ВОЛНОВОДНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H01P1/15 

Изобретение относится к области СВЧ-радиоэлектроники и может быть использовано в качестве волноводного выключателя или импульсного модулятора дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн.

Известен волноводный выключатель, содержащий отрезок прямоугольного волновода, в Е-плоскости которого установлена диэлектрическая пластина, одна сторона которой металлизирована и разделена щелевым зазором, при этом поперек зазора включен по крайней мере один бескорпусной полупроводниковый диод, параллельно которому подключена цепочка, содержащая последовательно соединенные первый безвыводной конденсатор, индуктивную перемычку и второй безвыводной конденсатор [1] . Недостатком устройства является относительно небольшой диапазон рабочих частот, обусловленный резонансным характером шунтирующей щелевую линию цепи в положении "открыто", и относительно малое ослабление в положении "закрыто".

Наиболее близким к заявляемому устройству является волноводный выключатель, содержащий корпус, состоящий из двух разъемных в Е-плоскости волновода частей с отверстием, проходящим в плоскости их соединения перпендикулярно продольной оси волновода, щелевую линию с плавно увеличивающейся шириной зазора к обеим ее концам, образованную подложкой и расположенными на одной ее стороне первым и вторым полосковыми проводниками, оканчивающимися консольными, выступающими за границы подложки концами полосковых проводников, расположенных между соединяемыми частями корпуса, несколько полупроводниковых диодов, размещенных вдоль щелевой линии и соединенных одноименными электродами с внутренним, примыкающим к щелевому зазору линии, краем первого полоскового проводника, несколько безвыводных конденсаторов, число которых равно числу полупроводниковых диодов, соединенных своими первыми обкладками с внутренним, примыкающим к щелевому зазору линии, краем второго полоскового проводника, при этом конденсаторы размещены напротив полупроводниковых диодов и соединены своими вторыми обкладками с другими одноименными электродами полупроводниковых диодов при помощи соединительных проводников, и несколько изолированных от корпуса проводников цепи управления полупроводниковыми диодами, соединенных одними концами с вторыми обкладками конденсаторов, а другими концами - между собой, при этом соединенные между собой концы проводников образуют общий вывод названной цепи. Недостатком выключателя-прототипа является недостаточное для большинства применений отношение ослаблении в положениях "закрыто" и "открыто" и невысокая переключаемая мощность.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое решение, является получение максимального отношения ослаблении в положениях "закрыто" и "открыто" и увеличение переключаемой мощности.

Это достигается тем, что в волноводном выключателе, содержащем корпус, состоящий из двух разъемных в Е-плоскости волновода частей с отверстием, проходящим в плоскости их соединения перпендикулярно продольной оси волновода, щелевую линию, образованную подложкой и расположенными на одной ее стороне первым и вторым проводящими СВЧ-токи слоями, разделенными щелевым зазором и оканчивающимися консольными, выступающими за границы подложки концами полосковых проводников, расположенных между соединяемыми частями корпуса, несколько полупроводниковых диодов, размещенных вдоль щелевой линии и соединенных одноименными электродами с внутренним, примыкающим к щелевому зазору линии краем первого проводящего СВЧ-токи слоя, и изолированный от корпуса проводник цепи управления диодами, часть которого проходит внутри названного отверстия, последовательно с каждым из упомянутых диодов и краем второго проводящего слоя, примыкающего к щелевому зазору линии, дополнительно включены несколько полупроводниковых диодов, диоды в каждой из шунтирующих щелевую линию цепочек включены последовательно-согласно, количество цепочек диодов, шунтирующих щелевую линию, выбирается в пределах 10-20, электрическая длина волноводно-щелевой линии с размещенными в ней цепочками диодов составляет половину средней рабочей длины волны, а волновод корпуса в месте размещения щелевой линии или ее части выполнен запредельным в диапазоне рабочих частот устройства. Количество диодов в каждой шунтирующей цепочке выбирается в пределах трех-пяти. Каскадно с волноводно-щелевой линией с обеих ее сторон размещены два волноводных согласующих трансформатора, электрическая длина которых равна четверти средней рабочей длины волны устройства и волновое сопротивление которых равно где Z_в - волновое сопротивление устройства, Z_вщ - волновое сопротивление волноводно-щелевой линии. Электрическая длина запредельной части волновода с размещенной в ней всей или частью волноводно-щелевой линии с цепочками диодов выбирается в пределах (0,50-0,25)λ_ср, где λ_ср- средняя рабочая длина волны устройства.

В частном случае отрезок волновода, в котором размещается щелевая линия, и два волноводных согласующих трансформатора выполняются гребневыми, расстояния между гребнями в отрезке волновода, в котором размещается щелевая линия, и в волноводных согласующих трансформаторах выбираются одинаковыми, при этом щелевая линия располагается между половинками обоих гребней. Форма сечений отрезка волновода, в котором размещена щелевая линия, и волноводных согласующих трансформаторов в частном случае представляет два круга, соединенных между собой промежутком между гребнями, при этом части обеих окружностей образуют направляющие боковых стенок обоих гребней.

В первом варианте устройства внешние контуры первого и второго проводящих СВЧ-токи слоев щелевой линии выполняются в форме прямоугольников, при этом второй проводящий слой содержит три полосковых проводника, первый из которых выполняет роль проводника цепи управления полупроводниковыми диодами и имеет Т-образную форму, второй и третий полосковые проводники имеют прямоугольную форму и располагаются под плечами первого полоскового проводника и отделяются от него двумя емкостными Г-образными зазорами, внешние края обоих плеч первого полоскового проводника образуют край второго проводящего слоя, примыкающего к щелевому зазору линии, часть первого полоскового проводника, расположенная перпендикулярно его плечам, размещается в вышеназванном отверстии, а вторые и третьи полосковые проводники соединяются с корпусом при помощи выступающих за пределы подложки консольных частей. Во втором варианте устройства в корпусе соосно с упомянутым отверстием, в плоскости соединения разъемных частей, выполняется второе отверстие, аналогичное упомянутому и расположенное симметрично ему относительно продольной оси волновода, и первый, проводящий СВЧ-токи слой щелевой линии изготовляется идентичным второму.

В частном случае подложка щелевой линии выполняется из полупроводниковой пластины, в которой формируются цепочки полупроводниковых диодов.

На фиг.1 приведена конструкция волноводного выключателя (один из возможных вариантов заявляемого устройства), а на фиг.2 и 3 схематично изображены два варианта щелевой линии с цепочками полупроводниковых диодов (щелевая линия размещается между соединяемыми частями корпуса).

На фиг. 1 изображена конструкция волноводного выключателя, содержащего корпус, состоящий из двух разъемных в Е-плоскости волновода частей 1 и 2, скрепленных между собой двумя винтами 3. Внутреннее пространство части 1, в которой размещен формирователь импульсов управления полупроводниковыми диодами (на чертеже не показан), герметично закрыто крышкой 4. С частью 1 корпуса соединены две приборные части 5 разъемов цепей питания и управления формирователя импульсов. В корпусе выполнен гребневый волновод 6, состоящий из трех каскадно соединенных отрезков, форма сечений каждого из которых представляет два круга, соединенных между собой промежутком между гребнями 7, при этом части обеих окружностей образуют направляющие боковых стенок обоих гребней. Средний отрезок волновода, в котором размещается щелевая линия с цепочками полупроводниковых диодов, выполнен запредельным в полосе рабочих частот устройства, два других волноводных отрезка являются трансформаторами импедансов. Расстояния между гребнями в трех отрезках волновода выполнены одинаковыми. Плоскость соединения двух частей корпуса проходит через середины гребней. В корпусе выполнено четыре крепежных отверстия 8 для соединения выключателя с волноводным трактом системы, в которой он используется. В обеих частях корпуса 1 и 2 выполнены углубления 9 и 10. В собранном корпусе углубления 10 образуют два отверстия, через которые проходят цепи управления полупроводниковыми диодами. В отверстиях, расположенных между упомянутым внутренним пространством (под крышкой 4) и углублениями 9, впаяны коаксиальные металлостеклянные переходы 11. Между четырьмя половинками двух гребней среднего отрезка волновода размещена щелевая линия 12 с цепочками полупроводниковых диодов. Два общих вывода от цепочек полупроводниковых диодов соединены с внутренними проводниками коаксиальных металлостеклянных переходов 11. В обеих частях корпуса выполнены по два отверстия 13. В два отверстия, расположенные в части корпуса 1 или 2, вставляются направляющие штифты, препятствующие сдвигу одной части корпуса относительно другой при сборке выключателя.

Первый вариант щелевой линии с цепочками полупроводниковых диодов (фиг. 2) содержит диэлектрическую или полупроводниковую подложку 14, на одной стороне которой расположены разделенные щелевым зазором 15 два проводящих СВЧ-токи слоя, оканчивающихся консольными концами полосковых проводников 16, размещаемых между соединяемыми частями корпуса (в случае выполнения волновода гребневым - размещаемых между половинками двух гребней волновода). Между краями проводящих слоев, примыкающих к щелевому зазору 15, включены цепочки полупроводниковых диодов 17. Роль первого проводящего слоя в первом варианте щелевой линии выполняет прямоугольный полосковый проводник 18, а роль второго - совокупность трех полосковых проводников 19, 20 и 21, разделенных емкостными зазорами, которые выполняют роль разделительных конденсаторов. Проводник 16 имеет Т-образную форму и выполняет роль проводника цепи управления полупроводниковыми диодами (верхняя по чертежу часть полоскового проводника 16 после изготовления щелевой линии отгибается на 90^o). Полосковые проводники 20 и 21 выполнены прямоугольными. Два диэлектрических или полупроводниковых выступа 22 обеспечивают правильное размещение щелевой линии в волноводе.

Второй вариант щелевой линии с цепочками полупроводниковых диодов (фиг. 3) отличается от первого варианта (фиг.2) только тем, что его первый проводящий слой (нижний на чертеже) выполнен идентичным второму проводящему слою (верхнему на чертеже). Второй вариант щелевой линии с цепочками полупроводниковых диодов обозначен на фиг.1 цифрой 12.

Основной особенностью предлагаемого выключателя является то, что в нем используется полуволновой отрезок волноводно-щелевой линии с множеством шунтирующих щелевую линию цепочек полупроводниковых диодов, каждая из которых содержит три-пять последовательно соединенных диодов. Емкость каждой цепочки составляет 1/3-1/5 суммарной емкости одного диода. Поскольку цепочки диодов располагаются вдоль щелевой линии на расстоянии много меньшем четверти наименьшей рабочей длины волны, то такую схему включения цепочек диодов в линию можно отнести к распределенной. Распределенное включение цепочек диодов эквивалентно некоторому уменьшению волнового сопротивления и некоторому уменьшению добротности волноводно-щелевой линии (при закрытых диодах). Использование в каждой цепочке 3-5 последовательно соединенных диодов увеличивает напряжение пробоя цепочек и коммутируемую выключателем мощность, что особенно важно при использовании в выключателе арсенидогаллиевых диодов с барьером Шоттки, обладающих высокой скоростью переключения, но имеющих относительно малые величины напряжения пробоя. Выполнение волновода в месте размещения щелевой линии запредельным (с уменьшенной шириной сечения волновода) компенсирует емкость диодных цепочек и уменьшает ослабление выключателя в положении "открыто", а также значительно увеличивает ослабление выключателя в положении "закрыто".

Четвертьволновые согласующие волноводные трансформаторы, располагаемые с обеих сторон полуволнового отрезка волноводно-щелевой линии, согласовывают волновое сопротивление волноводно-щелевой линии с включенными в нее полупроводниковыми диодами с волновым сопротивлением тракта, в который включается рассматриваемое устройство. Использование четвертьволновых согласующих трансформаторов позволяет расширить диапазон рабочих частот выключателя. В положении "открыто", когда на диоды подается отрицательное (запирающее) напряжение, и эквивалентная схема каждой шунтирующей щелевую линию цепочки в диапазоне рабочих частот устройства представляет емкость и сопротивление потерь, включенное последовательно (в этом случае величина сопротивления потерь составляет несколько Ом) или параллельно (в этом случае величина сопротивления потерь составляет несколько кОм) с емкостью, выключатель представляет собой полосовой пропускающий фильтр. В положении "закрыто", когда на диоды подается положительное напряжение, смещающее рабочую точку каждого диода в область прямых токов, и эквивалентная схема каждой цепочки представляет последовательно соединенные сопротивление потерь и индуктивность, выключатель представляет заграждающий фильтр (выполненный на основе запредельного волновода).

Волноводный выключатель работает следующим образом. При подаче на цепочки диодов запирающего напряжения выключатель открывается, и подводимый к его входу СВЧ-сигнал проходит на выход устройства с набольшим ослаблением (в этом случае эквивалентная схема выключателя представляет полосовой пропускающий фильтр). При смещении цепочек диодов в область прямых токов волноводно-щелевая линия шунтируется цепочками, имеющими малые значения сопротивления и индуктивности (величина волнового сопротивления волноводно-щелевой линии в этом случае многократно превышает величину модуля полного сопротивления одной шунтирующей цепочки), выключатель закрывается, и подводимый к его входу сигнал проходит на выход устройства с большим ослаблением.

Гребневые отрезки волновода обеспечивают более широкую полосу рабочих частот устройства и уменьшают ширину щелевой линии. При изготовлении щелевой линии на основе полупроводниковой пластины (подложки) уменьшение ширины щелевой линии дает существенную экономию дорогостоящего полупроводникового материала.

Изготовление сечений отрезков гребневых волноводов в форме двух кругов, соединенных между собой промежутком между гребнями, упрощает изготовление отрезков волновода в сантиметровом и особенно в миллиметровом диапазонах волн.

В первом варианте щелевой линии (фиг.2) подача управляющего напряжения на цепочки диодов осуществляется на полосковые проводники 19 и 18 (последний соединяется с корпусом выключателя). Во втором варианте щелевой линии (фиг. 3) подача управляющего напряжения осуществляется на два изолированных от корпуса проводника.

Нами был изготовлен волноводный выключатель на диапазон частот 32-36 ГГц. Конструкция выключателя имела вид, изображенный на фиг.1. Волноводно-щелевая линия была изготовлена на основе арсенидогаллиевой пластины, в которой были сформированы цепочки диодов с барьером Шоттки. Длина волноводно-щелевой линии составляла 3,6 мм, ширина - 1,4 мм. Число цепочек, шунтирующих линию, составляло 14, число диодов в цепочке - 4. Щелевая линия имела форму, приведенную на фиг.3. Расстояния между гребнями в отрезках волновода составляли 1,2 мм. Полная емкость одного диода в цепочке составляла около 0,02 пФ.

По отношению к выключателю-прототипу и другим известным выключателям восьмимиллиметрового диапазона волн изготовленный выключатель имел одновременно более высокое значение ослабления в положении "закрыто" (более 30 дБ) и меньшее ослабление в положении "открыто" (менее 0,5 дБ). Время переключения изготовленного устройства составляло около 1 нс.

Источники информации
1. А.с. N 1508893, H 01 P 1/15, заявл. 11.08.1987.

Изобретение относится к СВЧ-радиоэлектронике и может быть использовано в качестве волноводного выключателя или импульсного модулятора дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн. Сущность изобретения состоит в том, что в волноводном выключателе, содержащем отрезок волноводно-щелевой линии, вдоль щелевой линии размещено 10-20 шунтирующих щелевой зазор цепочек, каждая из которых содержит 3-5 последовательно-согласно соединенных полупроводниковых диодов, отрезок волновода выполнен запредельным, а электрическая длина волноводно-щелевой линии с включенными в нее цепочками полупроводниковых диодов составляет половину средней рабочей длины волны устройства. С обеих сторон названного отрезка включены четвертьволновые отрезки (согласующие трансформаторы). В частном случае все три отрезка волновода выполняются гребневыми. Описывается два варианта выключателя с двумя соответствующими им вариантами щелевой линии. Техническим результатом является получение максимального отношения ослаблений в положениях "закрыто" и "открыто" и увеличение переключаемой устройством мощности. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Волноводный выключатель, содержащий корпус, состоящий из двух разъемных в Е-плоскости волновода частей с отверстием, проходящим в плоскости их соединения перпендикулярно продольной оси волновода, щелевую линию, образованную подложкой и расположенными на одной ее стороне первым и вторым проводящими СВЧ-токи слоями, разделенными щелевым зазором и оканчивающимися консольными, выступающими за границы подложки концами полосковых проводников, расположенных между соединяемыми частями корпуса, несколько полупроводниковых диодов, размещенных вдоль щелевой линии и соединенных одноименными электродами с внутренним, примыкающим к щелевому зазору линии краем первого проводящего СВЧ-токи слоя, и изолированный от корпуса проводник цепи управления диодами, часть которого проходит внутри названного отверстия, отличающийся тем, что последовательно с каждым из упомянутых диодов и краем второго проводящего слоя, примыкающим к щелевому зазору линии, дополнительно включены несколько полупроводниковых диодов, диоды в каждой из шунтирующей щелевую линию цепочек включены последовательно-согласно, количество цепочек диодов, шунтирующих щелевую линию, выбирается в пределах 10-20, а электрическая длина волноводно-щелевой линии с размещенными на ней цепочками диодов, составляет половину средней рабочей длины волны, волновод корпуса в месте размещения щелевой линии или ее части выполнен запредельным в диапазоне рабочих частот устройства. 2. Выключатель по п.1, отличающийся тем, что количество диодов в каждой шунтирующей щелевую линию цепочке выбирается в пределах трех-пяти. 3. Выключатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что электрическая длина его волновода с размещенной в нем щелевой линией с цепочками диодов выбрана равной средней рабочей длине волны устройства, щелевая линия размещена в средней части волновода, а четвертьволновые отрезки волновода, находящиеся с обеих сторон полуволнового отрезка, имеют волновое сопротивление, равное

где Z_в - волновое сопротивление устройства;
Z_вщ - волновое сопротивление волноводно-щелевой линии,
и выполняют роль четвертьволновых согласующих трансформаторов. 4. Выключатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что электрическая длина запредельной части волновода с размещенной в ней всей или частью волноводно-щелевой линии с цепочками диодов выбирается в пределах (0,50-0,25)λ_ср, где λ_ср - средняя рабочая длина волны устройства. 5. Выключатель по п.3 или 4, отличающийся тем, что отрезок волновода, в котором размещена щелевая линия, и два волноводных согласующих трансформатора выполнены гребневыми, а щелевая линия размещена между половинками обоих гребней. 6. Выключатель по п.5, отличающийся тем, что расстояния между гребнями и в отрезке волновода, в котором размещена щелевая линия, и в волноводных согласующих трансформаторах выполнены одинаковыми. 7. Выключатель по п. 6, отличающийся тем, что форма сечений отрезка волновода, в котором размещена щелевая линия, и волноводных согласующих трансформаторов представляет два круга, соединенных между собой промежутком между гребнями, при этом части обеих окружностей образуют направляющие боковых стенок обоих гребней. 8. Выключатель по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что внешние контуры первого и второго проводящих СВЧ-токи слоев выполнены в форме прямоугольников, при этом второй проводящий слой содержит три полосковых проводника, первый из которых выполняет роль проводника цепи управления полупроводниковыми диодами и имеет Т-образную форму, второй и третий полосковые проводники имеют прямоугольную форму и расположены под плечами первого полоскового проводника и отделены от него двумя емкостными Г-образными зазорами, внешние края обоих плеч первого полоскового проводника образуют край второго проводящего слоя, примыкающего к щелевому зазору линии, часть первого полоскового проводника, расположенная перпендикулярно его плечам, размещена в вышеназванном отверстии, а вторые и третьи полосковые проводники гальванически соединены с корпусом при помощи выступающих за пределы подложки консольных частей. 9. Выключатель по п.8, отличающийся тем, что в его корпусе соосно с упомянутым отверстием, в плоскости соединения разъемных частей, выполнено второе аналогичное отверстие, расположенное симметрично первому относительно продольной оси волновода, и первый проводящий СВЧ-токи слой изготовлен идентичным второму. 10. Выключатель по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что подложка щелевой линии выполнена из полупроводниковой пластины, в которой сформированы цепочки полупроводниковых диодов.