СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ АТТЕНЮАТОР Российский патент 2008 года по МПК H01P1/22 

Заявляемое устройство относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано для регулировки амплитуды СВЧ-сигнала.

Одним из основных требованием к современным управляемым СВЧ-аттенюаторам, в частности полупроводниковым, является обеспечение приемлемого К_стV (1.2÷1.5) при всех режимах работы. Использование аттенюаторов (выключателей) отражающего типа в отличие от аналогов поглощающего типа позволяет управлять мощностями СВЧ-сигналов до единиц киловатт. Для снижения больших уровней K_стV таких аттенюаторов, обусловленных принципом их работы - отражение волны от управляющего элемента (диода) с большой проводимостью, используют различные средства (вентили, трехдецибельные мосты и т.п.), назначение которых заключается в канализации отраженной от аттенюатора мощности в согласованную нагрузку (см., например, Л.Г.Гассанов, А.А.Липатов, В.В.Марков, Н.А.Могильченко «Твердотельные устройства СВЧ в технике связи». - М.: «Радио и связь», 1988, с.140-141; С.М.Клич. «Проектирование СВЧ-устройств радиолокационных приемников». - М.: «Сов. Радио»,1973,с.320).

Из известных аналогов наиболее близким к предлагаемому является аттенюатор СВЧ отражающего типа с низким уровнем K_стV (см А.С. СССР №1681347, Н01Р 1/22, «Управляемый аттенюатор»). Известный аттенюатор содержит два квадратурных моста (на входе и выходе) и два идентичных диода, установленных в плечи мостов. Регулировка ослабления СВЧ-сигнала обеспечивается изменением коэффициентов отражения от диодов путем изменения величин управляющих токов. Отраженная мощность сигнала поглощается в согласованных нагрузках, подключенных к соответствующим плечам мостов, что обуславливает хорошее согласование входа и выхода аттенюатора с линией передачи.

Однако в данном устройстве вместо одного фактически используются два аттенюатора (в каждую из двух линий передачи, составляющих плечи мостов, между которыми поровну делится СВЧ-сигнал, включено по диоду), в результате чего это устройство имеет увеличенные габариты и массу, что резко снижает возможность его использования в современной малогабаритной СВЧ-аппаратуре различного назначения.

Кроме того, для достижения хорошего согласования с линией передачи аттенюаторы (диоды) должны иметь достаточно близкие импедансы во всем диапазоне изменения питающих токов. Выполнение этого условия значительно усложняет изготовление (регулировку) устройства и приводит к его удорожанию.

Техническим эффектом, на достижение которого направлено предлагаемое решение, является снижение массы и уменьшение габаритов аттенюатора при обеспечении малого К_стV в различных режимах работы, а также упрощение его изготовления.

Указанный эффект достигается тем, что в СВЧ-аттенюаторе отражающего типа, содержащем управляющие элементы, преимущественно диоды, подключенные параллельно к линии передачи СВЧ-энергии, и выполненном с возможностью отвода отраженной мощности в балластную согласованную нагрузку, для отвода отраженной мощности со стороны входа (выхода) аттенюатора на расстоянии λ/4 от ближайшего управляющего элемента к линии параллельно подключен отрезок линии передачи длиной, кратной λ/2 (λ - длина волны СВЧ-сигнала в линии передачи), нагруженной на аналогичный управляющий элемент, и к которому параллельно на расстоянии λ/4 от линии подключена резистивная нагрузка R (сосредоточенная или распределенная). Для обеспечения минимального значения K_стV аттенюатора эффективное сопротивление упомянутой резистивной нагрузки R связано с волновым сопротивлением отрезка линии передачи ρ₁ и волновым сопротивлением основной линии передачи ρ соотношением:

Схема предлагаемого устройства представлена на фиг 1. В линию передачи СВЧ-сигнала 1 с волновым сопротивлением ρ (может использоваться симметричная, квазисимметричная линия, волновод или его аналоги) включен параллельно управляющий элемент 2 (один или несколько диодов, транзисторов, расположенных в линии приблизительно на λ/4 друг от друга). Между генератором и элементом 2 на расстоянии ˜λ/4 от последнего подключен отрезок линии передачи 3 с волновым сопротивлением ρ₁ и длиной, приблизительно кратной λ/2, нагруженный на управляющий элемент 5. К отрезку 3 на расстоянии λ/4 от линии передачи 1 подключена СВЧ-нагрузка 4 (сосредоточенная или распределенная).

Устройство работает следующим образом. В отсутствие напряжения (тока) питания импедансы управляющих элементов близки к бесконечности и практически не оказывают влияния на коэффициент передачи. При этом нагрузка R подключена к узлу стоячей волны (поле Е=0) в отрезке 3 и также не оказывает влияния на характеристики устройства. В случае подачи напряжения (тока), при котором импеданс управляющих элементов близок к нулю, почти вся мощность сигнала (за исключением потерь рассеяния в управляющем элементе) отражается к генератору. При этом в месте подключения отрезка 3 импеданс линии 1 с управляющим элементом 2 будет близок к бесконечности. В то же время при выполнении соотношения резистивная нагрузка 4 становится согласованной для линии 1 со стороны генератора, т.к. импеданс части отрезка 3 с управляющим элементом 5 в сечении подключения нагрузки близок к бесконечности (питание элемента 5 включено).

Проведенные расчеты и эксперимент показали, что в промежуточных состояниях управляющего элемента (импеданс элемента принимает значения между «нулем» и «бесконечностью») аттенюатор имеет также приемлемый КстV (˜1.5 и меньше).

Для увеличения максимального подавления сигнала в линии 1 управляющих элементов 2 может быть несколько, расположенных через λ/4 друг от друга как по отношению к первому элементу, так и в противоположную от генератора сторону (фиг.2).

Очевидно, что в рассмотренном случае КстV аттенюатора со стороны нагрузки по-прежнему может быть очень большим. В некоторых случаях целесообразно иметь хороший КстV аттенюатора при всех рабочих режимах и со стороны нагрузки. Схема такого устройства приведена на фиг.3.

Использование рассматриваемой электрической схемы в предлагаемом аттенюаторе обусловливает его компактность и существенное упрощение изготовления по сравнению с известными устройствами.

Пример реализации. Изготовлен макет аттенюатора предлагаемой конструкции, предназначенный для работы в 8-мм диапазоне длин волн, на основе микрополосковой линии, 4-х планарных диодов 2А566А5 и двух сосредоточенных резистивных нагрузок с сопротивлением ˜50 Ом. Начальные потери аттенюатора при нулевом токе диодов составили ˜1.5 дБ, при суммарном токе диодов ˜30 мА превысили 35 дБ. Во всем диапазоне изменения тока диодов коэффициент стоячей волны по входу и выходу был не хуже 1.7 в полосе пропускания более 10%.

Аттенюатор предлагаемой конструкции может с успехом использоваться в малогабаритных СВЧ-устройствах различного назначения.

Изобретение предназначено для использования в радиотехнике СВЧ, при конструировании устройств для регулировки амплитуды СВЧ-сигнала. Технический результат заключается в снижении массы и уменьшении габаритов аттенюатора. Он достигается тем, что сверхвысокочастотный аттенюатор отражающего типа содержит управляющие элементы, преимущественно диоды, подключенные параллельно к линии передачи СВЧ-энергии. Для отвода отраженной мощности в резистивную согласованную нагрузку со стороны входа или выхода аттенюатора на расстоянии λ/4 от ближайшего управляющего элемента к линии параллельно подключен отрезок линии передачи длиной, кратной λ/2 (λ - длина волны СВЧ-сигнала в линии передачи), нагруженный на аналогичный управляющий элемент, и к которому параллельно на расстоянии λ/4 от основной линии подключена резистивная нагрузка R, сосредоточенная или распределенная, при этом эквивалентное сопротивление резистивной нагрузки R связано с волновым сопротивлением отрезка линии передачи ρ₁ и волновым сопротивлением основной линии передачи ρ соотношением: . 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сверхвысокочастотный аттенюатор отражающего типа, содержащий управляющие элементы преимущественно диоды, подключенные параллельно к линии передачи СВЧ-энергии, и выполненный с возможностью отвода отраженной мощности в резистивную нагрузку, отличающийся тем, что для отвода отраженной мощности со стороны входа или выхода аттенюатора на расстоянии λ/4 от ближайшего управляющего элемента к линии параллельно подключен отрезок линии передачи длиной, кратной ˜λ/2 (λ - длина волны СВЧ-сигнала в линии передачи), нагруженный на аналогичный управляющий элемент, и к которому параллельно на расстоянии λ/4 от линии подключена резистивная нагрузка R сосредоточенная или распределенная.2. Сверхвысокочастотный аттенюатор по п.1, отличающийся тем, что эквивалентное сопротивление резистивной нагрузки R связано с волновым сопротивлением отрезка линии передачи ρ₁ и волновым сопротивлением основной линии передачи ρ соотношением