КОММУТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2004 года по МПК H01P1/15 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в приемопередающей аппаратуре различного назначения, в частности ограничителях, переключающих и фазовращающих СВЧ-устройствах высокого уровня мощности.

Известны СВЧ-коммутирующие модули.

Так, в ограничителях, переключателях, фазовращателях коммутирующим элементом являются полупроводниковые структуры, установленные в волноводе (авт. свид. СССР 307448, 368684 Н 01 Р 1/18).

Однако они не обеспечивают достаточного диапазона частот и имеют значительные потери как при отражении, так и при прохождении СВЧ-сигнала.

Известно коммутирующее устройство фазовращателя, выбранное в качестве прототипа. Оно выполнено в виде установленной в отрезке волновода резонансной диафрагмы, в отверстии которой установлен pin-диод (А.З.Фрадин. "Антенно-фидерные устройства, М., Связь, 1977, с.175-178). Диод расположен в отверстии диафрагмы, которая либо пропускает сигнал СВЧ, либо его отражает. Если на диод не подано управляющее напряжение, диод закрыт, СВЧ-сигналы проходят через резонансную диафрагму с определенными потерями. При подаче на диод управляющего напряжения диод открыт, сопротивление его скачком уменьшается и он начинает шунтировать диафрагму. Сигналы СВЧ отражаются от диафрагмы. Таким образом имеем два положения коммутации СВЧ-сигналов: первое - при открытом диоде, второе - при закрытом.

Недостаток такого коммутирующего устройства заключается в больших потерях при прохождении СВЧ-сигналов через резонансную диафрагму с pin-диодом (порядка 2,5 дБ) и узкая полоса частот, т.к. pin-диод располагается в резонансной диафрагме и полоса частот устройства определяется добротностью диафрагмы.

Целью заявляемого изобретения является снижение потерь и увеличение полосы частот устройства.

Поставленная задача решается следующим образом.

В коммутирующем устройстве, содержащем отрезок прямоугольного волновода с полупроводниковым элементом, полупроводниковый элемент установлен между широкими стенками участка прямоугольного волновода с меньшим по узкой стенке поперечным сечением, образованного между двумя волноводными переходами, в котором в месте установки полупроводникового элемента выполнены перегородки, расположенные в поперечном сечении вдоль узких стенок, при этом расстояние между перегородками определяется из условия:

где d_э - поперечный размер полупроводникового элемента (диаметр pin-диода) с диэлектрической проницаемостью ε;
λ - длина волны.

Предпочтительно, чтобы полупроводниковый элемент был расположен по середине продольного размера участка прямоугольного волновода с меньшим сечением, образованного между двумя симметричными переходами.

Предпочтительно, чтобы полупроводниковый элемент был установлен на продольной оси прямоугольного волновода и вертикально между его широкими стенками. А перегородки в прямоугольном волноводе предпочтительно выполнить симметрично относительно полупроводникового элемента.

Предлагаемое расположение полупроводникового элемента в участке прямоугольного волновода с меньшим поперечным сечением по узкой стенке позволяет снизить потери при прохождении электромагнитной волны и увеличить полосу частот за счет отсутствия резонансных элементов в устройстве.

На чертеже приведен общий вид коммутирующего устройства и продольный разрез.

Коммутирующее устройство содержит отрезок волновода 1, полупроводниковый элемент (pin-диод) 2, который установлен между широкими стенками участка прямоугольного волновода 3 с меньшим поперечным сечением по узкой стенке b', образованного между двумя волноводными переходами. Перегородки 4, 5 выполнены в поперечном сечении участка прямоугольного волновода 3 вдоль его узких стенок.

В предлагаемом устройстве в отличие от прототипа полупроводниковый элемент 2 располагается между широкими стенками участка прямоугольного волновода 3, образованного между двумя волноводными переходами с меньшим размером узкой стенки в поперечном сечении. Размер узкой стенки b' участка волновода 3 определяется размером (высотой) устанавливаемого полупроводникового элемента 2, а длина L' этого участка выбирается из условия обеспечения наилучшего согласования в волноводе 1, т.е. чтобы паразитные отражения от всей структуры были минимальными. Полупроводниковый элемент 2 располагается на продольной оси участка волновода 3.

Устройство работает следующим образом.

Полупроводниковый элемент 2 работает в ключевом режиме. То есть, когда подано управляющее напряжение, полупроводниковый элемент находится в открытом состоянии, сопротивление его мало и по нему протекает ток. Тем самым волновод 1 оказывается закороченным. Для обеспечения лучшего отражения основной волны от закороченного полупроводникового элемента 2 с обеих сторон от него в поперечном сечении вдоль узких стенок выполнены перегородки 4, 5. Таким образом, электромагнитная волна полностью отражается от закороченной структуры. Расстояние между перегородками 4, 5 в данном случае выбирается из условия:
a′<d_э+λ/2.
При отключении управляющего напряжения сопротивление полупроводникого элемента 2 резко возрастает, ток в нем не протекает. Электромагнитная волна проходит через полупроводниковый элемент 2, представляющий в данном случае диэлектрик. При этом длина волны в диэлектрике уменьшается в раз. Перегородки 4, 5, выполненные в поперечном сечении участка прямоугольного волновода 3, компенсируют это изменение длины волны, т.к. при уменьшении широкой стенки волновода в поперечном сечении длина волны в волноводе увеличивается. Расстояние между перегородками в этом случае определяется с учетом уменьшения длины волны в диэлектрике (диоде) 2 и выбирается из условия:

Расстояние между перегородками 4, 5 определяется двусторонним неравенством:
.

Длина волновода L' выбирается с учетом обеспечения наилучшего согласования в основном волноводе и определяется экспериментальным путем.

Таким образом, за счет расположения полупроводникового элемента (pin-диода) 2 не в резонансной диафрагме, а в участке прямоугольного волновода 3 с размером узкой стенки, обеспечивающей его установку, при прохождении СВЧ- сигнала через полупроводниковый элемент достигается значительное снижение потерь. При этом рабочая полоса частот устройства существенно расширяется. В 4%-ной полосе частот потери сигнала при прохождении не превосходят 0,35 дБ.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в приемопередающей аппаратуре различного назначения, в частности ограничителях, переключающих и фазовращающих СВЧ-устройствах высокого уровня мощности. Коммутирующее устройство содержит отрезок прямоугольного волновода с полупроводниковым элементом. Полупроводниковый элемент установлен между широкими стенками участка прямоугольного волновода с меньшим поперечным сечением по узкой стенке, образованного между двумя волноводными переходами, в котором в месте установки полупроводникового элемента выполнены перегородки, расположенные в поперечном сечении вдоль узких стенок, при этом расстояние между перегородками определяется из условия

где d_э - поперечный размер полупроводникового элемента (диаметр pin-диода) с диэлектрической проницаемостью ε, λ - длина волны. При этом полупропроводниковый элемент может быть установлен по середине продольного размера участка волновода с меньшим поперечным сечением по узкой стенке, образованного между двумя симметричными волноводными переходами. Полупроводниковый элемент может быть установлен на продольной оси волновода, а перегородки установлены симметрично относительно полупроводникового элемента. Полупроводниковый элемент может быть установлен вертикально между широкими стенками участка прямоугольного волновода. Технический результат заключается в снижении потерь и увеличении полосы частот устройства. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Коммутирующее устройство, содержащее отрезок прямоугольного волновода с полупроводниковым элементом, отличающееся тем, что полупроводниковый элемент установлен между широкими стенками участка прямоугольного волновода с меньшим поперечным сечением по узкой стенке, образованного между двумя волноводными переходами, в котором в месте установки полупроводникового элемента выполнены перегородки, расположенные в поперечном сечении вдоль узких стенок, при этом расстояние между перегородками определяется из условия:

где a′ - расстояние между перегородками;

d_э - поперечный размер полупроводникового элемента с диэлектрической проницаемостью ε.

λ - длина волны.