СВЧ-ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК H01P1/15 

Изобретение относится к радиоэлектронной технике и может использоваться в цепях коммутации СВЧ-мощности, преимущественно при конструировании микрополосковых выключателей и переключателей, выполненных по каскадной схеме с последовательно установленными коммутирующими диодами.

Известны конструкции двухканального переключателя СВЧ (Хижа Г.С., Вендик И.Б. и Серебрякова, СВЧ-фазовращатели и переключатели. М.: Радио и связь, 1984, с. 23, 122-128), выключатели которого содержат три и более коммутирующих диодов. Часть диодов включена в линии передачи последовательно, остальные - параллельно. Между диодами включены отрезки линии передачи различной электрической длины. Длина этих отрезков выбирается из условия максимальности потерь запирания.

Такие выключатели обладают высокими значениями потерь запирания l_з≃ 60 дБ в широкой полосе частот. Однако недостатками их является большая неравномерность потерь пропускания в широкой полосе частот (1-4 дБ при Δ f = 1-20 ГГц), сложность схемы (для достижения указанных параметров необходимо использовать не менее трех диодов и не менее двух отрезков линий передачи), а также сложность расчета конструкции.

Известна также конструкция выключателя, содержащая три коммутирующих диода, включенных последовательно в линию передачи с волновым сопротивлением 50 Ом [1]. Между диодами последовательно включены два отрезка линии передачи электрической длины λ /4 с волновым сопротивлением 50 Ом. Этот выключатель обладает достаточно равномерным и высоким коэффициентом потерь запирания l_з > 50 дБ в сверхширокой полосе частот 0,2-20 ГГц. Однако потери пропускания такого выключателя тоже высоки и составляют 1,5 дБ при Δ f = = 1-20 ГГц.

Наиболее близким к заявляемому является СВЧ-выключатель, содержащий два последовательно включенных коммутирующих диода, разделенных отрезком линии передачи электрической длиной λ /4, один из которых подключен к входной, а другой - к выходной линиям передачи [2]. Волновые сопротивления входной и выходной линий передачи и отрезка линии передачи равны 50 Ом.

Электрическая волна, поступающая из входной линии передачи, проходит через оба открытых коммутирующих диода в выходную линию передачи. Отраженные от обоих диодов волны интерферируют во входной линии и взаимно уничтожают друг друга, так как разность фаз между ними, определяемая электрической длиной отрезка линии передачи между диодами, равна 180^о.

Этот выключатель обладает достаточно высокими значениями потерь запирания l_n 40 дБ в широкой полосе частот. Существенным недостатком такого выключателя является быстрый рост потерь пропускания с ростом частоты.

Целью изобретения является уменьшение потерь пропускания в широкой полосе частот.

Это достигается тем, что в СВЧ-выключателе, содержащем первый, второй и третий полоски микроволновой линии передачи (МПЛ) одинаковой ширины, расположенные в первой плоскости, заземленную пластину, расположенную во второй плоскости, параллельной первой, два коммутирующих диода, один из которых включен между выходным концом первого и входным концом второго полоска, а другой - между выходным концом второго и входным концом третьего полоска, при этом входной конец первого полоска и выходной конец третьего являются соответственно входом и выходом СВЧ-выключателя, в первой плоскости расположен введенный заземленный проводник, выполненный в виде равнобедренной трапеции, высота которой не менее удвоенной ширины каждого из полосков, ее меньшее основание размещено между диодами параллельно ребру второго полоска, и его длина l_о, равная длине второго полоска, выбрана из условия
l_o = arctg __→
__→ , (1) где С_ф - фазовая скорость волны в отрезке линии, образованной вторым полоском, заземленной пластиной и введенным проводником;
Z_o - волновое сопротивление этой линии;
Z₁₂ - волновое сопротивление линий, образованных первым и третьим полосками и заземленной пластиной;
R_d, J_d - активная и реактивная составляющие сопротивления диода;
f_o = 0,857934 f_max + 0,00243513 L/Z_o + +0,00184178 Lf_max/Z_o;
f_max - максимальная частота рабочего диапазона;
L - индуктивность выводов диодов, при этом введенный заземленный проводник связан электромагнитно с вторым полоском.

На фиг. 1 представлены зависимости потерь пропускания от частоты известного СВЧ-выключателя (кривая 1) и предлагаемого (кривая 2); на фиг.2 - конструкция предложенного СВЧ-выключателя.

Выключатель содержит диэлектрическую подложку 1, помещенную в металлический корпус 2. На подложке в первой плоскости расположены первый, второй и третий полоски 3,4,5 микроволновой линии передачи и заземленный проводник 6, выполненный в виде равнобедренной трапеции. Между выходным концом полоска 3 и входным концом полоска 4 включен коммутирующий диод 6, а между выходным концом полоска 4 и входным концом полоска 5 - коммутирующий диод 7. Входной конец полоска 3 и выходной конец полоска 5 являются соответственно входом и выходом выключателя, для подсоединения которого к внешним цепям СВЧ установлены входной и выходной разъемы 8 и 9. Высота трапеции 6 не менее удвоенной ширины каждого из полосков 3,4,5, ее меньшее основание 10 размещено между коммутирующими диодами 6 и 7 параллельно ребру полоска 4, а длина l_о ее меньшего основания 10, равная длине полоска 4, выбрана из условия (1). Заземленный проводник 6 связан электромагнитно с полоском 4. Внутри корпуса 2 расположены дроссели 11, 12, 13 и конденсатор 14. Для подачи управляющего сигнала установлен разъем 15.

Устройство работает следующим образом.

Через разъем 15 подают ток, открывающий диоды 6 и 7, в результате чего выключатель переходит в состояние "Открыто". Электромагнитная волна, поступающая через разъем 8, частично поглощается диодами 6 и 7, частично ими отражается, оставшаяся большая часть поступает в нагрузку через разъем 9. Заземленный проводник 6 уменьшает волновое сопротивление Z_o отрезка МПЛ с полоском 4 за счет увеличения погонной емкости МПЛ. Волновое сопротивление отрезка можно вычислить, например, по следующей формуле:
Z_o = C_oε_o· ×
× , (2) где С_о - скорость света в вакууме;
ε_o - диэлектрическая постоянная;
W_e= 120·Π·h/Z;
ε_r - диэлектрическая проницаемость материала подложки;
Z, ε_rэ - волновое сопротивление и эффективная диэлектрическая проницаемость МПЛ при отсутствии заземленного проводника;
k(k), k(k₁), k'(k), k'(k₁) - полные эллиптические интегралы второго рода;
W_в = [W_e( ε_rэ - 1)/( ε_r - 1) - W].

h - высота диэлектрической подложки.

Фазы электромагнитных волн испытывают дополнительные приращения за счет скачков волновых сопротивлений линий, соединяемых диодами. Эти приращения имеют противоположные знаки при переходе волны с МПЛ с высоким Z_o на МПЛ с низким Z_o или наоборот. Этот факт использован при вычислении длины l_o полоска 4 по формуле 1 (Z_o, Z₁₂ - волновые сопротивления соответственно отрезков 16, 18, отрезка МПЛ с полоском 4 и отрезков МПЛ с полосками 3 и 5).

Входная волна, проходя через диод 6 претерпевает скачок фазы. Отражаясь от диода 7, она приобретает приращение фазы противоположного знака так, что в отрезке МПЛ с полоском 3, складываясь, волны, отраженные от диодов, компенсируют друг друга. Электрическая длина отрезка МПЛ с полоском 4, соответствующая l^o, имеет значение, меньшее 90, и тем меньше, чем сильнее отличаются волновые сопротивления отрезка МПЛ с полоском 4 и отрезков с полосками 3 и 5, длина этого отрезка обеспечивает минимум потерь пропускания на частоте f_o и максимальную равномерность АЧХ выключателя вплоть до частоты f_max.

Уменьшение электрической длины отрезка МПЛ с полоском 4 снижает резонансный характер АЧХ выключателя. Поэтому потери пропускания в заданном частотном диапазоне в предлагаемой конструкции выключателя всегда ниже потерь выключателя по прототипу, в котором электрическая длина отрезков МПЛ, соединяющих коммутирующие диоды, равна 90. Уровень потерь запирания при этом не уменьшается.

Уменьшить волновое сопротивление отрезка 17 микрополосковой линии передачи можно также уширением проводника МПЛ. Однако этот путь является мало перспективным, так как способствует возбуждению высших типов волн, искажающих АЧХ выключателя и сводящих к минимуму положительный эффект.

Использование предлагаемой конструкции выключателя СВЧ дает возможность конструировать компактные и простые выключатели и переключатели СВЧ. Предлагаемый выключатель незаменим в тех случаях, когда от коммутирующего устройства требуются минимальные потери пропускания, широкая полоса пропускания, хорошая фазочастотная характеристика.

Выключатель позволяет применять генераторы меньшей мощности. В устройствах измерения предлагаемый переключатель уменьшает погрешности измерения, увеличивает полосу рабочих частот, упрощает управление коммутирующими схемами. При использовании в качестве защитного устройства предложенная конструкция выключателя уменьшает коэффициент шума радиоприемных устройств СВЧ.

Использование: в цепях коммутации СВЧ-мощности. Сущность изобретения: СВЧ-выключатель содержит первый, второй, третий полоски одинаковой ширины, расположенные в первой колонке, два коммутирующих диода, один из которых включен между первым и вторым, а другой - между вторым и третьим полосками, и введенный заземленный проводник, выполненный в виде равнобедренной трапеции, расположенный в первой плоскости, меньшее основание которой размещено между диодами параллельно ребру второго полоска и имеет равную с ним длину, определяемую заявленным соотношением, при этом высота трапеции не менее удвоенной ширины каждого из полосков. 2 ил.

СВЧ-ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ, содержащий первый, второй и третий полоски микрополосковой линии передачи одинаковой ширины, расположенные в первой плоскости, два коммутирующих диода, один из которых включен между выходным концом первого и входным концом второго полосков, а другой - между выходным концом второго и входным концом третьего полосков, при этом входной конец первого полоска и выходной конец третьего являются соответственно входом и выходом СВЧ-выключателя, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь пропускания, в первой плоскости расположен введенный заземленный проводник, выполненный в виде равнобедренной трапеции, высота которой не менее удвоенной ширины каждого из полосков, ее меньшее основание размещено между диодами параллельно ребру второго полоска и его длина l₀, равная длине второго полоска, выбрана из условия
l₀= arctg241 + + - 22 + + +
41 + - + +2- + + +
где C_ф - фазовая скорость волны в отрезке линии, образованной вторым полоском и введенным проводником;
Z₀ - волновое сопротивление этой линии;
Z₁₂ - волновое сопротивление линий, образованных первым и третьим полосками;
R_d, J_d - активная и реактивная составляющие сопротивления диода;
f₀ = 0,857934 f_max + 0,00243513 L / Z₀ +
+ 0,00184178 L( f_max / Z₀) ,
f_мах - максимальная частота рабочего диапазона;
L - индуктивного выводов диодов,
при этом введенный заземленный проводник связан электромагнитно с вторым полоском.