КОММУТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2004 года по МПК H01P1/15 

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и предназначено для работы в ограничительных, переключающих и защитных устройствах высокого уровня мощности, где необходимо применение многодиодных модулей. Повышение рабочей мощности ограничительных и переключательных СВЧ-диодов сопряжено с “тяжелым” тепловым режимом полупроводниковой структуры, требует снижения теплового сопротивления и, следовательно, увеличения рабочей площади, количества диодов.

Этому препятствует увеличение вносимых потерь в устройствах в режиме пропускания слабого СВЧ-сигнала, обусловленное увеличением емкости диодной структуры [1].

Причем с увеличением емкости диодной структуры происходит сужение полосы частот устройств в обоих рабочих режимах. Применение диодов в ограничительных устройствах, где величина случайного сигнала, поступившего на вход устройства, может значительно превысить допустимый коэффициент нагрузки на один диод ограничителя, существенно снижает надежность полупроводниковых устройств.

Поэтому одной из актуальных задач при создании устройств с применением полупроводниковых диодов является увеличение величины пропускаемой устройством мощности при минимальной потере полезного сигнала и высокой надежности устройства.

По результатам проведенного поиска, а также поиска по отечественной и зарубежной литературе, аналогичным по функциональному назначению предложенному устройству является коммутирующий модуль [2], выполненный в виде металлической диафрагмы с несколькими параллельными щелями, в которых установлены полупроводниковые структуры, например, n-i-p-i-n диоды.

Этому устройству присущи недостатки:

- зависимость полосы частот от количества включенных диодов;

- ненадежная работа устройства на высоком уровне мощности, т.к. диоды в крайних щелях находятся под большим уровнем мощности, чем диоды в центральной щели.

Известно также устройство [3], выполненное в виде втулки на фольгированном материале, устанавливаемой в разрыве центрального проводника коаксиальной линии с помощью резьбового соединения и имеющее контакт по периметру с внутренней поверхностью наружного проводника коаксиальной линии. Диэлектрическая втулка выполнена в виде шайбы с двухсторонней металлизацией, в металлизированных слоях которой радиально выполнена двухсторонняя кольцевая щель с чередующимися в ней сквозными окнами в диэлектрике и пазами в металлизированных слоях для размещения и крепления диодов. Устройство устанавливается в коаксиальной линии без нарушения внешнего проводника, в разрыве внутреннего проводника. Обладая высокими механическими свойствами, тепловыми характеристиками, в устройстве отсутствуют элементы настройки (индуктивные перемычки), уменьшающие потери СВЧ-энергии в режиме пропускания. Дальнейшее уменьшение потерь в коммутирующих устройствах с большим количеством диодов возможно за счет компенсации паразитной емкости щели (С пар. ≈1-2 пФ ) и суммарной емкости диодов, которая для десяти диодов типа 2А509Б составляет С общ. ≈10 пФ.

Введение дополнительной последовательной емкости в виде конденсатора определенной конструкции, удовлетворяющего требованиям электропрочности устройства и сопряжения с разрывом коаксиальной линии, позволило бы решить задачу уменьшения потерь в многодиодных коммутирующих устройствах.

Наиболее близким по технической сущности является устройство [4], принятое за прототип. Устройство содержит металлическую диафрагму, в которой выполнены две щели с включенными в них p-i-n диодами и разделенные индуктивными перемычками между внутренним и внешним проводниками устройства. Устройство устанавливается во фланцевом соединении внешнего проводника и резьбовом внутреннего проводника коаксиальной линии.

В этом устройстве индуктивные перемычки, уменьшающие потери CВЧ-энергии в режиме пропускания, введены, а емкость щели имеет меньшее значение С пар. ≈0,5-1 пФ.

Однако недостатками известного устройства являются высокие потери, зависящие от количества включенных диодов, в peжимe пропускания, обусловленные большим количеством диодов, недостаточная надежность в режиме запирания, сужение полосы рабочих частот в режиме пропускания (чем больше количество диодов, тем меньше полоса), небольшая механическая прочность устройства.

Таким образом, всем рассмотренным устройствам свойственны недостатки:

- большие потери в режиме пропускания, зависящие от количества диодов;

- низкая надежность устройств в режиме запирания на высоком уровне мощности.

Целью изобретения является уменьшение потерь в режиме пропускания, увеличение надежности устройств коммутации высокого уровня мощности при упрощении и обеспечении высокой электропрочности устройства за счет уменьшения общей емкости устройства.

Поставленные цели достигаются тем, что в известном коммутирующем устройстве, выбранном в качестве прототипа, содержащем отрезок симметричной линии передачи, в плоскости поперечного сечения которой установлена металлическая диафрагма, расположенная в поперечной плоскости симметричной линии передачи, в центре которой выполнено отверстие, а симметрично относительно ее горизонтальной оси, в металлической диафрагме, выполнены две щели, при этой каждая щель имеет первый участок, продольная ось которого расположена на одинаковом расстоянии от ближайшего края отверстия, и второй участок, продольная ось которого параллельна горизонтальной оси симметрии отрезка симметричной линии передачи, а p-i-n диоды включены в обе щели и их количество в каждой из щелей выбрано одинаковым, индуктивные перемычки, расположенные вдоль оси симметрии, между внутренним и внешним проводником устройства, согласно изобретению на входе и выходе коммутирующего устройства дополнительно введены диэлектрические шайбы с двухсторонней металлизацией и отверстием в центре, установленные между коммутирующим устройством и линией передачи, образуя первичную к вторичную обкладки конденсатора, причем на первичной обкладке конденсатора выполнена фаска вокруг отверстия в металлизированной поверхности, по крайней мере один дроссель, имеющий контакт со вторичной обкладкой одного из конденсаторов и внутренним проводником устройства, при этом в упомянутых перемычках выполнены сквозные поперечные прорези со стороны внутреннего проводника, а перемычки имеют электрический контакт с одной из вторичных обкладок конденсатора.

При известности конденсаторов введение конденсаторов, расположенных между индуктивной перемычкой и внутренним проводником устройства с одной стороны, а также на противоположной стороне устройства - с другой, дросселя разделения частоты сигнала обеспечивает в совокупности с другими признаками коммутирующего устройства ему новые свойства, и в известных технических решениях не обнаружено, что подтверждает соответствие заявляемого технического решения критерию изобретения "существенные отличия".

Сущность изобретения будет более понятной из следующего описания и прилагаемых к нему чертежей, на которых изображено следующее.

На фиг.1 изображена конструкция прототипа.

На фиг.2 изображена конструкция аналога, выполненного в печатном исполнении.

На фиг.3, 4 изображена конструкция заявляемого устройства.

На фиг.5 изображена эквивалентная схема устройства в режиме пропускания.

На фиг.6 изображена эквивалентная схема устройства в режиме запирания.

Коммутирующее устройство содержит металлическую диафрагму 1, первую 2 и вторую 3 рабочие щели, расположенные аксиально и симметрично относительно оси диафрагмы О-О, размещенные в щелях диоды 4, отверстие 5, расположенное в центре диафрагмы, две индуктивные перемычки 6, размещенные в щелях, продолженные вдоль оси О-О, конденсаторы 7, расположенные по обе стороны коммутирующего устройства, дроссель 8, имеющий контакт со вторичной обкладкой одного из конденсаторов и внутренним проводником устройства, первичную обкладку конденсатора 9 с фаской 10 вокруг отверстия в металлизированной поверхности, вторичную обкладку конденсатора 11, контактные элементы 12, обеспечивающие контакт перемычки со вторичной обкладкой конденсатора.

Коммутирующее устройство на p-i-n диодах работает без внешнего источника управления, в pежимe ограничения мощности, следующим образом.

При небольшой входной мощности (единицы мВт), поступающей на модуль, диоды 4 первой 2 и второй 3 рабочих щелей обесточены и представляют между собой параллельное соединение емкостей. При этом возникает параллельный резонанс эквивалентной схемы, образованной суммарной емкостью p-i-n диодов параллельно с ними паразитной емкостью щели, последовательно с ними конденсаторами 7, уменьшающими общую емкость и индуктивностью перемычек 6 металлической диафрагмы 1 (режим пропускания). Дроссель 8 обладает большим сопротивлением токам ВЧ (его величина выбирается на два порядка больше индуктивности настройки перемычек) и поэтому на режим настройки не влияет. Входной сигнал при этом проходит с минимальными потерями, равными 0,25-0,3 дБ.

При подаче на вход устройства высокого уровня мощности диоды 4 первой и второй рабочих щелей 2, 3 открываются и закорачивают линию передачи по всему периметру обеих рабочих щелей диафрагмы 1. Дроссель 8 обеспечивает гальваническое замыкание токов низкой частоты на корпусную часть диафрагмы 1. Мощный СВЧ-сигнал в этом режиме проходит с большим ослаблением 17-25 дБ. Дополнительные конденсаторы 7 с величиной емкости каждого в 1,5-2 раза превышающей суммарную емкость диодов, уменьшают величину мощности, поступающей на диоды, уменьшая величину их токовой нагрузки, увеличивая тем самым надежность устройства.

Настройка устройства в резонанс, на средней частоте диапазона в режиме пропускания, производится путем регулировки длины одной из щелей, например 2, расположенных вдоль оси симметрии диафрагмы 1 (например, изменением длины индуктивной перемычки 6).

Резонансная настройка устройства в режиме запирания не нужна, т.к. из-за большого количества симметрично подключенных диодов мала, а эквивалентное сопротивление диафрагмы имеет небольшую величину (порядка 0,5-2 Ом).

С целью обеспечения высокой надежности устройства и обеспечения сопряжения с внутренним проводником коаксиальной линии конденсаторы 7 с обоих сторон устройства выполнены в виде плоских шайб с наружным диаметром, равным или несколько превышающим диаметр внутреннего проводника коаксиальной линии. Внутренне отверстие 5 конденсатора имеет меньший диаметр, чем диаметр отверстия диафрагмы 1 под проточку резьбового соединения внутреннего проводника коаксиальной линии (не показан). Для обеспечения электропочности на первичной обкладке конденсаторов 9 выполнена фаска 10 вокруг внутреннего отверстия в металлизированной поверхности шайбы 7.

Первичные обкладки конденсаторов 9 крепятся методом пайки к сторонам диафрагмы 1, образуя неразъемное модульное соединение. При установке такого модуля в резьбовом соединении внутреннего проводника линии могут быть применены контактные звездочки (не обозначены) с отверстием под проточку, совпадающем с отверстием в шайбах 7, с которой может быть обеспечен контакт с перемычками и дросселем разделения частоты.

Полученная конструкция устройства позволила просто решить задачу уменьшения потерь в коммутирующих устройствах большого уровня мощности с большим количеством диодов. Проведены экспериментальные работы, подтверждающие высокую электрическую надежность конструкции. Суть изобретения не изменится, если вместо металлической диафрагмы применить конструкцию диафрагмы из диэлектрика, фольгированного с двух сторон [3]. При этом дополнительно обеспечиваются высокие механические показатели конструкции.

Предлагаемое коммутирующее устройство в дециметровом диапазоне волн, выполненное на p-i-n диодах типа 2А509Б в количестве 8 штук, позволило получить потери в режиме запирания 17-25 дБ, КСВН на средней частоте диапазона 1,05 и потери в режиме пропускания 0,25-0,5 дБ при мощности в линии передачи P пад.ср. =1-2 кВ.

Устройство может быть использовано как первая резонансная цепочка в ограничителях и антенных коммутаторах, принимая при этом на себя всю подающую мощность и имея запас по количеству диодов, с уменьшенными потерями за счет введения последовательно с диодами конструктивных конденсаторов (шайбу) и уменьшения суммарной емкости устройства, обеспечивает надежную работу разрабатываемой аппаратуры.

Таким образом, использование изобретения позволит уменьшить потери полезного сигнала в режиме пропускания, увеличить надежность коммутирующего устройства, увеличить полосу настройки в режиме пропускания при высоких показателях электропрочности многодиодного коммутирующего устройства высокого уровня мощности без усложнения конструкции.

Литература

1. И.В.Лебедев, В.Г.Алыбин, В.А.Акопян. Мощные твердотельные СВЧ-ограничители. Издательство “Радио и связь”, 1982, с.4, 5.

2. Коммутирующий модуль, авторское свидетельство №535636, кл. МКИ Н 01 Р 1/15.

3. Устройство крепления диодов, авторское свидетельство №271334, кл. 4 Н 05 К 7/02.

4. Коммутирующее устройство, авторское свидетельство №277196, кл. Н 01 Р 1/15.

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и предназначено для работы в ограничительных, переключающих и защитных устройствах высокого уровня мощности, где необходимо применение многодиодных модулей. Техническим результатом является уменьшение потерь в режиме пропускания, увеличение надежности устройств коммутации высокого уровня мощности при упрощении и обеспечении высокой электропрочности устройства за счет уменьшения общей емкости устройства. Коммутирующее устройство содержит отрезок коаксиальной линии передачи с металлической диафрагмой в плоскости поперечного сечения, в которой по обе стороны от ее горизонтальной оси симметрии расположены две идентичные щели, центральная часть каждой из которых изогнута параллельно кромке центрального отверстия металлической диафрагмы, а концевые части параллельны горизонтальной оси симметрии и в них включены pin-диоды, подключенные к источнику управления, при этом на обеих сторонах металлической диафрагмы, аксиально ей, установлены две введенные металлизированные с обеих сторон диэлектрические шайбы, при этом в областях слоев металлизации, которые примыкают к центральному отверстию, выполнены фаски. 6 ил.

Коммутирующее устройство, содержащее отрезок коаксиальной линии передачи с металлической диафрагмой в плоскости поперечного сечения, в которой по обе стороны от ее горизонтальной оси симметрии расположены две идентичные щели, центральная часть каждой из которых изогнута параллельно кромке центрального отверстия металлической диафрагмы, а концевые части параллельны горизонтальной оси симметрии и в них включены pin-диоды, подключенные к источнику управления, отличающееся тем, что, с целью уменьшения потерь в режиме пропускания, увеличения надежности запирания при высоком уровне мощности и увеличения электрической прочности, на обеих сторонах металлической диафрагмы, аксиально ей, установлены две введенные металлизированные с обеих сторон диэлектрические шайбы, при этом в областях слоев металлизации, которые примыкают к центральному отверстию, выполнены фаски.