Коммутатор СВЧ импульсов с субнаносекундными фронтами

 

Ибраимов Бекайдар Бекказыевич,

магистрант кафедры радиотехники и защиты информации Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

 

В статье описано использование волновода как быстродействующего коммутатора на СВЧ мощностях и рассматривается решение проблемы формирования СВЧ импульсов с субнаносекундными фронтами. Доказано, что волновод можно использовать как субнаносекудный переключатель в телекоммуникации.

Ключевые слова: СВЧ мощности, быстродействующий коммутатор, S-диод, субнаносекудный переключатель, формирование СВЧ импульсов.

 

Введение

 

В последние годы большое внимание уделяется разработке радиотехнических систем с высоким временным разрешением. Подобные системы широко используются при передаче информации с гигабитовыми скоростями, в телекоммуникации, связи, локационных системах и многих других. Повышение разрешающей способности требует уменьшения длительности переходных процессов и перехода к использованию в системах субнаносекундных импульсов. В данной работе рассматривается решение проблемы формирования СВЧ импульсов с субнаносекундными фронтами [1].

Использование традиционных подходов, связанных с модуляцией источника питания или управляющего напряжения источников СВЧ излучения не позволяют получить времена переходных процессов менее нескольких десятков наносекунд из-за высокой добротности резонансных систем. Решение возникшей проблемы связано с разработкой быстродействующих субнаносекундных коммутаторов повышенной мощности.

Наиболее интересные результаты разработок коммутаторов зарубежных фирм приведены в таблице 1.

 

Таблица 1.

Быстродействующие коммутаторы.

Компания	Наименование	Мощность, Вт	Полоса частот, ГГц	Время переключения, нс
Dow Key	511H-730322-1	140	2,4-4,8	15
Спектран	SPC02	1000	0-12	100
Hittite Microwave	HMC484MS8G	40	3	2
Hittite Microwave	HMC427LP3	43	8	4

 

Как следует из таблицы 1, разработанные СВЧ переключатели не позволяют коммутировать мощности в десятки-сотни Вт с субнаносекундным временным разрешением, поэтому разработка и исследование подобных переключателей является актуальной [2, 3].

При разработке быстродействующих коммутаторов необходимо обеспечить малые вносимые потери при прохождении СВЧ сигнала и значительную развязку между генератором и нагрузкой при отключенном коммутаторе. Напряжение СВЧ сигнала в десятки-сотни вольт делает невозможным использование диодов Шоттки, имеющих малое время переключения. PIN-диод, используемый в переключателях сантиметрового диапазона волн и позволяющий коммутировать киловаттные мощности, имеет значительные времена переходных процессов. При поиске возможных вариантов управления СВЧ сигналом были проведены исследования по возможности применения в качестве коммутирующего элемента лавинного S-диода, особенностью которого являются большие напряжения включения и субнаносекундные времена переключения. Диоды предназначены для формирования видеоимпульсов с субнаносекундными временами нарастания и спада, радиоимпульсов наносекундной длительности при ударном возбуждении резонансных контуров.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) лавинного S-диода и его эквивалентная схема приведены на рисунке 1.

 

Рис. 1. а) ВАХ S-диода; б) эквивалентная схема диода.

 

Отличительной особенностью лавинных диодов является наличие в обратной ветви вольт-амперной характеристики участка отрицательного дифференциального сопротивления S-типа, разделяющего два устойчивых состояния: высокоомное с R~10*9 Ом и проводящее с R~10 Ом. Переключение диода из одного состояния к другое происходит при достижении на p-n переходе напряжения, достаточного для развития в нем лавинного пробоя (100-500 В). Справочное время диода переключения 0,2-0,35 нс. Недостатком диода является значительная величина емкости Ск, равная 0,4 пФ. Преимуществом использования лавинного диода в качестве коммутатора является эффект задержки лавинного пробоя , позволяющий существенно увеличить напряжение включения и поднять уровень коммутируемого СВЧ сигнала[4].

 

1.                  Использование S-диода в режиме коммутатора.

Переключение S-диода из одного состояния в другое происходит при достижении напряжения смещения выше порогового U=U_вкл, где U_вкл-напряжение переключения в проводящее состояние, достаточного для формирования лавинного пробоя. При переходе S-диода из «закрытого» состояния в «открытое» формируется мощный импульс тока до 15 А.

Типичная структурная схема формирователя импульсов тока с помощью S-диода приведена на рис. 2.

 

Рис. 2. Схема формирователя импульсов.

 

ИП-источник питания, - ограничительное сопротивление, определяющие скорость заряда накопителя. Н-накопитель энергии (сосредоточенная емкость или отрезок коаксиальной линии), - сопротивление нагрузки. При использовании в качестве накопителя сосредоточенной емкости формируется треугольный импульс, при использовании отрезка линии – прямоугольный импульс с чрезвычайно короткими фронтами [5].

 

2.                  Результаты исследование коммутатора.

Электрическая схема СВЧ коммутатора изображена на рисунке 3.

 

Рис. 3. Электрическая схема.

 

Используя за основу вышеуказанную схему СВЧ коммутатора, был разработан волноводный вариант коммутатора на основе S-диода. На рисунке 4.а изображена фотография изготовленного СВЧ коммутатора. Элемент (S-диод) коммутатора посажен на головке винта и этот винт вкручен снизу волновода. В волновод сверху входит изолированная от корпуса втулка и прижимает S-диод, который закреплен на винте, не повреждая кристалл S-диода. Вся конструкция называется коммутатор [6].

 

Рис. 4. а) коммутатора с S-диода; б) S-диод.

 

 

Эквивалентная проводимость емкостной диафрагмы:

Емкость волновода:

 

3.                  Схема экспериментальной части.

 

Рис. 7. Схема установки.

 

·                    U1 – амплитуда 5В, длительность 0,5 мкс, положительной полярности, частота менее 10 кГц.

·                    U2 – Пилообразное напряжение положительной полярности длительностью около 300 нс, амплитуда на холостом ход более 300В.

·                    U3 – Задержка импульса должна обеспечить совмещение СВЧ импульса с моментом срабатывания коммутатора. Задержка срабатывания коммутатора относительно U1 около 200 нс.

·                    U5 – U6 СВЧ импульс частотой заполнения более 10ГГц Мощность, подаваемая на вход коммутатора, должна управляться.

 

4. Результаты исследований коммутатора.

В результате исследований коммутатора было доказано, что сама идея работает. От генератора мы подали на вход 1 кГц импульсного источника питания и на выходе получили 330В, как нам и нужно было. Затем подключили коммутатор на выход импульсного источника и увидели срабатывание S-диода, диод переключился на 220В. После убеждения, что все компоненты работают мы параллельно на коммутатор подали СВЧ мощность и работали на частоте 8,5ГГц. Широкая полоса в начале развертки-радиоимпульс с магнетрона после делителя. Колебания на участке 200-230 нс, вызванные прямым прохождением высоковольтного импульса формирователя. На участке 240-260 нс, переходные процессы в S-диода. Включение S-диода, длительность импульса коммутатора 10нс. Время переключения зафиксировать не удалось, но мы видим, что фронт очень крутой.

 

Рис. 8. Формы СВЧ импульса после коммутатора.

 

Заключение

 

Разработан быстродействующий коммутатор на лавинном S-диоде. Произведен расчет эквивалентной емкости сужения волновода и индуктивности конструкции питания диода. Полученные экспериментальные результаты близки к расчетным. Доказательство возможности использования подобных диодов для коммутации СВЧ сигналов повышенной мощности показывает перспективное направление развития мощных импульсных генераторов с короткими фронтами радиоимпульсов.

 

Литература

 

1.                  Н.В. Щаврук. Сравнение переключателей для коммутации СВЧ сигнала. Меж.конф. (Москва 2-6 декабря 2013 г).

2.                  В. Дьяконов. Монолитные микросхемы коммутаторов СВЧ-сигнала.           URL: http://www.rtkt.ru/files/HMC484MS8G.pdf. (дата обращения 19.03.2015).

3.                  Компания «Спектран». Производители СВЧ коммутаторов. URL: http://spectran.org/svch-kvch/smesit-spm02.html. (дата обращения: 21.03.2015).

4.                  В. Н. Ильюшенко, Б. И. Авдоченко, В. Ю. Баранов и др. Пикосекундная импульсная техника. // Под ред. В. Н. Ильюшенко. – М.: Энергоатомиздат, 1993, 368 с.

5.                  Б.А. Наливайко А.С. Берлин. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Томск МГП «Раско», 1992 г.74-77 с.

6.                  А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич, В.П. Смирнов. По элементам волноводной техники. Москва 1963 г. 76-88 с.

 

Поступила в редакцию 18.05.2015 г.