Определим модуль и аргумент комплексных коэффициентов, когда параллельно включенную проводимость можно рассматривать как чисто активную, т. е. г/ = G, G/t/g - g. В этом случае модуль коэффициента отражения

\Sn\ = \S22\ = g/i2 + g),

а аргумент коэффициента отражения фг = я. Модуль коэффициента передачи

5i2l = 52i = 2/(2+gr),

аргумент коэффициента передачи фг = 0. Таким образом, для чисто активной проводимости аргументы коэффициентов передачи и отражения не изменяются при изменении проводимости.

Матрица рассеяния для последовательного включения элемента с сопротивлением z = R + jx в линию с характеристическим сопротивлением Zo имеет вид

[5] =

2 + 2 2

2 + 2

2 + 2

2 + 2

(6.2)

где Z = zfzo - нормированное сопротивление элемента Zq = 1/г/о-При чисто активном элементе в матрице (6.2) Z заменяется на r/zg. Зная модуль коэффициента передачи, определяем величину затухания в децибелах, вносимого включенным в линию элементом,

при чисто активной -проводимости, включенной параллельно в линию,

L = 201g(l + gr/2); (6.3)

при последовательно включенном в линию чисто активном сопротивлении

L = 20 Ig (1 + г/2). (6.4)

Матрица передачи отрезка линии с электрической длиной р/ = в, где p = (о/Уф = 2я/Л-фазовая постоянная; Уф - фазовая ско-

рость; (в-круговая частота; Л-длина волны в линии передачи,

О

матрица параллельно включенной в линию проводимости

[Т] =

1 + -I -L

2 2

2 2J

(6.5)

матрица последовательно включенного в линию сопротивления

2 2 1

[Т] =

Z . 2

2 2 J

(6.6)

Затухание, вносимое каскадным соединением, определяется модулем коэффициента матрицы передачи всей цепочки:

L = 20 lg/u.

Управляемый элемент целесообразно включать через резонансный отрезок или связанные линии. Такие устройства представляют собой шести- или восьмиполюсники с заданными нагрузками на выходах. Поэтому их расчет целесообразно проводить общими методами.

4. УСТРОЙСТВА НА СОСРЕДОТОЧЕННЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТАХ

Простейшим прибором этого класса устройств является выключатель на одном управляемом элементе, например p-t-ra-диоде, который характеризуется двумя рабочими режимами включено - выключено . Коэффициенты передачи выключателя в этих режимах, называемые потерями пропускания и запирания, обозначаются соответственно Лп, A3. Они представляют собой элементы матрицы передачи til в указанных режимах. Полагая полное сопротивление схемы включения диода в обоих режимах чисто активным (к чему стремятся во всех широкополосных устройствах), на основании выражений (6.5) и (6.6) получим соотношение

(Лз - 1)/(Лп- 1) = Z aKc/ZMHH = К.

Параметр iC - качество является важной характеристикой коммутирующего элемента, величина которого не зависит от выбора волнового сопротивления линии, но определяет эффективность работы устройства. Для рассмотрения широкополосных выключателей изучим зависимость параметров устройства управления амплитудой СВЧ колебаний от соотношения нормированных активной и реактивной составляющих проводимостей управляющего элемента. Комплекс-

4-13

ные коэффициенты передачи т и отражения Г, определяющие работу управляющего устройства (при согласованных входе и выходе),

т = 2/ (2 + К); Г = -YI (2 + П.

где Y = g -\- jb - нормированная комплексная проводимость диода.

Подставив значение нормированной комплексной проводимости в выражение (6.1), получим формулы для определения модулей и аргументов коэффициента передачи и отражения управляющего устройства на одном диоде:

\x\2lV{2 + gf + b : \\ = V[g{2 + g) + ft]+46M(2 + gY + b;

(6.7)

4 д,ь

Фт = -arctg [M2 + g)]; Фг = я + arc tg {2Mg (2 + + t]},

где фх - аргумент коэффициента передачи; Фг-аргумент коэффициента отражения.

Зависимости модулей коэффициентов .передачи и отражения от нормированной активной проводимости при постоянной реактивной

и от реактивной проводимости при постоянной активной показаны на рис. 6.4. Проходные устройства управления амплитудой СВЧ колебаний с чисто активным управляющим элементом имеют лучшие характеристики по сравнению с управляющими устройствами на одном чисто реактивном элементе. Коэффициент передачи управляющего устройства на активном элементе меньше на 8-20 % ( вносимое затухание больше), а коэффициент отражения - на 12-20 % по сравнения с управляющим устройством с реактивным элементом в зависимости от величины нормированных проводимостей. Поэтому для проходных устройств управления амплитудой СВЧ колебаний предпочтительнее элементы с управляемой активной проводимостью. К таким элементам лучше всего приближаются p-i-n-диоды при работе в диапазоне частот, далеких от частоты собственного резонанса, и фотоинжекционные элементы. Если управляемый элемент имеет также и реактивнуюсоставляющую проводимости, характеристики управляющего устройства ухудшаются. При увеличении нормированной реакгивной проводимости 0-0,5 .коэффициент передачи уменьшается незначительно (вносимое затухание увеличивается на

3 д,ь

Рис. 6.4. Зависимости модулей коэффициентов передачи (а) и отражений (б) от нормированных проводимостей:

; - Ь = 0,1; 2 - Ь = 0,3; 5 - 6 = 0,5; 4 - Ь = 1; 5 - g = 0,5; 6 - g = 0

3 %), а коэффициент отражения увеличивается несколько больше, особенно при малых значениях активной проводимости.

Для уменьшения реактивной проводимости элемента предпочтительно применять бескорпусные p-i-n-диоды, например, типа 2А517А или 2А522А с обрезанными выводами. В этом случае нормированная активная проводимость диода g = zjRi, нормированная реактивная проводимость b = гцСоС, где го - характеристическое сопротивление линии передачи с р-г'-п-диодом. Когда емкость диода невелика, реактивную проводимость можно сделать достаточно малой выбором соответствующей конструкции управляющего устройства, а также вводом компенсирующих индуктивностей и других неоднородностей в линию передачи.

Таким образом, основным ограничением для проходных устройств управления амплитудой СВЧ колебаний является сравнительно большой коэффициент отражения или коэффициент стоячей волны на. входе и выходе устройства. Для управляющих устройств с одним чисто активным элементом нормированной активной проводимости, равной единице, Кс ,т = 2. Если нормированная реактивная проводимость равна 0,5, то Кс.т = 2 при нормированной активной проводимости, равной 0,8. Таким образом, устройства управления амплитудой СВЧ колебаний на одном элементе не могут иметь большого ослабления при малой величине КСВ без применения специальных мер, предназначенных для отвода отраженной от управляемого элемента мощности в поглощающую нагрузку.

Устройства с одним управляющим элементом имеют также ограниченный диапазон рабочих частот при достаточно большом вносимом ослаблении. Это следует из анализа зависимости нормированной комплексной проводимости корпусного р-г-п-диода от частоты и управляющего тока (отношения сопротивлений R/p) [15]. Чем больше величина вносимого ослабления на один управляющий элемент, тем больше требуемая величина нормированной проводимости и тем больше ее зависимость от величины рабочей частоты.

Определим мощность, поглощаемую одним управляющим элементом. Как известно, для управляющего элемента с комплексной проводимостью (сопротивлением) выполняется равенство т^-- + = = 1, где и - коэффициент поглощения. Квадрат коэффициента поглощения, характеризующий величину поглощаемой мощности,

и2 = 1 - т^ - Г^ (6.8)

Подставив значения модулей коэффициентов передачи и отражения нз выражений (6.7) в формулу (6.8) получим для управляющего устройства с одним управляемым элементом

= ig/ [(2 + gf + ЬЦ.

Нормированную активную проводимость, при которой поглощаемая мощность максимальна, определяем из условия

= К 4 + 4)2. 139