мощностью (см. гл. I, 3). Для антенны Франрьппна ширину нолоскоиого проводника удобно выбирать hj условия раве[1ства характеристических сопротивлений несимметричного всшновода и коаксиального питающего фидера. То же самое можно сказать и о слоистой проволочной антенне [122].

Рис. Ь.13. Щелевой вибратор (о) и его эквивалентная схема (б).

ч

Более сложен вопрос конструирования щелевых полосковых антенн. Если проводимость излучения щели в экране симметричного полоскового вашовода почти не отличается от проводимости излучения щели в стенке прямоугольного волновода, то внутренние проводимости различаются значительно. Для активной составляющей входного сопротивления поперечной щели в симметрпч-ном волновояе Олинером [68] было получено следующее выражение:

-Щ^У [1 -0.374(;;+ 0,130 ()-].(8.33)

Здесь D=2dK(k)IK(k), r.ie fe = th(ji6/4d), а K{k) -полный эллиптический интеграл первого рода с модулем к. При b/d> 1 с достаточной точностью в выражении (8.33) можно принять

D = 6+iln2.

Остальные обозначения ясны из рис. 8.13.

При резонансе сопротивления щели равны приблизительно 200 Ом. Обычно применяются резонансные щели, не имеющие реактивной составляющей входной проводимости. Так как в общем случае амплитудное распределение в щелевой решетке может быть произвольным, необходимо иметь, возможность менять входное сопротивг 220

ление резонансной щели. Это достигается наклоЕЮм лмбо смещением щели относительно оси полоскового волииво-да. В первом случае изменение проводимости по сравнению с проводимостью по-

перечной щели можно определить по графикам, приведенным на рис. 8.14

/г/г а

W 0,8

0,6 0,4 0,1

aooBi

о W 40 60 80 jS

В

0.4 a6d/a

Рис. 8.14. Зависимость относи- Рнс. 8.15. Зависимость сопротив-

тельнон .проводимости щелевого ления ще,певого вибратора от ве*

вибратора У/Уо от угла иакло- личины смещения относительно

иа к оси полоскового волио- оси полоскового Волновода, вода.

[95]. Графики дают относительную проводимость наклонной щели в функции угла поворота q:.

Смещенные щели были исследованы Брейтхауптом [102]. Графики изменения относительного сопротивления смещенных щелей приведены па рис. 8.15.

Выбор ширины щели в полосковых щелевых антеннах, как правило, произволен. Очень узкая щель неудобна по конструктивным соображениям и малой пробивной мощности. Слишком широкие щели также не применяются из-за ограничений на уровень мощности, накладываемых самим нолосковым волноводом. Поэтому в дециметровом и большей части сантиметрового диапазона можно ориентировочно выбирать ширину щели в пределах 0,5 ... 1 мм.

Во всех вышеупомянутых типах антени параметры самих полосковых волноводов, т. е. характеристические сопротивления, постоянная затухания и др., рассчитываются по формулам, приведенным в гл. 1.

Гл ава 9

ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ СВЧ МОЩНОСТИ

В последние годы интенсивно развивается техника СВЧ регулирующих устройств с использованием различных явлений В полупроводниках. Подобные устройства позволяют управлять амплитудой и фазой проходящего сигнала, решать различные коммутационные и логические задачи. Все более широкое применение для самых различных целей взамен механических, ферритовых и газоразрядных находят полупроводниковые переключатели СВЧ мощности. Они позволяют резко сократить потребление управляющей мощности, уменьшить вес и габариты устройства, обеспечивают высокое быстродействие и большую надежность узлов аппаратуры. Наиболее .перспективны полупроводниковые коммутаторы СВЧ мощности в связи с появлением в настоящее время больших радиолокационных станций (РЛС) с фазированными антенными решетками, в состав которых входят тысячи идентичных компонентов. СВЧ переключатели применяются здесь для направления сигналов по различным каналам, где они соответствующим образом изменяются с помощью аттенюаторов, усилителей или фазовращателей. Управление диаграммой направленности РЛС при неподвижной антенне путем управления фазой большого числа антенных элементов делает возможным одновременное слежение за многими целями или перемещение диаграммы в пределах большого угла за несколько микросекунд в противоположность медленно сканирующим механически управляемым параболическим антенаам. Наибольшие возможности по миниатюризации открываются при использовании полупроводниковых приборов совместно с полосковы.мп волноводами, что позволяет создавать интегральные н модульные схемы коммутирующих устройств.

В качестве управляющих элементов в переключателях СВЧ мощности используются диоды с р-п переходом и p-i-n диоды. Ведущая роль в настоящее время принадлежит p-i-n диодам вследствие ряда преимуществ перед полупроводниковыми приборами с обычным р-п переходом. Они характеризуются сравнительно толстой высокоомиой областью (базой), которая позволяет при достаточно большой площади перехода получить сравнительно малую- емкость самой полупроводниковой структуры. 222 -

В отличие от диолов с обычным р-п переходом н)1Дук-тивность корпуса и элементов присоединения может быть очень малой, а в бескорпусных p-i-n диодах можег ог-сутствовать вообще. Большая площадь перехода и -*на-чите.льный объем высокоомгюй области определяют важнейшую особенность p-i-n диодов: характеристики p-i-n диодов практически не зависят от уровня падающей на диод СВЧ мощности (вплоть до некоторого определенного уровня, называемого пороговым). При изменении управляющего тока активное сопротивление высокоомиой области p-i-n диодов изменяется в 10 -раз и более, в то время как реактивное сопротивление этой области остается почти постоянньш.

Основнымп требованиями, предъявляемыми в настоящее время к переключателям СВЧ мощности, являютгя малые потери проходящей СВЧ мощности, большой коэффициент вносимого затухания, небольшая мощность управления, продолжительный срок службы, конструктивное выполнение, позволяющее использовать для изготовления СВЧ Переключателей современные типы передающих линий, современные конструкции Полупроводниковых приборов и ВСе достижения современной технологии.

Всем этим требованиям в полной мере соответствуют микрополосковые переключатели СВЧ мощности на p-i-n диодах.

§ 9.1. Общие сведения

Плоскостной полупроводниковый прибор с p-i-n структурой представляет собой переход, полученный в результате двух диффузионных процессов. В образец чистого полупроводника с собственной проводимостью вводится с одной сторолы большое число доноров, а с противоположной - акцепторов, при этом образуются л-область с большой концентрацией электронов и р-область с большой концентрацией дырок, разделенных (-слоем, в котором равновесные концентрации электронов и дырок почти одинаковы (рис. 9.1,6). В p-i-n диоде переход состоит ш двух ступенек (рис. 9.1,8). Фронты распределения доноров и акцепторов имеют крутые склоны, и полная толщина перехота определяется толщиной слоя 1.

Эквивалентная схема структуры изображена на рис. 9.2,а, где переходы pi и in представлены соотвегст-

венно сопротпвлсниями перехода R,i н . C i и С< . Так как толщины переходов pi и ш малы, а концентрании носителей р. и п„ Р';.

шают п;. собственное сопроти,ение р- и п-областеи не соизмеримо меньше сопротивления - ggT эквивалентную схему можно упростить (рис. 9.2.6).

Рис. 9.1. Распределение приме- Рис. 9.2. Эквивалентные схемы

сей в p-i-n структуре.

p-i-n структуры.

Величины емкостей С,- и С, определяются соотношениями Ci = sfdi; Cj=e p/(A +Др), где di - толщина i-слоя; Д„ и Дд - толщины л- и р-слоев. Так как d,-> > Д„ 4- Др, емкость С, > С,-, влиянием этой емкости в диапазоне СВЧ так i,e мо/кно пренебречь.

Таким образом, эквивалентная схема p-i-n структуры будет иметь вид, показанный на рис. 9.2,в. Она соответствует также бескорпусиым диодам с p-i-n структурой.

Общая эквивалентная схема p-i-n .ипода на СВЧ показана на рис. 9.3. Сопротивление Rt и емкость С,- характеризуют непосредственно p-i-n структуру. Величины Lb и Ск определяются конструкцией диода. Онн образуются при подсоединении вводов к полупроводниковой пластине и за счет корпуса, в котором находится пластина. /?s -сумма сопротивлений р- и п-областей н сопротивления, связанного с контактами, подведенными к этим областям. 224

Рис. 9.3. Эквивалентная схема p-i-n диода.

Основным фактором, определяющим время переключения диода и быстродействие переключателя, является эффект накопления заряда в i-слое. При уменьшении напряжения смещения импеданс p-i-n структуры мгновенно не возрастает, за счет избыточной концентрации носителей заряда в -области, уменьшение которой происходит как вследствие рекомбинации, так и из-за переноса носителей через переход. Время восстановления при использовании только прямого смещения определяется главным образом процессом рекомбинации носителей заряда в (-области и составляет десятки микросекунд. Для уменьшения его в момент переключения на диод подается импульс обратной полярности амплитудой до 100 В. За счет сильного электрического поля в t-области происходит дополнительное вытягивание носителей заряда..

В качестве материала для получения p-i-n структур используются полупроводники, которые при отсутствии внешнего поля имеют наиболее высокое удельное сопротивление: обычно германий с p~i7 Ом-см и кремний с р~2-10 Ом-см.

Промышленностью освоены и выпускаются различные типы диодов с p-i-n структурой.

Конструкция диодов определяет конструкцию выключателя. При выполнении выключателя на базе коаксиальной линии целесообразно использовать корпусные диоды, конструкция которых позволяет включать их в разрыв центрального проводника, в то время как бескорпусные диоды наиболее удобны для использования в полосковых печатных схемах.

Выключатель мощности HMeet два состояния: открытое, когда подводимая СВЧ мощность без потерь проходит в нагрузку, и закрытое, когда уровень выделяемой в нагрузке мощности минимален и определяется качеством выключателя. Работа коммутатора характеризуется следующими электрическими параметрами: потерями пропускания; потерями запирания; КСВН со входа; мощностью управления; уровнем коммутируемой мощ-. ности.

15-792