Продолжительность работы - 4 ч. Теоретические сведения

Теоретические сведения

Устройства на основе управляющих pin -диодов используются в трактах приемопередающих устройств и предназначены для управления амплитудой и фазой СВЧ-сигнала.

Структура, принцип работы и эквивалентная схема pin -диода

Структура типичного pin -диода (рис.1) характеризуется тем, что между двумя сильно легированными областями очень низкого сопротивления p ⁺ и n ⁺ находится активная i -область, которая называется обедненной или базовой областью диода.

Рис.1. Структура pin- диода ираспределение в ней примесей

Базовая область диода имеет высокое удельное сопротивление (обычно , а в ряде приборов ) и относительно большое время жизни носителей заряда (электронов и дырок) .

В управляющих устройствах pin -диоды используются в двух рабочих состояниях: одно соответствует прямому смещению, другое - обратному.

При прямом смещении происходит инжекция неосновных носителей из p ⁺- и n ⁺-областей в i- область, превращающая pin- диод в активное сопротивление, измеряемое единицами или долями Ом. При нулевом или обратном смещении i- область становится запирающим слоем с очень малой емкостью (единицы или доли пикофарад).

Эквивалентные схемы диода, соответствующие этим состояниям приведены на рис.2.

б

a

Рис.2. Эквивалентная схема диода: а - в открытом состоянии;
б - в закрытом состоянии

Особенности pin -структуры, характерные для работы этих диодов, заключаются в следующем.

При прямом смещении на достаточно высоких частотах f () диффузионная емкость p ⁺ i - и n ⁺ i -переходов диода полностью их шунтирует, таким образом эквивалентная схема сводится к рис.2, а, где r _пр - сопротивление базы, определяемое прямым током. Обычно значения r _пр в рабочем режиме близки по величине к 1 Ом.

При обратном смещении эквивалентная схема pin -диода представляется в виде рис.2, б, где r _обр - сопротивление i -области. Обычно сопротивление r _обр= 0,1 ÷ 10 кОм.

Таким образом, при работе в диапазоне СВЧ pin -диод (без учета паразитных параметров корпуса) представляет собой нелинейный резистор, сопротивление которого при прямом смещении значительно меньше, чем при обратном, при этом величина сопротивления r _пр зависит от прямого тока.

На рис.3 приведена эквивалентная схема pin -диода, учитывающая состояние диода как при прямом, так и при обратном смещении. В этой схеме сопротивление r_s обусловлено потерями в полупроводнике и выводах диода.

Рис.3. Эквивалентная схема диода с учетом корпуса

Типичные параметры корпуса диода: индуктивность выводов и емкость корпуса диода составляют , соответственно.

Петлевой фазовращатель

На рис.4 приведена схема петлевого фазовращателя с использованием pin -диодов [1].

Расстояние между точками 1 и 2 много меньше длины волны, поэтому можно считать, что диод VD ₁ включен непосредственно между точками 1 и 2. Фазу сигнала определяет длина петли.

Если диоды VD ₁ и VD ₂ закрыты, то сигнал проходит по петле. Электрическая длина петли φ₁ определяет изменение фазы сигнала при переключении диодов из открытого состояния в закрытое.

Если диоды открыты, сигнал проходит через диод VD ₁, и к середине петли подключается короткозамкнутый отрезок с электрической длиной φ₂, чтобы обеспечить бесконечное сопротивление в точках 1 и 2 со стороны петли.

Длину петли фазовращателя можно определить по формуле

, (1)

где - электрическая длина петли; - постоянная распространения основного типа колебаний в петле фазовращателя, , - длина волны в линии; - длина волны в свободном пространстве.

Электрическую длину отрезка φ₂ можно найти из соотношения

, (2)

где - целое число.

Обычно n = 1. Для этого случая

, (3)

где - постоянная распространения основного типа колебаний в короткозамкнутом шлейфе, , - длина волны в линии.

Из условия обеспечения согласования по входу необходимо, чтобы волновое сопротивление петли равнялось (см. рис.2 и 3) [1]

, (4)

Из следующего выражения определяем :

. (5)

Моделирование петлевого фазовращателя
с помощью программы Microwave Office

Модель pin -диода

При моделировании используем модель pin -диода PIN2, находящуюся в каталоге элементов в разделе Linear Devices. Вид этой модели приведен на рис.5, а описание входящих в нее элементов - в табл.1.

Рис.5. Представление модели pin -диода в виде эквивалентной схемы

Синтаксис уравнений в Microwave Office

Уравнения - это блоки, в которых описаны связи переменных. Переменной является величина, которая может быть числом или любым математическим выражением.

Таблица 1