ДИОДНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ПОВЫШЕННОЙ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2008 года по МПК H01P1/15 

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) радиотехнике и может быть использовано в приемо-передающих модулях активных фазированных решеток (АФАР) и других устройствах для коммутации приемо-передающих каналов.

В СВЧ-переключателях для АФАР в подавляющем большинстве в качестве активных элементов используются p-i-n-диоды и полевые транзисторы, позволяющие по сравнению с циркуляторами обеспечить выигрыш в габаритах, массе и себестоимости (см. обзор Бледнова И.И. Состояние и тенденции развития импульсной электротехники СВЧ для применения в АФАР, журнал «Электротехника СВЧ», 1990, в. 18 (1590), с.55).

При этом наиболее распространенными и эффективными, с точки зрения стабильной работоспособности СВЧ-переключателей, являются диодные переключатели.

Вместе с тем в связи с большим уровнем СВЧ-мощности собственных и «чужих» передатчиков возрастают требования к надежности СВЧ-устройств, предназначенных для защиты входных трактов приемников от указанной мощности (см. статью Алыбина В.Г. СВЧ-защитные устройства в радиолокации и связи, журнал «Радиотехника», 2002, № 8, с.42).

Для этих целей применяются в основном газоразрядные и полупроводниковые СВЧ-переключатели и ограничители, к которым предъявляются жесткие и постоянно растущие требования по качеству защиты в режиме высокого уровня входной мощности (см. статью Лебедева И.В. и Семенчи М.В. Квазиактивный защитный ограничитель СВЧ-мощности, журнал «Радиотехника», 2001, № 2, с.75).

Наиболее надежными защитными устройствами, способными выдержать воздействие большой мощности являются газоразрядные защитные устройства, но они значительно уступают полупроводниковым защитным устройствам по скорости срабатывания и по габаритным характеристикам.

Поэтому увеличение надежности диодных переключателей повышенной СВЧ-мощности, в частности в качестве одного из главных узлов антенно-фидерных устройств - антенного переключателя, содержащего защитное устройство, в волноводном, коаксиальном и особенно полосковом исполнении, продолжает оставаться востребованной и актуальной задачей.

Известен диодный переключатель двух каналов фидерного тракта, содержащий Т-образное разветвление линий передачи, первое плечо которого является входом переключателя, а два других плеча - двумя выходами переключателя, и выполненный на двух диодах, одном конденсаторе и двух отрезках линии передачи длиной, ограниченно меньшей длины четвертьволнового отрезка (см. авторское свидетельство СССР № 1437940, Н01Р 1/15, 1988).

Основным недостатком такого переключателя является недостаточно большой уровень входной СВЧ-мощности при малой развязке между выходными каналами. Для обеспечения работоспособности переключателя при большей мощности проходящего сигнала необходимо увеличение числа переключаемых диодов, приводящее к снижению надежности переключателя и увеличению потерь в приемном канале.

Наиболее близким заявляемому переключателю по технической сущности и достигаемому результату - работоспособности при повышенной входной СВЧ-мощности - (прототипом) является переключатель, содержащий входную и две выходные линии передачи и выполненный на четырех диодах и четырех отрезках линии передачи с волновым сопротивлением , где Z₀ - волновое сопротивление входной и выходной линий передачи, причем первый диод катодом подсоединен к точке соединения входной линии передачи и полуволнового отрезка, а между анодом и катодом второго диода включены последовательно соединенные первый и второй четвертьволновые отрезки линий, кроме того, второй диод катодом подсоединен к точке соединения концов второго, четвертьволнового, и полуволнового отрезков, а анодом к выходной линии передачи (первый выход), третий диод включен последовательно в середину полуволнового отрезка анодом к началу второй части этого отрезка, а четвертый диод подключен параллельно второму выходу анодом к концу третьего четвертьволнового отрезка, начало которого соединено с серединой полуволнового отрезка (см. патент РФ № 2275716, МПК Н01Р 1/15, 2006).

Недостатком переключателя-прототипа являются пониженная надежность устройства при работе на высоком уровне СВЧ-мощности из-за относительно большого количества включенных диодов и недостаточное согласование на крайних точках рабочего диапазона на выходах из-за наличия между входом и выходами переключателя полуволновых отрезков линии передачи (второй полуволновой отрезок складывается на участке между входом и первым выходом из двух последовательно соединенных четвертьволновых отрезков с точкой непосредственного соединения между ними).

Технический результат заявляемого изобретения - увеличение надежности переключателя, уменьшение его продольного габарита и повышение многофункциональности переключателя при улучшенном согласовании между его входом и выходами и пониженных потерях в его схеме.

Указанный технический результат достигается тем, что в диодном переключателе повышенной СВЧ-мощности, имеющем на входе и двух выходах волновое сопротивление Z₀ и выполненном на участках между точками подключения входа и выходов на отрезках линии передачи с волновым сопротивлением и с длиной одного из них, равной половине средней длины волны рабочего диапазона проходящего сигнала, а также в своей схеме содержащем диоды: первый, соединенный последовательно анодом с первым выходом на участке между входом и первым выходом, и второй, подключенный параллельно второму выходу анодом к линии передачи на участке между входом и вторым выходом, переключатель выполнен на трех диодах и двух отрезках линии передачи, параллельно включенных и непосредственно соединяющих вход переключателя с его вторым выходом, при этом диод, соединенный последовательно анодом с первым выходом, подключен катодом непосредственно к входу переключателя, а два других диода подключены параллельно второму выходу анодом к серединам обоих указанных отрезков, имеющих длину, равную половине средней длины волны рабочего диапазона проходящего сигнала.

Предлагаемое схемотехническое решение переключателя позволяет увеличить его надежность за счет уменьшения количества включенных диодов с 4-х в переключателе-прототипе до 3-х в заявляемом изобретении, два из которых являются развязанными между собой, т.к. находятся на расстоянии полуволновой электрической длины между собой, и увеличения электрической прочности участка с параллельным включением в схему двух полуволновых участков, например полосковой линии передачи. При этом конструкция предлагаемого переключателя характеризуется уменьшением ее продольного габарита в результате исключения из конструкции продольного четвертьволнового отрезка, ощутимого при обеспечении малых габаритов модулей АФАР в дециметровом рабочем диапазоне. Сохраненная многофункциональность прототипа в заявляемом изобретении повышается дополнительной функцией переключателя - возможностью измерения уровня падающей волны в линии передачи без отдельного направленного ответвителя благодаря точкам высокой взаимной развязки - серединам двух параллельных полу волновых отрезков, включенных через диоды на корпус. Наконец, согласование между входом и выходами заявляемого переключателя улучшается в результате исключения на участке между входом и одним из выходов полуволнового отрезка линии передачи, а снижение потерь в схеме переключателя объяснимо при переходе от схемы-прототипа на 4-х диодах и 4-х отрезках к заявляемой схеме на 3-х диодах и 2-х отрезках и исполнении заявляемой схемы без диодов, включенных последовательно в полуволновом отрезке линии передачи.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого диодного переключателя повышенной СВЧ-мощности.

Предлагаемый переключатель содержит входную 1 и две выходные проводящие линии передачи 2 и 3 с волновым сопротивлением Z₀, два полуволновых отрезка 4 и 5 проводящей линии передачи с волновым сопротивлением и три диода 6, 7 и 8.

При этом отрезки 4 и 5 включены в схему переключателя параллельно и соединяют непосредственно точку подключения 9 входа переключателя и точку подключения 10 его второго выхода. Диод 6 последовательно соединен анодом с первым выходом и подключен катодом непосредственно к точке подключения 9 входа переключателя, а диоды 7 и 8 подключены параллельно второму выходу анодом к серединам 11 и 12 соответственно отрезков 4 и 5.

Переключатель может работать в качестве устройства защиты входа приемного тракта приемо-передающего модуля АФАР, в качестве антенного коммутатора приемо-передающего модуля АФАР, а также в качестве СВЧ-переключателя с управлением от внешнего источника тока в других импульсных устройствах или в качестве устройства съема СВЧ-мощности для измерения уровня падающей волны.

В качестве устройства защиты входа приемного тракта приемо-передающего модуля АФАР переключатель работает следующим образом.

При высоком уровне входной СВЧ-мощности ограничительные диоды 6, 7 и 8 открываются (режим запирания), что приводит к увеличению затухания между входом и вторым выходом (входом приемного тракта). Отраженный сигнал через открытый диод 6 поступает на первый выход, нагруженный на согласованную нагрузку. При малом уровне мощности на входе, соответствующем приему радиолокационных сигналов, диоды 6, 7 и 8 закрыты (режим пропускания) и принятый сигнал с небольшими потерями проходит на второй выход - вход приемного тракта.

В качестве антенного коммутатора приемо-передающего модуля АФАР переключатель работает аналогично устройству защиты с подключением к входу переключателя антенны, к первому выходу переключателя мощного СВЧ-сигнала (с передающего тракта) и ко второму выходу передатчика входа приемного тракта с использованием также ограничительных диодов 6, 7 и 8.

В случае функционирования переключателя в качестве СВЧ-переключателя с управлением от внешнего источника тока используются переключательные диоды 6, 7 и 8, открывающиеся при помощи отдельной ячейки управления (на фигуре не показана). При открытых диодах 6, 7 и 8 входной СВЧ-сигнал через открытый диод 6 с минимальными потерями поступает на первый выход. При закрытых диодах 6, 7 и 8 входной СВЧ-сигнал с небольшими потерями поступает на второй выход.

В случае функционирования переключателя в качестве устройства для съема СВЧ-мощности для измерения падающей волны используются ограничительные или переключательные диоды 6, 7 и 8, при включении которых параллельно с осуществлением одной из трех вышеуказанных функций переключателя производится подключение к средним точкам 11 и 12 (полуволновых отрезков 4 и 5) амплитудных детекторов или измерителей СВЧ-мощности, подключаемых к второму выходу, для измерения уровня падающей волны (на фигуре детекторы и измерители не показаны). При этом по известной величине развязки сигнала между входом и вторым входом при открытых диодах 6, 7 и 8 можно определить величину падающей СВЧ-мощности Р_пад на входе переключателя

Р_пад=N·P_изм,

где N - развязка сигнала;

Р_изм - измеренная мощность на выходе.

В примере полоскового исполнения предлагаемого переключателя при мощности поступаемого СВЧ-сигнала 100 Вт и более в дециметровом рабочем диапазоне изложенное упрощение его схемы в сравнении с прототипом обеспечило стабильную работу переключателя с выигрышем его продольного габарита на 30% при достигаемых размерах 180·150·50 мм, потерях на прохождение сигнала в плечах переключателя не более 0,4 дБ, развязке между входом и вторым выходом при всех включенных диодах не более 25 дБ и коэффициенте стоячей волны при любых режимах работы не более 1,3.

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) радиотехнике и может быть использовано в приемо-передающих модулях активных фазированных решеток (АФАР) и других устройствах для коммутации приемо-передающих каналов. Технический результат изобретения - увеличение надежности переключателя, уменьшение его продольного габарита и повышение многофункциональности переключателя при улучшенном согласовании между его входом и выходами и пониженных потерях в его схеме. В диодном переключателе повышенной СВЧ-мощности, имеющем на входе и двух выходах волновое сопротивление Z₀ и выполненном на участках между точками подключения входа и выходов на отрезках линии передачи с волновым сопротивлением и с длиной одного из них, равной половине средней длины волны рабочего диапазона проходящего сигнала, а также в своей схеме содержащем диоды: первый, соединенный последовательно анодом с первым выходом на участке между входом и первым выходом, и второй, подключенный параллельно второму выходу анодом к линии передачи на участке между входом и вторым выходом, переключатель выполнен на трех диодах и двух отрезках линии передачи, параллельно включенных и непосредственно соединяющих вход переключателя с его вторым выходом, при этом диод, соединенный последовательно анодом с первым выходом, подключен катодом непосредственно к входу переключателя, а два других диода подключены параллельно второму выходу анодом к серединам обоих указанных отрезков, имеющих длину, равную половине средней длины волны рабочего диапазона проходящего сигнала. 1 ил.

Диодный переключатель повышенной сверхвысокочастотной мощности, имеющий на входе и двух выходах волновое сопротивление Z₀ и выполненный на участках между точками подключения входа и выходов на отрезках линии передачи с волновым сопротивлением и с длиной одного из них, равной половине средней длины волны рабочего диапазона проходящего сигнала, причем в схему переключателя включены диоды: первый, соединенный последовательно анодом с первым выходом на участке между входом и первым выходом, и второй, подключенный параллельно второму выходу анодом к линии передачи на участке между входом и вторым выходом, отличающийся тем, что переключатель выполнен на трех диодах и двух отрезках линии передачи, параллельно включенных и непосредственно соединяющих вход переключателя с его вторым выходом, при этом диод, соединенный последовательно анодом с первым выходом, подключен катодом непосредственно к входу переключателя, а два других диода подключены параллельно второму выходу анодом к серединам обоих указанных отрезков, имеющих длину, равную половине средней длины волны рабочего диапазона проходящего сигнала.