Проектирование звена дискретного фазовращателя с p-i-n диодом

В качестве p-i-n диода для дискретного фазовращателя выбран полупроводниковый СВЧ диод отечественного производства КА528А-4, предназначенный для работы в коммутационных устройствах в диапазоне длин волн 7 см. аппаратуры специального назначения. Выбранный диод имеет максимальные характеристики по мощности рассеивания (максимально допустимая непрерывная и импульсная мощности рассеивания не более 50 и 1500 В соответственно). У p-i-n диода КА528А-4 следующие характеристики [3]:

C = 1.8...2.4 пФ;

f_кр = 200 ГГц;

r₊ = 0.5 Ом;

Q_нак = 900 нКл;

I₀ = 100 мА;

U_обр = 100В;

U_проб = 1000В;

Р_{рас. макс} = 50Вт.

масса диода не более 0.5 г.

P-i-n диод к трехшлейфному мосту будет подключаться так, как показано на рис. 14:

Рис. 14 Подключение p-i-n диода к трехшлейфному мосту.(1 - микрополосковая линия трехшлейфного моста, 2 - земля, 3 - кристалл p-i-n диода, 4 - металлические контакты p-i-n диода).

Из рис. 14 видно, что диод подключается между микрополосковой линии трехшлейфного моста (1) и "землей" (2). Диод будет работать в двух режимах. (в открытом и закрытом) В случае, когда диод открыт, он будет замещаться сопротивлением (R = 0.5 Ом), эквивалентная схема звена фазовращателя для этого состояния имеет вид, как показано на рис 15. В случае, когда диод закрыт, он будет замещаться последовательно включенной емкостью (С = 1.8...2.4 пФ) и сопротивлением (R = 0.5 Ом), эквивалентная схема звена фазовращателя для этого состояния имеет вид, как показано на рис 16.

Рис. 15 Эквивалентная схема звена фазовращателя при включении диода в режиме короткого замыкания.

Рис. 16 Эквивалентная схема звена фазовращателя при включении диода в режиме холостого хода.

В эквивалентной схеме включения p-i-n диода в режиме короткого замыкания необходимо добавить элемент LOAD, закороченный на "землю". Сопротивление его необходимо выставить порядка единиц Ом. (рис. 15)

В эквивалентной схеме включения p-i-n диода в режиме холостого хода необходимо добавить последовательно соединенные элементы CAP и LOAD, закороченный на "землю". В данном случае сопротивление LOAD необходимо поставить 2000 Ом, а емкость CAP выставить 2 пФ. (рис. 16)

Звено дискретного фазовращателя должно обеспечивать возможность изменения фазы проходящего сигнала на значение фазы сигнала, указанного в вашем варианте. Это возможно достичь, если в звене фазовращателя после p-i-n диода вставить шлейф с длиной ΔL, который на конце будет иметь режим холостого хода. (рис. 17)

Рис. 17. Геометрия секции фазовращателя с электрической длиной ΔL, определяющей изменение разности фаз.

Для получения необходимых геометрических параметров каждой секции фазовращателя смоделируем фазовый сдвиг с помощью программы Microwave Office. Для этого, на один график зададим две кривые фаз: одна кривая получается в результате моделирования схемы трехшлейфного моста с p-i-n диодом в режиме холостого хода (рис. 16), другая кривая показывает результат моделирования схемы трехшлейфного моста с p-i-n диодом в режиме короткого замыкания (рис. 17). На рабочей частоте f₀, разность фаз должна быть Δφ. Достичь необходимый фазовый сдвиг Δφ, можно с помощью параметрической оптимизации длины шлейфа ΔL после p-i-n диода. (Пример фазового сдвига на 45^о приведен на рис. 18)

Рис. 18 Частотная характеристика фазы прошедшего сигнала через секцию фазовращателя для открытого (1) и закрытого (2) состояние p-i-n диодов.

7. Контрольные вопросы

1. Что такое дискретный фазовращатель?

2. Чем отличаются отражательные и проходные фазовращатели?

3. Какие методы изменения фазы прошедшего сигнала вы знаете?

4. Что такое КСВ и к какому значению он должен стремиться в звене дискретного фазовращателя?

5. Нарисуйте эквивалентную схему p-i-n диода в открытом/закрытом режиме.

6. Какую функцию выполняет трехшлейфный мост в звене дискретного фазовращателя?