СВЧ-ОГРАНИЧИТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК H01P1/22 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в приемных устройствах сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн для защиты их входных цепей от воздействия мощных радиоимпульсных помех.

Известен СВЧ-ограничитель, выполненный в виде волноводно-стержневой резонансной решетки, в которой пары стержней размещены в поперечной плоскости параллельно его широким стенкам, полупроводниковые диоды включены между концами стержней и узкими стенками волновода, а индуктивные штыри включены между серединами соседних пар стержней и широкими стенками волновода. Недостатком такого ограничителя является узкая полоса рабочих частот, в том числе и при минимальном числе диодов четырех.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является СВЧ-ограничитель, содержащий отрезок волновода, индуктивную диафрагму и размещенную в ее отверстии решетку из четного числа столбцов последовательно-согласно соединенных диодов с барьером Шоттки, в которой столбцы диодов расположены параллельно узким стенкам волновода, в одной половине столбцов диоды одноименными электродами ориентированы в одном направлении, в другой половине столбцов в противоположном и начала столбцов которой соединены с первой широкой стенкой волновода, компенсирующий конденсатор, первый электрод которого соединен с концами столбцов диодов, а второй электрод со второй широкой стенкой волновода. Недостатком устройства-прототипа является узкая полоса частот ограничиваемого сигнала.

Целью изобретения является расширение полосы частот ограничиваемого сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в СВЧ-ограничителе, содержащем отрезок волновода, размещенную поперек волновода решетку из четного числа столбцов последовательно соединенных диодов с барьером Шоттки, в которой столбцы диодов расположены параллельно узким стенкам волновода, в одной половине столбцов диоды одноименными электродами ориентированы в одном направлении, в другой половине столбцов в противоположном и начала столбцов которой соединены с первой широкой стенкой волновода, компенсирующий конденсатор, первый электрод которого соединен с концами столбцов диодов, а второй электрод со второй широкой стенкой волновода, и компенсирующий индуктивный элемент, расположенный в поперечной плоскости волновода и соединенный с первой широкой стенкой волновода, компенсирующий индуктивный элемент подключен параллельно столбцам диодов, при этом значения индуктивности компенсирующего индуктивного элемента и емкости компенсирующего конденсатора выбираются из соотношений:
L_к= 1/4 π²f2o

В частном случае компенсирующий индуктивный элемент выполняется из ориентированных параллельно узким стенкам волновода полосковых проводников, между которыми размещается не менее, чем по одному столбцу диодов.

На фиг.1 изображен предлагаемый СВЧ-ограничитель, а на фиг.2,а и б приведены его эквивалентные схемы соответственно для малого и большого уровней СВЧ-сигнала. На фиг. 3,а и б изображены эквивалентные схемы ограничителя-прототипа также для малого и большого уровней СВЧ-сигнала.

СВЧ-ограничитель содержит отрезок волновода 1, размещенную поперек волновода диэлектрическую (или полупроводниковую) пластину 2, на которой размещена решетка 3 из четного числа столбцов последовательно-согласно соединенных "безынерционных" диодов с барьером Шоттки например, арсенидо-галлиевых, в которой начала столбцов соединены с первой 4 (верхней по чертежу), широкой стенкой волновода, компенсирующий конденсатор, первый 5 электрод которого соединен с концами столбцов диодов, а второй 6 электрод со второй 7 широкой стенкой волновода, и компенсирующий индуктивный элемент 8, размещенный на диэлектрической пластине 2 и включенный параллельно решетке 3 из столбцов диодов. Первый 5 и второй 6 электроды компенсирующего конденсатора отделены друг от друга диэлектрическим зазором 9. Столбцы диодов в решетке расположены параллельно узким стенкам волновода. В одной половине столбцов диоды одноименными электродами ориентированы в одном направлении, в другой половине столбцов в противоположном. Компенсирующий индуктивный элемент в данном частном случае выполнен из трех ориентированных параллельно узким стенкам волновода полосковых проводников, между которыми размещено по два столбца диодов.

На эквивалентных схемах предлагаемого СВЧ-ограничителя (фиг.2, а и б) обозначено: С_p и R_p емкость и сопротивление решетки из столбцов диодов для слабого сигнала, L_p и r_p индуктивность и сопротивление решетки из столбцов диодов для сильного сигнала, L_к и С_к компенсирующие индуктивность и емкость.

На эквивалентных схемах ограничителя-прототипа (фиг.3,а и б) используются те же обозначения, что и на эквивалентных схемах предлагаемого устройства (значения L_p, C_p, R_p и r_p у сравниваемых устройств одинаковые, а L_к и L_к', также как и С_к и C_к разные).

Работает СВЧ-ограничитель следующим образом. При малом уровне СВ-сигнала, когда мгновенное значение напряжения на диодах не достигает напряжения открывания, шунтирующая волновод структура (включающая решетку из столбцов диодов и компенсирующие индуктивный элемент и конденсатор) имеет высокое полное сопротивление, значительно превышающее по абсолютной величине волновое сопротивление волновода. Ослабление, вносимое в СВЧ-тракт ограничителем, в этом случае имеет минимальное значение. При большом уровне СВЧ-сигнала в один полупериод колебаний открываются четные столбцы диодов, в другой полупериод колебаний нечетные. Полное сопротивление шунтирующей волновод структуры в этом случае становится много меньшим по абсолютной величине волнового сопротивления волновода, а ослабление, вносимое ограничителем в СВЧ-тракт, большим. Компенсации реактивностей в ограничителе обеспечивает максимальное отношение ослаблений ограничиваемого и неограничиваемого сигналов. При малом СВЧ-сигнале эквивалентная схема ограничителя представляет параллельный колебательный контур шунтирующий волновод (фиг.2, а), при большом СВЧ-сигнале эквивалентная схема ограничителя представляет последовательный колебательный контур, шунтирующий волновод (фиг.2,б). Четное число столбцов "безынерционных" диодов с противоположно ориентированными электродами обеспечивает симметричное ограничение СВЧ-сигнала, что также увеличивает ослабление сильного сигнала.

Расширение полосы частот ограничиваемого сигнала в заявляемом устройстве по отношению к устройству-прототипу достигается уменьшением добротности шунтирующего волновод последовательного колебательного контура, образующегося при поступлении на вход ограничителя мощного СВЧ-сигнала. Уменьшение добротности последовательного колебательного контура в свою очередь достигается уменьшением значения его индуктивности. В устройстве-прототипе индуктивность последовательность колебательного контура равна L_p, в предлагаемом устройстве L_pL_к/(L_p + L_к), где L_к≈(2-10)L_p. Расширение полости частот для ограничиваемого сигнала в предлагаемом устройстве достигает 10-50% по отношению к устройству-прототипу (чем больше паразитные емкости диодов, тем больше выигрыш в полосе частот).

Заявляемая совокупность признаков отсутствует в известных СВЧ-ограничителях и других СВЧ полупроводниковых управляющих устройствах. Поэтому предлагаемое техническое решение удовлетворяет критерию "существенные отличия".

Сравнительные испытания заявляемого СВЧ-ограничителя и ограничителя-прототипа, выполненных на основе 24 диодов, с барьером Шоттки (оба ограничителя содержали восемь столбцов диодов по три в каждом) и отличающихся только конструкцией и местом включения компенсирующих индуктивных элементов (в устройстве-прототипе в качестве индуктивного элемента использовались две индуктивные перегородки, расположенные у узких стенок волновода и закорачивающие его широкие стенки, у предлагаемого устройства индуктивный элемент выполнялся в виде двух полосковых проводников, включенных параллельно столбцам диодов) показал, что относительная полоса заграждаемых частот на уровне 20 дБ у заявляемого устройства была на 16% больше, чем у устройства-прототипа.

Преимущество заявляемого СВЧ-ограничителя по сравнению с СВЧ-ограничителем-прототипом состоит в расширении полосы частот ограничиваемого сигнала на 10-50%

Использование: в приемных устройствах сантиметрового и миллиметрового диапазона волн для защиты их входных цепей от воздействия мощных радиоимпульсных помех. Сущность изобретения: устройство содержит отрезок волновода, размещенную поперек волновода матрицу из четного числа столбцов последовательно соединенных диодов с барьером Шоттки. Столбцы диодов расположены параллельно узким стенкам волновода, в одной половине столбцов диоды одноименными электродами ориентированы в одном направлении, в другой половине столбцов - в противополоджном направлении. Начала столбцов соединены с первой широкой стенкой волновода. Компенсирующий индуктивный элемент включен параллельно столбцам диодов, а компенсирующий конденсатор первым электродом соединен с концами столбцов и вторым электродом - со второй широкой стенкой волновода. 3 ил.

СВЧ-ограничитель, содержащий прямоугольный волновод, диэлектрическую подложку, расположенную поперек волновода, и размещенную на диэлектрической подложке матрицу из полупроводниковых диодов с барьером Шоттки с четным числом столбцов, начала которых соединены с одной из широких стенок прямоугольного волновода, компенсирующий индуктивный элемент, включенный параллельно диодным столбцам, и конденсатор, отличающийся тем, что полупроводниковые диоды, включенные в нечетных столбцах, ориентированы одноименными электродами в одном направлении, а в четных столбцах в противоположном, при этом конденсатор включен между концами столбцов и другой, ближайшей к ним, широкой стенкой волновода.