Дискретные фазовращателя на p-i-n диодах

Дискретным фазовращателемназывается устройство, обеспечивающее скачкообразное изменение фазы электромагнитной волны без изменения ее амплитуды. Простейший одноступенчатый фазовращатель характеризуется двумя различными фазовыми состояниями. Переключение из одного состояния в другое, как правило, обеспечивается выключателями,входящими в состав фазовращателя. Идеальный выключатель представляет собой линейный двухполюсник, имеющий два различных состояния, в одном из которых он является идеально пропускающим, в другом - идеально отражающим. Выключатели содержат ключи, которые в идеальном случае являются двухполюсниками с двумя состояниями, которым соответствуют два значения сопротивления ключа: нуль и бесконечность. Перевод ключа из одного состояния в другое осуществляется внешним управляющим воздействием. Функцию ключа в рассматриваемых дискретных фазовращателях выполняют p-i-n диоды. [1]
Фазовращатели могут быть разделены на два основные класса - отражательные и проходные. Отражательный фазовращатель (ОФ) - это линейный двухполюсник, содержащий выключатели, которые под воздействием управляющего напряжения изменяют фазу коэффициента отражения электромагнитной волны. Коэффициенты отражения в двух состояниях:

Г₁ = ejφ₁ и Г₂ = ejφ₂. (1)

Проходной фазовращатель (ПФ) - это линейный четырёхполюсник, содержащий выключатели, которые под воздействием управляющего напряжения изменяют фазу коэффициента передачи электромагнитной волны. Коэффициенты передачи в двух состояниях:

T₁ = ejφ₁ и T₂ = ejφ₂. (2)

Фазовый сдвиг определяется разностью фаз в двух состояниях:

Δφ = φ₁ - φ₂. (3)

В реальных устройствах очень часто выключатели реализуют в виде p-i-n-диодов. Такие фазовращатели называют фазовращателями на основе p-i-n-диодных переключателей. Переключательный p-i-n-диод представляется сосредоточенным элементом, параметры которого в двух различных состояниях описываются линейной эквивалентной схемой. Используемые далее эквивалентные схемы представлены на рис. 1, где r+ - сопротивление потерь при положительном смещении; С — емкость p-i-n диода; r_ - последовательное сопротивление потерь при нулевом или отрицательном смещении.

Рис. 1. Эквивалентная схема бескорпусного p-i-n диода на СВЧ.

При описании простых схем выключателей предполагается, что собственная реактивность p-i-n-диода имеет предельно малое значение и два состояния выключателя соответствуют двум разным значениям активного сопротивления p-i-n-диода; при прямом смещении r+ << 1, а при обратном (нулевом) r_ >> 1. Для p-i-n-диодов различной конструкции параметры эквивалентной схемы r+ ~ г_ = 0,5 -1,5 Ом, и

С = 0,2... 1,5 пФ.

В реальной ситуации собственной реактивностью p-i-n-диода (емкостью) нельзя пренебречь, и она учитывается при расчете создания фазового сдвига.

Одноступенчатый отражательный фазовращатель. На рис. 2 представлена эквивалентная схема отражательного фазовращателя на p-i-n-диоде. Назовем такой фазовращатель одноступенчатым (ОФВ). Диод в двух состояниях представлен двумя значениями полного сопротивления и подключается ко входу через пассивный линейный четырехполюсник, описываемый А - матрицей. В упрощенном варианте без учета потерь в p-i-n-диоде Z₁ = 0 в открытом состоянии диода и Z₂ = ∞ в закрытом состоянии. Разность фаз коэффициентов отражения в двух состояниях

Δφ = 180°.

Рис. 2. Эквивалентная схема одноступенчатого отражательного ФВ

С учетом собственной реактивности p-i-n-диода его сопротивление в закрытом состоянии Z₂ = —jwC. При переключении диода из открытого состояния в закрытое фаза коэффициента отражения в месте подключения нагрузки меняется на величину

Δφ = 2ψ = 2arctg xd, (4)

где xd = —нормированное к волновому сопротивлению линии Z₀ реактивное сопротивление p-i-n-диода в закрытом состоянии. Поскольку r+ <<1 и r_ >> 1, активная составляющая сопротивления p-i-n-диода не влияет на фазовые соотношения.

Если в качестве пассивного четырехполюсника используется отрезок линии передачи длиной θ, то коэффициенты отражения на входных клеммах такой цепи при условии отсутствия потерь в линии для двух состояний равны Г₁ = e-j₂θ, Г₂ = -j₂(θ-ψ) и фазовый сдвиг Δφ = 2ψ. Использование более сложного трансформирующего четырехполюсника позволяет изменить разность фаз коэффициентов отражения на его входе и получить любой по величине фазовый сдвиг

Реальный p-i-n-диод характеризуется потерями L (в дБ), определяемыми сопротивлением резисторов в эквивалентной схеме. Потери p-i-n-диода являются основным источником потерь ФВ. Можно показать, что минимальные потери отражательного ОФВ соответствуют условию равенства потерь в двух состояниях. При этом потери в каждом состоянии определяются соотношением:

(5)

где К - коммутационное качество p-i-n диода, в соответствии с эквивалентной схемой рис. 1. Обычно для p-i-n-диода К> 10000.

Введем теперь характеристику ФВ - F (град/дБ), которая может использоваться для оценки качества управляемой цепи, и определим ее как отношение фазового сдвига, обеспечиваемого фазовращателем, к величине потерь в нем:

(6)