2.1.2. Ограничительные диоды

Ограничительные диоды служат для ограничения (стабилизации) уровня мощности в трактах СВЧ и для защиты входных цепей приемников от воздействия мощных СВЧ-сигналов. Назначение ограничительных диодов легко пояснить на примере простейшей схемы приемника СВЧ-сигналов, показанной на рис. 2.1. В этой схеме обратносмещенный диод включен параллельно в линию передачи, соединяющую вход (антенну) с нагрузкой (входом усилителя приемника). Если из антенны поступает слабый сигнал, то он проходит по линии передачи на вход усилителя практически без ослабления. Когда же мощность сигнала превышает некоторое значение, называемое порогом ограничения, часть ее отражается. Причиной этого эффекта ограничения мощности СВЧ является изменение полного входного сопротивления диода под воздействием выпрямленного тока. Таким образом, ограничительное устройство аналогично по принципу действия переключателю и отличается от него тем, что режим прямого смещения задается не от источника питания, а непосредственно под действием СВЧ мощности самого управляемого сигнала. Такой диод называется ограничительным.

Вольтамперная характеристика и структура ограничительного диода такие же, как я у переключательного p-i-n диода (рис. 2.2 и рис. 2.4) и различаются малой толщиной -области (единицы микрометров). Вследствие этого рекомбинация неравновесных носителей происходит главным образом в- и-областях. Выпрямленный ток ограничительных диодов невелик из-за того, что время жизни неравновесных носителей заряда (5…10 нс) много больше длительности периода СВЧ-колебаний. В результате за время положительного полупериода срекомбинирует только незначительная часть инжектированных носителей заряда, что уменьшает скорость изменения сопротивления диода и снижает эффективность ограничителя. Для ее повышения ограничительные диоды целесообразно использовать в схемах с короткозамкнутой внешней цепью без внешнего смещения.

На рис. 2.7 и рис. 2.8 приведены типичные зависимости выходной мощности от входной для диодов с различными напряжениями смещения и толщиной -области. Эти зависимости называются ограничительными характеристиками диода.

При фиксированной толщине слоя собственного полупроводника порог ограничения можно регулировать путем изменения напряжения смещения (рис. 2.7). Понятно, что прямое смещение снижает порог ограничения, а обратное – увеличивает. Таким образом, ограничитель – устройство, использующее нелинейность ВАХ диода для ограничения мощности, проходящей через диодную секцию в нагрузку. При том, естественно, может иметься некоторое постоянное смещение, регулирующее уровень максимальной выходной мощности ограничителя. В ограничительных устройствах диод параллельно включается в СВЧ-тракт; если мощность СВЧ-сигнала превышает определенный уровень, диод открывается и отражение от него резко возрастает.

2.2. Описание объекта исследований

Вработе исследуются двухканальное (рис. 2.3) переключающее и ограничительное устройства в коаксиальном исполнении. В качестве диодов использованы кремниевые эпитаксиальные диоды сp-i-nструктурой, предназначенные для работы в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Они выпускаются в металлокерамическом корпусе с жесткими выводами (рис. 2.9).

Типичные эксплуатационные характеристики (при температуре корпуса от 213 до 373 К):

– рассеиваемая мощность: 2…5 Вт;

– постоянное обратное напряжение: 200 В;

– мгновенное обратное напряжение: 300…500 В;

– постоянный прямой ток: 200 мА.