Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лабораторная работа №2 - Исследование управляемых устройств на полупроводниковых диодах - файл 1.doc


Лабораторная работа №2 - Исследование управляемых устройств на полупроводниковых диодах
скачать (9531.4 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc9532kb.18.12.2011 20:28скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Министерство образования и науки Российской Федерации
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им.А.Н.ТУПОЛЕВА
Институт радиоэлектроники и телекоммуникаций (ИРЭТ)


Кафедра радиоэлектронных и телекоммуникационных систем (РТС)


Н.Г. Воробьев

Методические указания к лабораторной работе № 207


Лабораторный практикум по дисциплине

«Техническая электродинамика»

по специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»

Исследование управляемых устройств на полупроводниковых диодах.

Казань 2006г.

^ Цель работы

  1. Изучение параметров полупроводниковых коммутационных диодов СВЧ с p – i– n структурой правил их включения в линию передачи.

  2. Ознакомление с принципами построения управляемых устройств СВЧ.

  3. Экспериментальное исследование p – i– n диода, включенного в линию передачи.

  4. Экспериментальное и теоретическое исследование регулируемого аттенюатора на p – i– n диодах.



^ Теоретическая подготовка
Изучить материалы настоящего описания, а также [I] стр. 250 – 263


I. Краткое сведение о теории.
В СВЧ диапазоне в качестве активных управляющих элементов широко используются полупроводниковые диоды с p – i– n структурой. Полупроводниковые управляемые элементы на этих диодах отличаются компактностью конструкции, малым весом, большим быстродействием. Они требуют наибольшей величины управляющего сигнала, позволяют коммутировать СВЧ сигнал со средней мощностью до I КВГ и характеризуются высокой надёжностью (срок службы диодов достигает 200000 часов). Управление СВЧ сигналом в тракте с помощью p – i– n диода происходит за счёт изменения его сопротивления при изменении величины тока смещения.

Коммутационные p – i– n диоды являются плоскостными диодами. Они имеют трёхслойную структуру. Два слоя сильно лигированные с p и n проводимостью, разделены слаболигированным (высокоомным) полупроводником, так называемым i – слоем с электропроводностью собственного типа рис.1. Торцевые поверхности диодов металлизируют и используют в качестве выводов. Благодаря значительной толщине высокоомной области p – i– n диод характеризуется значительной инерционностью процессов перехода из открытого состояния в закрытое и обратно, вызванное длительным временем накопления и отсасывания (t) свободных носителей в i – слое. Время включения диода, определяемое этим переходным процессом, составляет (01 – 1 мкс.) время выключения – в несколько раз больше.

Поэтому, при прохождении через диод высокочастотного сигнала, период которого сопоставил или значительно меньше времени, r, эффекта выпрямления не наблюдается и диод ведёт себя как активное сопротивление Rg. Упрощенная схема замещения диода на СВЧ приведена на рис.2а. Эта схема характеризуется активным сопротивлением диода, Rg, которое шунтируется ёмкостью диода Cg, индуктивностью вводов Lg и ёмкостью корпуса Ck. Ёмкость диода Cg из-за большой толщины i – слоя обычно составляет (0,3 – 1 пф) и практически не меняется от характера и величины смещения. Параметры Lg и Ck определяются конструкцией корпуса и выводов диода. Вольтамперная характеристика p – i– n диода (рис.3) характеризуется резким переходом диода из закрытого состояния в закрытое. Так, изменение сопротивления диода типа 2А 510 от Rmax = R g- = 1 – 3 кОм закрытый диод, до Rmax = R g+ = 1 – 3 Ом Открытый диод, происходит при изменении тока смещения от 3 до 20 мА. При изменении тока смещения в этих пределах диод плавно изменяет свои параметры от R g- до R g+.

Характерная зависимость сопротивления диода Rg от прямого тока смещения Jсм в области плавного изменения сопротивления приведена на (рис.3б). В этой области сопротивление диода изменяется обратно пропорционально току смещения. За пределами этой области сопротивление диода практически остаётся постоянным принимая своё максимальное R g- или максимальное R g+ значение.

Таким образом для СВЧ сигналов p – i– n диод в линии передачи можно характеризовать преимущественно активным сопротивлением Rg, величина которого в широких пределах изменяется током смещения. При нулевом и отрицательном смещениях диод заперт и его сопротивление максимальное R g- @ (1 ¸ 3)103 Ом при положительном смещении Jсм > 1Ом сопротивление максимальное R g+ @ (1 ¸ 3) Ом. Ёмкость диода Сg остаётся практически постоянной.

Для двух крайних состояний диода его схема замещения несколько упрощается. Для закрытого диода приведена на (рис. 2б). В открытом состоянии (рис. 2в) емкость диода можно не учитывать т. к. Rg+ - мало, но к Rg+ добавляют индуктивность выводов. Конструктивное оформление диодов зависит от типа линии передачи, мощности сигнала, диапазона частот, и способа включения в линию передачи. Отдельные варианты конструктивного оформления диодов приведены на (рис. 4). Для микрополосковых линий получили распространение бескорпусные конструкции диодов (рис. 4(а,б). Для волноводов, коаксиальных линий, для полосковых линий используют диоды в корпусе (рис. 9).

Для волноводов выпускают также диоды встроенные в резонансную диафрагму (рис. 9д,е).

Корпус диода предназначен для крепления кристалла полупроводника, а также выполняет функцию теплоотвода в устройствах с большим уровнем СВС сигнала. Наличие корпуса усложняет эквивалентную схему диода и как правило снижает его «качество».

    1. ^ Параметры диодов в линии передачи.

Управляющие полупроводниковые диоды могут быть включены в линию передачи по последовательной или параллельной схемам (рис. 5). Характеристики этих схем по отношению друг к другу самодополняющие. Так, параллельно включенный диод в открытом состоянии максимальный коэффициент отражения и минимальный коэффициент передачи в линии, а для последовательно включенного диода – обратное. Матрица рассеяния и передачи для параллельного и последовательного диодов имеет вид (рис. 5а,б):

(1)

(2)

Где Z полное нормированное сопротивление диода.

Для закрытого диода (рис. 2б).

(3)

Для открытого диода (рис. 2в).

(4)

Для приближённой оценки параметров линии с диодом, диод заменяют активным сопротивлением, т. е. Z+ R+ и Z- R- , и рассматривают линию как согласованный четырёхполюсник. Выносимые этим четырёхполюсником потери характеризуются функцией рабочего затухания (L). Элемент t|| волновая матрица передачи для параллельно включенного диода (2) соответствует функции рабочего затухания:

(5)

В режиме положительного смещения рабочее затухание четырёх полюсника (рис. 5б).

; (6)

В режиме отрицательного смещения

; (7)

Отношение этих величин называют «качеством» диода

; (8)

Этот параметр, как следует из (8), определяется только свойствами диода, его прямым и обратным сопротивлением. «Качество» к является справочной характеристикой p – i– n диода.

Выражение (8) получено без учёта реактивных элементов схемы замещения (рис. 2) и, справедливо лишь на резонансной частоте, когда реактивные элементы схемы (рис. 2) можно считать скомпенсированными. Также следует отметить частотную зависимость величины Rg+ с ростом частоты СВЧ сигнала сопротивление i – слоя растёт из – за явления поверхностного эффекта. Это приводит к увеличению активного сопротивления диода в открытом состоянии с ростом частоты, а значит с ростом частоты падаёт качество диода (8).

Четырёхполюсник, образованный диодом включенным в линию передачи (рис. 5а, 5б) является составным элементом любых управляемых СВЧ устройств на p – i– n диодах. Поэтому значение его параметров необходимо для описания работы более сложных устройств. Таких как коммутаторы включателя фазовращателя, аттенюаторы. На практике наибольшее распространение получила схема с параллельным включением диода (рис. 5б).

Отрезок линии передачи с параллельно включенным диодом и нагруженной на согласованную нагрузку, на основании (2) характеризуется следующими параметрами: мощность отражённая от входа.

; (9)

мощность прошедшая на вход в нагрузку

; (10)

Ослабление согласованного четырёхполюсника и его Kст на входе будут

; ; (11)

Зависимость этих параметров от величины Rg / Zg приведены на (рис.6).

Мощность погашенная диодом

; (12)

Коэффициент отражения на входе четырёхполюсника Гвх при произвольной нагрузке на входе характеризующей коэффициентом отражения Гн будет

; (13)

Выражение (13) позволяет экспериментально определить элементы матрицы рассеивания взаимного четырёхполюсника по трём измерениям величины Гвх. Например: 1) при котором замыкание Гн = -1, 2) при холостом ходе Гн =1, 3) при согласованной нагрузке Гн = 0.

В открытом состоянии диод параллельно, включенный в линию закорачивает её при этом относительная мощность прошедшая в нагрузку из (10), при Rg+ << Zв будет:

; (14)

Для увеличения ослабления в линию включают несколько диодов на расстоянии lв / 4 друг от друга при этом величина мощности прошедшая в нагрузку

; (15)

где n – число диодов (рис. 6).

Мощность рассеянная диодом в открытом состоянии из (12) будет

; (15а)

При отрицательном смещении, когда сопротивление диода Rg- = K Rg+ и Rg- >> Zв, ослабление четырёхполюсника становиться минимальным. При этом из (10) и (12) получим



>>Zв (16)

Соотношение (14) (16) (17) показывают, что подбирая соответствующим образом волновое сопротивление линии сопротивление диода и его «качество», можно обеспечить либо максимальное затухание четырёхполюсника при открытом диоде либо минимальное затухание при закрытом диоде. Таким образом если даны специальные требования к затуханию Ln или L3 по отношениям (16), (17) можно определить необходимое отношение; соответственно либо.

Если на Ln на L3 специальных требований не накладывают, то волновое сопротивление линии обычно выбирают из условия одинаковой в обоих режимах поглощенной диодом мощности (15а) и (17) и при этом не обеспечивается максимально допустимая коммутируемая мощность. Это условие из (12) с учётом (8) будет

(18)

отсюда , а относительная поглощенная диодом мощность из (15а) будет

(18a)

(19)

Из (19) следует, что рассеиваемая диодом мощность зависит от его «качества» так при К = 103 на диоде падаёт т. е. около 6 % входной мощности.

Таким образом соотношение (8 ¸ 19) позволяют оптимизировать выбор диода и волнового сопротивления линии по заданным параметрам четырёхполюсника. Следует отметить, что эти соотношения приведены без учёта реактивностей схемы замещения диода (рис. 2а), которые существенно ухудшают все параметры диодной ячейки. Поэтому для достижения высокого качества управляемых СВЧ устройств в их конструкциях принимают меры по компенсации реактивностей, но однако эта компенсация обеспечивается обычно в узкой полосе частот.


^ 1.2 Цепи подачи управляющего смещения на диод

Для управления p – i– n диодом в СВЧ тракт, посредством цепей подачи смещения, подводиться низкочастотный управляющий сигнал.

Назначение этих цепей – передать управляемый сигнал с минимальными искажением и максимальным быстродействием, а также обеспечить хорошую развязку СВЧ тракта с низкочастотными управляющими цепями, т. е. не создавать в СВЧ тракте неоднородности.

В зависимости от требований к характеристикам устройства, от вида его реализации и диапазона частот исполнения цепей смещения бывает разным. Они могут быть выполнены на элементах с сосредоточенными параметрами, на распределённых элементах, могут отличатся схемой, конструкцией и элементной базой. Общим для них является то, что эти цепи выполняются обычно по схеме фильтра нижних частот.

В дециметровом диапазоне на микрополосковых и несимметричных полосковых линиях наиболее распространенной является схема на сосредоточенных L – C элементах (рис. 7а). В этой схеме индуктивность L и блокировочная емкость Cб образует звено фильтра нижних частот, а разделительная емкость Cр служит для развязки отдельных диодов в СВЧ тракте по постоянному току. Если к цепям смещения не предъявляется специальных требований, то емкости Ср и Сбл берут равными по величине Сбл = Ср = С и выбирают из условия

(20)

где w частота СВЧ сигнала.

В открытых полосковых линиях (несимметричных, микрополосковых) в качестве таких емкостей обычно используют сосредоточенные конденсаторы типа К-40-9, К-10-20 с емкостью 100 ¸ 300 пф. Блокировочную ёмкость иногда выполняют в печатном исполнении. Индуктивности в цепях подачи смещения выполняют либо в печатном исполнении либо навесными элементами из тонкой скрученной проволоки. Иногда вместо индуктивности используют четвертьволновой, закороченный на конце посредством блокировочной емкости шлейф (рис. 7б). Для обеспечения большей широкополосности цепи подачи смещения волновое сопротивление шлейфа Zвш берут возможно большим.

В конструкциях на коаксиальных, симметричных полосковых линиях, волноводах индуктивность в цепи подачи смещения опускается, а фильтрация осуществляется только блокировочной емкостью (рис. 7в), которая закорачивает параллельно включенный диод на землю.


    1. ^ Особенности подключения p – i– n диода в линию передачи.

Важной задачей, возникающей при включении p – i– n диода в линию передачи является компенсация реактивной неоднородности вносимой им и цепями подачи смещения в СВЧ тракт. Эту компенсацию осуществляют путём соответствующего подбора параметров элементов СВЧ тракта и за счет специальных конструктивных приёмов.

Компенсация реактивных неоднородностей, образованных диодом, позволяет существенно улучшить характеристики управляемых СВЧ устройств: уменьшить отражение, увеличить широкополосность, быстродействие и др. при выборе способа компенсации реактивности диода исходят из его эквивалентной схемы (рис. 2) и основного рабочего состояния устройства (т. е. в режиме загрождения, пропускания или др.). При нулевом и обратном смещении диод обычно имеет емкостный характер сопротивления (Cg + Cк), при прямом смещении диоду характерна индуктивная реактивность.

При параллельном включении диода его реактивность компенсируют обычно в закрытом состоянии, т. е. емкость диода. Компенсацию осуществляют по схеме фильтра нижних частот путём включения в линию дополнительных последовательных индуктивностей Lф (рис. 8). Величина индуктивностей Lф выбирается из условия равенства волновых сопротивлений линии Zв и ячейки Т – образного фильтра нижних частот Zвх, образованного параллельной емкостью диода (Cg + Cк) и последовательной индуктивностью Lф. (21)



Последовательные индуктивности в полосковых, коаксиальных линиях передачи реализуются короткими отрезками этих линий L1 < l/в с большим значением волнового сопротивления Zв1 > Zв (рис. 8). Величина индуктивности определяется из соотношения

где в=2р/лв (22)

На (рис. 9а,б) приведены варианты конструктивного размещения p – i– n диодов в полосковых линиях и волноводах. Там же приведены примеры разметки микрополосковых плат под без корпусные p – i– n диоды. Безкорпусные диоды в полосковых линиях крепятся обычно посредством пайки к контактным площадкам полосковой платы (рис. 9а,б). В волноводах используют диоды в корпусе (рис. 9в,г) безкорпусные диоды размещенные в узкой резонансной диафрагме, которые выпускаются в виде диодного модуля (рис. 9г). для таких модулей обычно используют спаренные, встрочно включенные диоды с центральным выводом (рис. 9е), за счёт этого упрощаются цепи подачи смещения и обеспечивается их симметрия.

Для ограничения тока через диод и обеспечения необходимой величины Rg в цепи диода и в цепи подачи смещения могут включаться дополнительные активные сопротивления R1 и R2. На (рис. 10) приведена общая схема включения таких сопротивлений. Сопротивление Rg, R1 и Сбл замыкают цепь по высокой частоте и полное сопротивление диода по высокой частоте: Rg=Rg+R1 - определяет потери и отражения сигнала в тракте СВЧ. Сопротивление R2 в цепи подачи смещения служит для ограничения управляющего сигнала.

    1. ^ Управляемые устройства СВЧ на p – i– n диодах

Рассмотренный выше четырёхполюсник (рис. 5) в виде p – i– n диода параллельно или последовательно включенного в линию передачи является составным элементом большинства управляемых СВЧ устройств на полупроводниковых диодах.

Отдельно такой четырехполосник можно рассматривать как СВЧ выключатель или как звено аттенюатора свойства которых определяются соотношениями (2 ¸ 17).

Комбинация нескольких таких четырёхполюсников позволяют реализовать много - канальные переключатели аттенюаторы, фазовращатели с различными функциональными особенностями. Примеры простейших двухканальных переключателей с последовательным и параллельным включением диодов приведены на (рис. 11а,б).

В схемах с параллельно включенными диодами диоды подключаются в линию в точке отстоящей от точки разветвления каналов «А» (рис. 11а) на расстояние L = (2n + 1) lв / 4, а в схемах с последовательным включением диодов, это расстояние равно L = n lв / 2, где n = 0, 1, 2…

На основе двухканальных переключателей могут быть построены многоканальные схемы коммутации.

      1. ^ Аттенюаторы СВЧ

Из соотношений (2), (10), (11), и (рис. 3, 6) следует, что четырёхполюсник образованный p – i– n диодом, включенным в линию передачи (рис. 5) можно рассматривать как регулируемый аттенюатор. Но коэффициент отражения на входе такого аттенюатора S11 сильно зависит от тока смещения или иначе от величины вносимого ослабления (рис. 6).

Для обеспечения хорошего согласования в широком диапазоне изменения ослабления в линию передачи включают несколько диодов отстоящих друг от друга на расстоянии lв / 4 (рис. 12а). Подавая разные токи смещения на эти диоды, обеспечивают такие необходимые соотношения их сопротивлений Rдi, что Sn отражения на входе ½S11½= 0.

На (рис.12а) приведена схема с тремя диодами. Если полагать, что сопротивление диодов активные Zдi = Rдi, то цепочка из трёх диодов, включенных в линию через lв/4 друг от друга, можно представить схему эквивалентного П-образованного четырёхполюсника. И между сопротивлениями этих схем имеется однозначная связь:

Rg1=t1 и Rg2 = ; (23)

Значение сопротивлений t1 и t2 для п-образной схемы могут быть выражены через элементы матрицы рассеяния [1]:

; ; (24)

Пологая в соотношениях (24) S11 = 0, т. е. накладывая условие согласования на входе, можно с учётом (23) определить необходимые законы изменения соотношения сопротивлений в схемах (рис. 12а, 12б) обеспечивающие заданное изменение ослабления A = 20 Lg |S12|2.

Условие полного согласования аттенюатора не удается выполнить во всём диапазоне изменения ослабления, поэтому параметр S11 = 0 задаю при каком-то конкретном значении ослабления, а при других значениях A этот параметр будет отличаться от нуля. Значение S11 на входе аттенюатора с тремя диодами (рис. 12б) при условии, что Rд1 = Rд3 и Zв вх = Zв вых будет [1]:

; (24а)

По найденным из (24) сопротивлениям диодов из графиков (рис. 3б) определяются необходимые величины токов смещения.

Сопротивление p – i– n диода, в зоне плавной регулировке, изменяется обратно пропорционально прямому току (рис. 3б). Поэтому для определённой области управления ослаблением А аттенюатора, можно установить постоянное соотношение между токами диодов Rд1 и Rд2.

На практике для обеспечения для улучшения согласования и больших пределов регулировки ослабления используют схемы аттенюаторов с большим числом диодов (до 10 диодов). Однако трудоёмкость расчётов таких устройств с увеличением числа звеньев сильно возрастает.

^ 1.4.2 Аттенюаторы на мостовой схеме с активными регулируемыми нагрузками

На (рис. 13а) приведена схема аттенюатора на трёхдецебельном мосте. Свойства моста определяется матрицей [S].

(25)

Во взаимно развязанные плечи моста (3) и (4) включены два идентичных p – i– n диода, которые выполняют функцию активных регулируемых сопротивлений.

Входной сигнал подаётся на вход 1 (рис.13а), а входной сигнал снимается со второго входа, который является развязанным согласно (25) относительно первого входа. Для нормальной работы устройства важно, чтобы величины сопротивлений диодов в плечах (3) и (4) были бы одинаковыми. При этом отражение на входе S11 = 0 а весь сигнал отраженный от диодов 3–го и 4–го плеч будет выходить на второй выход. Таким образом коэффициенты отражения от диодов должны быть равны Гд

(26)

Работа схемы проиллюстрирована на векторной диаграмме (рис. 13б) где указаны векторы (амплитуды и фазы) падающих и отраженных волн. Величина выходного сигнала аттенюатора равна величине отраженный от диодов мощности

A=10 lg[Гд]2 (27)

Особенность этого аттенюатора заключается в том, что если Zд1 =Zд2 и Г3 4 то, он всегда на центральной частоте f0 будет согласованным (центральная частота соответствует частоте трёхдецибельного моста), а ослабление происходит за счёт частичного поглощения СВЧ сигнала активным сопротивлением диода Rд. Аттенюатор работает следующим образом.

Сигнал U = 1, поступающий на вход 1 (рис. 13а, б) делиться поровну и в квадратуре поступает выходы (3 и 4)



Эти сигналы падают на диоды Rд3 и Rд4 частично поглощаются их активным сопротивлением, а остальная часть отражается. С коэффициентом Г3 и Г4. Отраженные сигналы и поступают на входы (3 и 4) (рис. 13б) и проходят на выходы (1 и 2).

В результате суперпозиции этих волн на первом и втором выходах формируются отражённые выходные сигналы U1от и U2от , значения которых можно получить путем перемножения матрицы [S] (25) на вектор столбец падающих волн U4Г4 и U3Г3



(29)

Коэффициенты отражения Г3 и Г4 определяются параметрами диодов (26). Если диоды в 3–м и 4–м плечах идентичны т. е. Г34д егш, то отраженный сигнал поступающий на вход 1 U1от будет равен нулю, а на входе 2 сигналы отраженные от третьего и четвертого плеч с инфаяно складываются и



где Y угол определяемый фазовой задержкой коэффициента отражения на отрезках линии включенных в 3–е и 4–е плечи (рис. 13а) Y = 2bl

Таким образом, в этом устройстве выходной сигнал снимается с выхода (2), который для кольцевого моста (25) является развязанным по отношению к первому плечу. При изменении ослабления сигнала фаза выходного сигнала (30) остаётся постоянной.

^ 1.4.3 Аттенюатор на мостовой схеме с реактивными нагрузками

Регулировку уровня выходного сигнала можно осуществить на мостовом устройстве с реактивными нагрузками.

На (рис. 14) показан такой аттенюатор собранный на двухшлейфовом кольцевом мосте.

К взаимно развязанным выходам моста (3), (4) подключаются реактивные нагрузки в виде замкнутых или разомкнутых отрезков линий передачи определённой длины l3 и l4.

Сигнал подаётся на вход 1, а снимается с выхода 2. Ослабление сигнала в устройстве происходит за счет его частичного отражения по входу (1). Уровень сигнала, прошедшего на вход 2 будет

(31)

Работа этого устройства может быть объяснена также как и аттенюатора собранного по схеме (рис. 13) с помощью векторной диаграммы (рис. 15) т. к. к плечам (3) и (4) подключены реактивные нагрузки, коэффициенты отражения которых равны и , (32)

где Y3 = 2bl3, Y4 = 2bl4,

b-постоянная распространения в линии передачи, то по аналогии (29) и с учётом (20) и (32) можно записать

(33)

где (34)

Отсюда (35)

В таких аттенюаторах задают обычно начальное значение Y = 2bl (3, 4), при l3 = l4 и ∆Y = 0. Из (35) следует, что этому состоянию соответствует затухание равное нулю |U2| = |U1|

Чтобы ослабить сигнал на входе в соответствии (35а), необходимо ввести в отражённые волны (33) фазовый сдвиг ∆Y. Если этот сдвиг фазы осуществлять путём удлинения одного плеча (допустим 3–го) на величину ∆l и укорочения другого на ту же величину ∆l, то фаза выходного сигнала Y в соответствии с (34) и (35) будет оставаться не изменённой.

Таким образом для регулировки амплитуды выходного сигнала необходимо изменять длины отрезков линий передач подключенных к третьему и четвёртому плечу (один из них укорачивают другой удлиняют).

Соответственно, на входе аттенюатора изменяется величина отраженного сигнала (35а) U1от = в1. В реальных конструкциях таких аттенюаторов с дискретным изменением ослабления изменение длин отрезков линии l3 и l4 осуществляют с помощью p – i– n диодов работающих в ключевом режиме Rд+minчRд-max . В этих диодах имеют место дополнительные потери которые можно учесть в выражении для Г3 и Г4 (26, 32). В аттенюаторах с плавной регулировкой ослабления к плечам (3) и (4) (рис. 14) могут быть подключены управляемые реактивности, например полупроводниковые ёмкости (вариаторы).

При изменении ∆Y от 0 до ослабление (А) изменяется от 0 до - ¥, а Кст на входе соответственно от 1 до ¥.


^ 2. Расчетное задание

Задание состоит из двух частей. В первой части предлагается рассчитать, в зависимости от величины тока смещения, характеристики коэффициента передачи по мощности │S122 коэффициента отражения │S11│и мощность рассеянную диодом Pg для четырехполюсника, образованного pin диодом, последовательно или параллельно включенного в линию передачи с волновым сопротивлением Zв (рис.5). Расчет следует выполнять по соотношениям (1;2;8;9;10;11;12) и графику рис.3(б) не менее, чем для 3-х значений тока и двух значений волнового сопротивления линии Zв. По результатам расчетов построить графики. Оценить эти же параметры для крайних состояний диода Rд+ и Rд- по соотношению (14;15а;16;17). Оценить с учетом 3 и 4 влияние емкости диода на параметры «Качество», │S11│,│S122 в двух крайних состояниях.

Исходные данные нескольких вариантов задания приведены в таблице 1. Параметры диода 2А5/7 можно принять следующими Rд+= 0,5 Ом , К=1000 Сд= 0,2пф. Динамическая характеристика сопротивления диода Rд от тока смещения Jсм приведены на рис. 3(б).




2) Во второй части задания рассчитать согласованный плавный регулируемый аттенюатор, состоящий из цепочки трех pin диодов, параллельно включенных в линию передачи на расстоянии друг от друга лв/4 (рис.12). Рассчитать пределы изменений сопротивлений диодов в заданном интервале ослаблений сигнала, 2) определить значения токов смещения на отдельных диодах. 3) Рассчитать зависимость коэффициента отражения на входе │S11│(24а) в пределах заданных ослаблений. Расчет проводить по соотношениям (23), (24), (24а) и графику (рис.3б). 4) по выражению (15) оценить предельный случай, когда три диода полностью открыты, определить для этого случая Кст на входе. (24а) и

Исходные данные для нескольких вариантов приведены в таблице 2.

Параметры диода 2А 517 приведены в первой части задания.



^ 3. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка предназначена для исследования параметров модуля коэффициента передачи │S12│ и коэффициента отражения │S11│четырехполюсника образованного pin диодами, параллельно включенным в несимметричную полосковую линию. Ток смещения на pin диод подаётся от низковольтного источника питания и контролируется стрелочным микроамперметром.

Электрическая схема установки приведена на рис. 16. она состоит из высокочастотного измерительного генератора (1), вентиля (2) измерительной линии (3), измерительного усилителя отношения В8 6(4) исследуемого блока (5) направленного ответвителя (6) и согласованной нагрузки (7)., низкочастотный переключатель каналов 8.

Исследуемый блок и его эквивалентная схема показана на рис. 17.

^ Порядок выполнения работы

1)Собрать установку, 2) включить и прогреть прибор, 3) Подать СВЧ сигнал с модуляцией «Меандр», 4) Подать максимальное отрицательное смещение Uсм на диод, 5) в этом состоянии откалибровать показания измерителя отношение на значение 1, 2, что соответствует ослаблению сигнала на 0,8 дБ.

Примечание для измерения модулей элементов матрицы рассеяния │S11│и│S12│ необходимо знать амплитуду падающей волны U1пад и амплитуду прошедшей волны U2от в режиме согласованного выхода 2, т. е. (Гн=0) В данном эксперименте амплитуда падающей волны определяется приближенно следующим образом. Исследуемый четырёхполюсник переводиться в режим минимальных потерь, т. е. на диод подаётся максимальное отрицательное смещение Uсм и при этом его сопротивление становиться Rg max. В этом состоянии диода величина потерь четырёхполюсника, замеренная более точными методами, считается известна и составляет около 0,8дБ или отношение . Поэтому, если измеритель отношений В8 – 6 при этом сигнале U2от откалибровать по лимбу на значение 1,2, то его значение единица будет соответствовать величине U1n, а значение отношения - соответствует величине при закрытом диоде.

Все последующие измерения при других значениях смещения читаются со шкалы лимба В8 – 6, как значение , где степень два в получаемых результатах определяется квадратичной характеристикой детектора.

Величину │S11│определяют по результатам определения Кст на измерительной линии

,

где Кст по результатам измерения определяется как .

6)В этом состоянии замерить на измерительной линии значение Кст и │S11

7) Увеличивая величину тока положительного смещения от Jcm=0 до Jcm=30м, с шагом смещения ДJсм следует выбирать в зависимости от величины изменения выходного сигнала U2от. Поэтому на участках слабого изменения выходного сигнала шаг может быть выбран достаточно большим ДJсм 5ма, а на участках резкого изменения шаг следует уменьшить до 1 ма. 8) По результатам измерений построить график зависимости . Результаты эксперимента сравнить с результатами расчета.

^ Содержание отчета

Отчёт должен содержать: 1) описание экспериментальной установки; 2) результаты отчетов; 3) результаты эксперимента; 4) выводы.

Контрольные вопросы

  1. В чем заключается особенность pin диодов перед обычными диодами.

  2. Какими параметрами характеризуются pin диоды.

  3. Объясните структуру цепей подачи смещения и основные требования к ним.

  4. какие особенности эквивалентной схемы pin диода в открытом или закрытом состоянии.

  5. Объяснить ход характеристики Rg от тока смещения.

  6. Почему в много секционных аттенюаторах используют цепочки диодов включенных на расстоянии лв/4 друг от друга.

  7. Какие особенности аттенюатора на кольцевом мосте с регулируемыми активными и реактивными нагрузками.

  8. Как изменяться характеристики аттенюатора на кольцевом мосте если в его плечах будут использованы не идентичные диоды.

  9. Как измениться характеристика аттенюатора на кольцевом мосте с реактивными нагрузками если мы будем изменять или укорачивать нагрузку только в одном плече.



Литература

  1. Сазонов В. И., Гридин А. И., Мишустин Б. А. Устройство СВЧ. – Внешняя школа, 1981г.

  2. Антенны и устройства СВЧ (проектирование ФАР) под ред. ДН Воскресенского. Радио связь, 1981г.

  3. Калашник Нигурей «Аттенюаторы СВЧ».

  4. Мякишев Б. Я. «Конструирование устройств СВЧ». Москва, МАИ, 1981г.

  5. Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р., Смирнов В. Г. Справочник по элементам волноводной техники. «Сов. радио», м.: 1967г.



Рис 1

а) б) в)

Рис 2

а)б)

Рис 3





Рис. 4





Рис. 5



Рис. 6




Рис. 7





Рис. 8



Рис. 9




Рис. 10


Рис. 11


Рис. 12




Рис. 13


Рис. 14


Скачать файл (9531.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации