ДЕТЕКТОРНАЯ ГОЛОВКА Российский патент 2017 года по МПК G02F1/21 G01J1/02 B82Y20/00 

Изобретение относится к полупроводниковой СВЧ-электронике и может быть использовано в детекторных головках с повышенными требованиями к чувствительности и высоким полем зрения.

Известен волноводный детекторный модуль миллиметрового диапазона длин волн, представляющий собой детекторную головку на основе диода с барьером Шоттки с балочными выводами (далее просто диода), размещенного непосредственно в волноводном канале волноводного корпуса, корпус которого разделен перпендикулярно волноводному каналу на две половинки; первая половинка имеет сквозной волноводный канал, часть которого имеет гантелевидную форму, согласующийся со стандартным сечением волновода и заполненный специальным пеноматериалом с малыми потерями; вторая половинка корпуса с гантелевидным волноводным каналом, также заполненным пеноматериалом, оканчивается согласующей заглушкой, являющейся частью корпуса; в узкой части гантелевидного канала второй половинки корпуса установлен диод, один вывод которого непосредственно присоединен к корпусу, а второй вывод изолирован и соединен с выходом детектора; первая половинка корпуса непосредственно крепится на второй и окончательно фиксирует положение диода (патент РФ №2345450, Н01Р 1/00, 2008 г.).

Недостатками данной конструкции являются:

- низкая чувствительность диода,

- малое поле зрения, обусловленное узкой диаграммой направленности волноводного канала,

- сложность изготовления модуля, связанная с применением сложных технологических операций;

- высокая трудоемкость изготовления;

- низкая пригодность к массовому производству.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является детекторная головка, содержащая детекторный диод и корпус, выполненный в виде основания и крышки, сопряженных по плоскости, перпендикулярной к волноводному каналу, причем в основании выполнен сквозной волноводный канал, а в крышке - короткозамыкатель, причем между основанием и крышкой установлена полосковая плата, на которой расположены фильтр, контактная площадка, являющаяся выходом детекторной головки, детекторный диод, оба вывода которого присоединены к проводникам платы (патент РФ RU 2524847, Н01Р 1/00, 2013 г.).

Данное техническое решение позволяет улучшить ряд характеристик аналога. Однако недостатками данной конструкции являются:

- низкая чувствительность диода (детекторной головки),

- малое поле зрения, обусловленное узкой диаграммой направленности волноводного канала.

Перед авторами стояла задача создания устройства, лишенного перечисленных недостатков.

Техническим результатом заявляемой детекторной головки является увеличение чувствительности этой детекторной головки при широком поле зрения (угла падения излучения на волноводный канал).

Задача решена за счет того, что в детекторной головке, содержащей детекторный диод и корпус, выполненный в виде основания и крышки, сопряженных по плоскости, перпендикулярной к волноводному каналу, причем в основании выполнен сквозной волноводный канал, а в крышке - короткозамыкатель, причем между основанием и крышкой установлена полосковая плата, на которой расположены фильтр, контактная площадка, являющаяся выходом детекторной головки, детекторный диод, оба вывода которого присоединены к проводникам платы с внешней стороны основания, непосредственно над сквозным волноводным каналом установлена диэлектрическая мезоразмерная частица, формирующая фотонную струю, а расстояние между внешней поверхностью основания и детекторным диодом, расположенным на полосковой плате, составляет не более длины фотонной струи, формируемой указанной диэлектрической частицей.

Диэлектрическая частица установлена на внешней поверхности основания при помощи клея.

Мезоразмерная диэлектрическая частица выполнена в виде кубика с размером грани не менее ширины узкой стенки сквозного волноводного канала.

Заявляемая детекторная головка обладает совокупностью существенных признаков, не известных из уровня техники для изделий подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.

Заявляемая детекторная головка, по мнению заявителей и авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. неизвестна из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки.

Сущность предлагаемого решения поясняется при помощи на фиг. 1, где представлена конструкция детекторной головки.

Детекторная головка состоит из корпуса, выполненного в виде двух половинок: основания 1 и крышки 2, между которыми устанавливается полосковая плата 3. С основанием 1 электрически соединен корпус коаксиального разъема 4. В основании 1 выполнен сквозной волноводный канал 5, а в крышке 2 - короткозамыкатель 6. На полосковой плате 3 выполнены (не показаны) фильтр, представляющий собой фильтр низкой частоты, и контактная площадка, являющаяся выходом детекторной головки, к которой припаивается проводник, соединенный с центральным контактом коаксиального разъема 4. Детекторный диод расположен на полосковой плате 3 с помощью токопроводящего клея.

По контуру земляных проводников на полосковой плате 3 расположены металлизированные переходные отверстия, необходимые для обеспечения электрического контакта между основанием 1 и крышкой 2. Между основанием 1 и полосковой платой 3 может приклеиваться диэлектрическая пленка, обеспечивающая герметизацию сквозного волноводного канала. По периметру основания 1 выполнен бортик 7, являющийся технологическим приливом, который во время покрытия детекторной головки герметиком препятствует его попаданию на внешнюю плоскость основания 1. Сборка детекторной головки осуществляется при помощи винтов 8.

На основании детекторной головки 1 непосредственно над сквозным волноводным каналом 5 установлена мезоразмерная диэлектрическая частица 9, формирующая фотонную струю 10, при помощи клея.

Детекторная головка работает следующим образом.

Электромагнитная волна падает на диэлектрическую частицу 9, формирующую фотонную струю 10, которая направлена в сквозной волноводный канал 5 в направлении короткозамыкателя 6, поступает на волноводно-полосковый переход в зоне сквозного волноводного канала 5 и короткозамыкателя 6, где происходит преобразование волны Н01 прямоугольного волновода в квази-ТЕМ волну полосковой линии. Далее электромагнитная волна поступает на детекторный диод, подключенный последовательно полосковой линии. Геометрические размеры полосковой линии выбираются из соображения установки детекторного диода в зоне с наиболее высоким коэффициентом преобразования СВЧ поля в постоянный ток. По постоянному току детекторный диод соединен с выходом детекторной головки. Постоянный ток с выхода детекторной головки поступает на центральный контакт коаксиального разъема 4, корпус которого электрически соединен с корпусом детекторной головки. Диэлектрическая частица 9 обеспечивает дополнительную локализацию падающего на нее волнового фронта в виде фотонной струи 10 в зоне сквозного волноводного канала 5, чем обеспечивается дополнительное усиление падающей электромагнитной волны пассивными средствами. При этом поперечный размер области фокусировки (фотонной струи 10) диэлектрической частицы 9 меньше дифракционного предела и составляет около 1/3 длины волны в свободном пространстве, что меньше характерных размеров сквозного волноводного канала 5. Выполнение диэлектрической частицы 9 мезоразмерной (характерный размер порядка длины волны излучения в свободном пространстве) позволяет минимизировать геометрические размеры детекторной головки. Принцип построения диэлектрических мезоразмерных частиц произвольной трехмерной формы для формирования фотонных струй с поперечным размером каустики порядка трети длины волны и длиной от 0 до 10 длин волн известен из литературы (И.В. Минин, О.В. Минин. ФОТОНИКА ИЗОЛИРОВАННЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ТРЕХМЕРНОЙ ФОРМЫ - НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ // выпуск "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". Т. 12, вып.4. 2014, с.59-70, http://www.nsu.ru/xmlui/handle/nsu/7717: I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook). Выполнение диэлектрической частицы 9 в виде кубика (частица с плоской гранью) позволяет упростить крепление частицы 9 на основании детекторной головки 1.

Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить чувствительность детекторной головки при широком поле зрения (угла падения излучения на волноводный канал). Допускается производить автоматизированный монтаж элементов на полосковую плату, сборку корпуса детекторной головки без участия человека и без проведения настроечных операций.

Для подтверждения правильности выбранного технического решения были изготовлены лабораторные образцы детекторных головок Ка диапазона, в которых в качестве детекторного диода использован 3А149А с балочными выводами. Корпус выполнен из латуни с гальваническим покрытием Ср6. Полосковая плата выполнена на основе двухстороннего фольгированного термостойкого материала с керамическим наполнителем, усиленным стекловолокном RO4003. Диэлектрическая частица была выполнена кубической формы из фторопласта с размером грани, равной длине волны излучения в свободном пространстве. Увеличение усиления, падающего на детекторную головку, составило 8 дБ при изменении угла падения излучения на диэлектрическую частицу в пределах ±40 градусов.

На предприятии разработан комплект конструкторской документации на заявляемую детекторную головку, что подтверждает соответствие заявляемого решения критерию «промышленная применимость» для изобретения.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается детекторной головки. Детекторная головка включает в себя корпус, который выполнен в виде основания и крышки. В основании выполнен сквозной волноводный канал, а в крышке расположен короткозамыкатель. Между основанием и крышкой установлена полосковая плата, на которой расположены фильтр, контактная площадка и детекторный диод. С внешней стороны основания непосредственно над сквозным волноводным каналом установлена диэлектрическая мезоразмерная частица, формирующая фотонную струю. Расстояние между внешней поверхностью основания и детекторным диодом, расположенным на полосковой плате, составляет не более длины фотонной струи, формируемой диэлектрической частицей. Технический результат заключается в увеличении чувствительности и поля зрения устройства. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Детекторная головка, содержащая детекторный диод и корпус, выполненный в виде основания и крышки, сопряженных по плоскости, перпендикулярной к волноводному каналу, причем в основании выполнен сквозной волноводный канал, а в крышке - короткозамыкатель, причем между основанием и крышкой установлена полосковая плата, на которой расположены фильтр, контактная площадка, являющаяся выходом детекторной головки, детекторный диод, оба вывода которого присоединены к проводникам платы, отличающаяся тем, что с внешней стороны основания непосредственно над сквозным волноводным каналом установлена диэлектрическая мезоразмерная частица, формирующая фотонную струю, а расстояние между внешней поверхностью основания и детекторным диодом, расположенным на полосковой плате, составляет не более длины фотонной струи, формируемой указанной диэлектрической частицей.

2. Детекторная головка по п. 1, отличающаяся тем, что мезоразмерная диэлектрическая частица установлена на внешней поверхности основания при помощи клея.

3. Детекторная головка по п. 1, отличающаяся тем, что мезоразмерная диэлектрическая частица выполнена в виде кубика с размером грани не менее ширины узкой стенки сквозного волноводного канала.