ВОЛНОВОДНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2023 года по МПК H01P1/15 

Изобретение относится к области радиотехники сверхвысокой частоты (СВЧ) и может быть использовано в радиотехнических системах, таких как радиолокационных станциях, фазовращателях, аттенюаторах и других СВЧ устройствах. Технический результат - расширение рабочей полосы частоты пропускания, уменьшение прямых потерь и упрощение технологии изготовления.

Известен волноводный выключатель (см. Волноводный выключатель: патент на изобретение 2293403 Рос. Федерация: МПК Н01Р 1/12 / Немоляев А.И.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный московский завод "Салют". - №2005124174/09; заявл. 29.07.2005; опубл. 10.02.2007), состоящий из отрезка прямоугольного волновода, коммутируемого элемента и приводного механизма. Основным недостатком данного устройства является сложность конструкции и трудность его сборки из-за наличия приводного механизма, выполненного в виде пары жестко связанных с металлической пластиной рычагов.

Известен волноводный выключатель (см. Волноводный выключатель: патент на полезную модель 56721 Рос. Федерация: МПК Н01Р 1/15 / Французов А.Д., Суслин Н.В.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радар ммс". - №2005123268/09; заявл. 21.07.2005; опубл. 10.09.2006), содержащий размещенную в поперечном сечении волновода резонансную решетку с установленными в ней p-i-n диодами. Основным недостатком данного устройства является невозможность подстройки рабочей частоты без механической доработки диафрагмы.

Известен волноводный переключатель (см. Алыбин B.F. Предельные параметры твердотельных выключателей на волноводной резонансной решетке // Радиотехника, 1982. том XXV. - №10. - С.77-82), содержащий размещенную в поперечном сечении волновода резонансную решетку с установленными в ней p-i-n диодами, при этом резонансная решетка выполнена из стержней с p-i-n диодами на концах. Недостатком данного устройства является большое напряжение, переключающее p-i-n диоды и отсутствие возможности его настройки в необходимом диапазоне рабочих частот.

Известен волноводный щелевой модуль (см. Смолин, В.П. Исследование аттенюатора и импульсного коммутатора на p-i-n-диодах: методические указания к лабораторной работе / В.П. Смолин; ред. Е.В. Шорикова; тех. ред. О.И. Сургучева. - Ленинград: Ротапринт ЛМИ, 1983. -18 с), конструкция которого состоит из волноводного щелевого модуля, в котором используется n-i-p-i-n-структура. Наличие диодов равносильно включению в центре щели емкости.

Недостатками данного устройства является:

- отсутствие возможности настройки центральной частоты и ширины полосы пропускания;

- сложность изготовления, связанная с требованиями прецизионной обработки металлической щелевой линии;

- отношение обратных и прямых потерь, а также ширина полосы рабочего диапазона определяется качеством установленного p-i-n диода.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является волноводный выключатель (см. Волноводный выключатель: патент на полезную модуль 214675 Рос. Федерация: МПК Н01Р 1/15 / Кругликов В.Я., Маршин С.В., Ральников В.Д.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество «Северный пресс». - №2022122923; заявл. 25.08.2022; опубл. 09.11.2022), содержащий волновод, диафрагму и восемь p-i-n-диодов.

Достоинством данного технического решения является возможность регулировки/подстройки рабочей полосы частот, тем не менее, выбранное техническое решение имеет ряд существенных недостатков, влияющих на его практическое применение в изделиях:

- конструктивно-технологическая сложность изготовления, связанная с требованиями прецизионной обработки металлической щелевой линии, а также с необходимостью точной установки диодов с применением высокоточного оборудования;

- высокая вероятность нарушения электрического контакта в цепи медный электрод - медная сетка - p-i-n-диод при выполнении операции регулировки (изгибание медного электрода), вследствие конструктивно-технологической сложности изготовления и монтажа медного электрода, медной сетки, p-i-n-диода;

- изменение волнового сопротивления волновода, обеспечивает изменение центральной частоты рабочей полосы в узком диапазоне частоты;

- отсутствует возможность регулировки ширины полосы пропускания данного устройства;

- отношение обратных и прямых потерь, а также ширина полосы рабочего диапазона, определяется только коэффициентом качества переключательного p-i-n диода;

Задачами создания настоящего изобретения являются:

- создание волноводного выключателя, конструкция которого обеспечивает отсутствие необходимости подбора диодов, вызванной разбросом их параметров;

- расширение рабочей полосы частоты пропускания и уменьшение прямых потерь;

- возможность подстройки рабочей полосы частот в расширенном диапазоне, учитывая конструктивно-технологические сложности изготовления и монтажа составляющих устройства.

В предлагаемом техническом решении недостатки, указанные для прототипа, устранены.

Для пояснения, описываемого волноводного выключателя приведены чертежи:

Фиг. 1 - Общий вид волноводного выключателя.

Фиг. 2 - Модуль резонансной решетки.

Фиг. 3 - Схема присоединений p-i-n диодов.

Фиг. 4 - Установка волноводного выключателя.

Фиг. 5 - Прямые потери в режиме пропускания.

Фиг. 6 - КСВН в режиме пропускания.

Фиг. 7 - Прямые потери в режиме ослабления.

Предложенный волноводный выключатель (фиг.1) представляет собой сборное устройство, которое состоит из модуля резонансной решетки 1, верхней пластины 2, несущей пластины 3, нижней пластины 4, четырех позиционирующих винта 5, вилки 6 и диафрагмы 7.

Модуль резонансной решетки 1 волноводного выключателя (фиг.2) в свою очередь состоит из первого проводника 8, второго проводника 9 подключаемые к вилке 6 и расположенные во фторопластовых трубках, уложенных в специальном пазу, диафрагмы 10, первого p-i-n диода 11, второго p-i-n диода 12, третьего p-i-n диода 13, четвертого p-i-n диода 14, пятого p-i-n диода 15, шестого p-i-n диода 16, седьмого p-i-n диода 17, восьмого p-i-n диода 18. При этом, первый p-i-n диод 11, второй p-i-n диод 12, третий p-i-n диод 13, четвертый p-i-n диод 14, пятый p-i-n диод 15, шестой p-i-n диод 16, седьмой p-i-n диод 17, восьмой p-i-n диод 18 установлены на поверхность диафрагмы 10 катодом. Первый p-i-n диод 11, второй p-i-n диод 12 соединены анодами через первую контактную сетку 19, а третий p-i-n диод 13, четвертый p-i-n диод 14 соединены анодами через вторую контактную сетку 20 с первым проводником 8. Пятый p-i-n диод 15, шестой p-i-n диод 16 соединены анодами через третью контактную сетку 21, а седьмой p-i-n диод 17, восьмой p-i-n диод 18 соединены анодами через четвертую контактную сетку 22 со вторым проводником 9. Схема присоединений p-i-n-диодов представлена на фиг.3. Диафрагма 10 представляет из себя резонансную решетку, в которой прорезаны две щели особой формы, формирующие первую перемычку 23, вторую перемычку 24, третью перемычку 25, четвертую перемычку 26, пятую перемычку 27 и шестую перемычку 28. За счет взаимной связи по СВЧ между этими щелями создается дополнительный резонанс, что увеличивает полосу рабочих частот, в которой прямые потери будут минимальны. Особая форма щелей позволяет проводить регулировку параметров волноводного выключателя, а именно настройку центральной частоты и ширины полосы пропускания. Грубая регулировка параметров волноводного выключателя, при необходимости, проводится физическим удалением первой перемычки 23, и/или второй перемычки 24, и/или третьей перемычки 25, и/или четвертой перемычки 26, а плавная регулировка обеспечивается подгибом пятой перемычки 27 и/или шестой перемычки 28. Описываемый способ регулировки позволяет компенсировать сужение рабочей полосы пропускания и смещение резонансной частоты устройства, вызванных разбросом емкостей и других параметров p-i-n диодов, сложностью их установки, а также конструктивно-технологическую сложность изготовления резонансной решетки в виде двух щелей особой формы.

На расстоянии λ/4, где λ - длина волны, от модуля резонансной решетки 1 расположена диафрагма 7, содержащая резонансное окно, эквивалентная схема которого представляет собой параллельный колебательный контур. При необходимости, размерами и формой резонансного окна диафрагмы 7 регулируют величину нагруженной добротности волноводного выключателя, путем механического удаления слоя материала.

Дополнительная особенность волноводного выключателя заключается в том, что первая контактная сетка 19, вторая контактная сетка 20, третья контактная сетка 21 и четвертая контактная сетка 22 устанавливаются на пары первый p-i-n диод 11 - второй p-i-n диод 12, третий p-i-n диод 13 -четвертый p-i-n диод 14, пятый p-i-n диод 15 - шестой p-i-n диод 16, седьмой p-i-n диод 17 - восьмой p-i-n диод 18 соответственно методом пайки.

Дополнительная особенность волноводного выключателя заключается в том, что первая контактная сетка 19, вторая контактная сетка 20, третья контактная сетка 21 и четвертая контактная сетка 22 устанавливаются на пары первый p-i-n диод 11 - второй p-i-n диод 12, третий p-i-n диод 13 -четвертый p-i-n диод 14, пятый p-i-n диод 15 - шестой p-i-n диод 16, седьмой p-i-n диод 17 - восьмой p-i-n диод 18 соответственно методом микросварки.

Дополнительная особенность волноводного выключателя заключается в том, что первая контактная сетка 19, вторая контактная сетка 20, третья контактная сетка 21 и четвертая контактная сетка 22 изготовлены из меди.

Дополнительная особенность волноводного выключателя заключается в том, что первая контактная сетка 19, вторая контактная сетка 20, третья контактная сетка 21 и четвертая контактная сетка 22 изготовлены из вольфрама.

Дополнительная особенность волноводного выключателя заключается в том, что первая контактная сетка 19, вторая контактная сетка 20, третья контактная сетка 21 и четвертая контактная сетка 22 изготовлены из молибдена.

Дополнительная особенность волноводного выключателя заключается в том, что первая контактная сетка 19, вторая контактная сетка 20, третья контактная сетка 21 и четвертая контактная сетка 22 изготовлены из манганина.

Дополнительная особенность волноводного выключателя заключается в том, что первая контактная сетка 19, вторая контактная сетка 20, третья контактная сетка 21 и четвертая контактная сетка 22 изготовлены из никеля.

Волноводный выключатель собирается последовательной установкой на несущую пластину 3 предварительно собранного модуля резонансной решетки 1 p-i-n диодами внутрь несущей пластины 3, вилки 6, диафрагмы 7, верхней пластины 2, нижней пластины 4 и стягивается четырьмя позиционирующими винтами 5, обеспечивающие точное позиционирование составных частей относительное друг друга, формирующих прямоугольный волновод.

Предложенное изобретение работает следующим образом.

Волноводный выключатель размещается между двумя волноводными трактами, где проходит электромагнитная волна (фиг.4). На диафрагме 10 через вилку 6, первый проводник 8, второй проводник 9 и первую контактную сетку 19, вторую контактную сетку 20, третью контактную сетку 21, четвертую контактную сетку 22 на первый p-i-n диод 11, второй p-i-n диод 12, третий p-i-n диод 13, четвертый p-i-n диод 14, пятый p-i-n диод 15, шестой p-i-n диод 16, седьмой p-i-n диод 17, восьмой p-i-n диод 18 (например, диоды СВЧ 2А536А-5) подается прямой ток, открывающий ключи p-i-n диодов. При этом происходит закорачивание щелей по СВЧ току в местах включения диодов. Резонансная решетка разбивается на три запредельных волновода, в результате чего, волноводный выключатель закрывается, и распространяющаяся по прямоугольному волноводу электромагнитная волна отражается от устройства.

При подаче обратного тока, ключи p-i-n диодов закрываются, волноводный выключатель открывается, и электромагнитная волна проходит через устройство с минимальными потерями и без отражений, так как отраженные волны компенсируют друг друга.

Для подтверждения правильности выбранного технического решения на предприятии были изготовлены опытные образцы волноводного выключателя с параметрами: рабочий диапазон - от 9 до 10 ГГц, величина прямых потерь и ослабления в полосе пропускания - не более 0,8 дБ и не менее 20 дБ соответственно.

Результаты измерений прямых потерь в режиме пропускания приведены на фиг.5, где М1-М2 - рабочая полоса частот, М3, М4 - 7 предельные значения в рабочей полосе частот, М5-М6 - полоса по уровню 0,8 дБ.

Результаты измерений КСВН в режиме пропускания приведены на фиг.6, где М1-М2 - рабочая полоса частот, М3, М4 - предельные значения в рабочей полосе частот, М5-М6 - полоса по уровню 2,0 дБ.

Результаты измерений прямых потерь в режиме ослабления приведены на фиг.7, где М1-М2 - рабочая полоса частот, М3, М4 -предельные значения в рабочей полосе частот.

Таким образом, конструкция волноводного выключателя позволяет выбирать ширину рабочей полосы устройства, а также проводить подстройку центральной частоты в широком диапазоне, необходимую для достаточной компенсации влияющих факторов.

Регулировка волноводного выключателя обеспечивает:

- отсутствие необходимости подбора p-i-n диодов, вызванная разбросом параметров диода при подаче на диод обратного смещения;

- технология установки (монтажа) p-i-n диодов может быть не сверхточная, и вообще ручная;

- снижение требований к точности обработки щелей и изготовления диафрагм 7 и 10.

Представленный волноводный выключатель и его составные части могут быть изготовлены с применением известных металлических материалов на известном технологическом оборудовании и покупных изделий и комплектующих. При этом, представленный волноводный выключатель серийно изготавливается и устанавливается в серийно изготавливаемые СВЧ устройства.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к выключателям на p-i-n-диодах. Волноводный выключатель представляет собой сборное устройство, которое состоит из модуля резонансной решетки, верхней пластины, несущей пластины, нижней пластины, четырех позиционирующих винтов, вилки и диафрагмы. При этом модуль резонансной решетки волноводного выключателя состоит из двух проводников, расположенных во фторопластовых трубках, диафрагмы, восьми p-i-n-диодов. Диафрагма модуля резонансной решетки представляет из себя резонансную решетку, в которой прорезаны две щели, формирующие шесть перемычек. Устройство выполнено с возможностью регулировки параметров физическим удалением одной или нескольких перемычек, а плавная регулировка обеспечивается подгибом пятой перемычки и шестой перемычки. Конструкция волноводного выключателя позволяет выбирать ширину рабочей полосы устройства, а также проводить подстройку центральной частоты в широком диапазоне. При этом на расстоянии λ/4 от модуля резонансной решетки размещена диафрагма, содержащая резонансное окно, позволяющая регулировать величину нагруженной добротности волноводного выключателя. Технический результат - расширение рабочей полосы частоты пропускания, уменьшение прямых потерь и упрощение технологии изготовления. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Волноводный выключатель, содержащий модуль резонансной решетки, состоящий из первого проводника, второго проводника, расположенных во фторопластовых трубках, диафрагмы, на которой установлены катодом первый p-i-n-диод, второй p-i-n-диод, третий p-i-n-диод, четвертый p-i-n-диод, пятый p-i-n-диод, шестой p-i-n-диод, седьмой p-i-n-диод, восьмой p-i-n-диод, при этом первый p-i-n-диод, второй p-i-n-диод соединены анодами через первую контактную сетку, а третий p-i-n-диод, четвертый p-i-n-диод соединены анодами через вторую контактную сетку с первым проводником, а пятый p-i-n-диод, шестой p-i-n-диод соединены анодами через третью контактную сетку, а седьмой p-i-n-диод, восьмой p-i-n-диод соединены анодами через четвертую контактную сетку со вторым проводником, и волновод, отличающийся тем, что в состав волноводного выключателя введена вилка, к которой подключаются первый и второй проводники, а волновод формируется из модуля резонансной решетки и введенных в состав волноводного выключателя верхней пластины, несущей пластины, нижней пластины, диафрагмы, содержащей резонансное окно, и четыре позиционирующих винта, стягивающие составные части волноводного переключателя, и обеспечивающие их точное позиционирование относительно друг друга; при этом на диафрагме модуля резонансной решетки введены в состав первая перемычка, вторая перемычка, третья перемычка, четвертая перемычка, пятая перемычка и шестая перемычка, позволяющие проводить регулировку центральной частоты и ширины полосы пропускания, а на расстоянии λ/4, где λ - длина волны, от модуля резонансной решетки размещена диафрагма, содержащая резонансное окно, позволяющая регулировать величину нагруженной добротности волноводного выключателя.

2. Волноводный выключатель по п. 1, отличающийся тем, что первая контактная сетка, вторая контактная сетка, третья контактная сетка и четвертая контактная сетка устанавливаются на пары первый p-i-n-диод - второй p-i-n-диод, третий p-i-n-диод - четвертый p-i-n-диод, пятый p-i-n-диод - шестой p-i-n-диод, седьмой p-i-n-диод - восьмой p-i-n-диод соответственно методом микросварки.

3. Волноводный выключатель по п. 1, отличающийся тем, что первая контактная сетка, вторая контактная сетка, третья контактная сетка и четвертая контактная сетка устанавливаются на пары первый p-i-n-диод - второй p-i-n-диод, третий p-i-n-диод - четвертый p-i-n-диод, пятый p-i-n-диод - шестой p-i-n-диод, седьмой p-i-n-диод - восьмой p-i-n-диод соответственно методом пайки.

4. Волноводный выключатель по п. 1, отличающийся тем, что первая контактная сетка, вторая контактная сетка, третья контактная сетка и четвертая контактная сетка изготовлены из меди.

5. Волноводный выключатель по п. 1, отличающийся тем, что первая контактная сетка, вторая контактная сетка, третья контактная сетка и четвертая контактная сетка изготовлены из вольфрама.

6. Волноводный выключатель по п. 1, отличающийся тем, что первая контактная сетка, вторая контактная сетка, третья контактная сетка и четвертая контактная сетка изготовлены из молибдена.

7. Волноводный выключатель по п. 1, отличающийся тем, что первая контактная сетка, вторая контактная сетка, третья контактная сетка и четвертая контактная сетка изготовлены из манганина.

8. Волноводный выключатель по п. 1, отличающийся тем, что первая контактная сетка, вторая контактная сетка, третья контактная сетка и четвертая контактная сетка изготовлены из никеля.