Ограничитель СВЧ мощности с двумя рабочими полосами Российский патент 2024 года по МПК H01P1/22 H01P1/15 H01P1/203 

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для защиты радиоприемных устройств, в частности приемников радиолокационных станций от воздействия электромагнитных колебаний большой мощности.

Известен настраиваемый MEMS частотно-селективный ограничитель СВЧ мощности [Desireh Shojaei-Asanjan, Raafat R. Mansour. Tunable RF MEMS-Based Frequency-Dependent Power Limiter// IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques - 2016. - V. 64. - Is. 12. - pp.4473-4481], содержащий два СВЧ циркулятора, два MEMS переключателя, два полосно-пропускающих фильтра с различными центральными частотами и две согласованные нагрузки. Входом ограничителя является вход первого циркулятора, его третий вывод является выходом всего устройства. Второй вывод первого циркулятора подключен к первому выводу второго циркулятора. К каждому из двух остальных выводов второго циркулятора подключены по одному MEMS-переключателю, которые в режиме включения соединяют полосно-пропускающие фильтры к выводам второго циркулятора. Второй вывод каждого фильтра нагружен на согласованную нагрузку. В режиме входного СВЧ сигнала низкой мощности, оба MEMS-переключателя отключены от полосно-пропускающих фильтров, в результате сигнал с минимальным ослаблением проходит на выход ограничителя. При поступлении на вход такого устройства сигнала большой мощности MEMS-переключатели замыкаются, в результате сигнал проходит через фильтры и поглощается в согласованных нагрузках. Ограничение мощности в таком устройстве происходит в полосах пропускания фильтров. Уровень ослабления в таком устройстве определяется уровнем обратных потерь фильтров.

Недостатком такого ограничителя является сложность его конструкции, обусловленная наличием устройств трех типов, а также сравнительно большое время срабатывания устройства, которое авторы статьи оценивают около 1 мс.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом (прототипом) является частотно-селективный ограничитель мощности на основе диплексера [J. Mateu, C. Collado, A. Hueltes, J. M. O'Callaghan, D. Garcia-Pastor, R. Perea-Robles, N. Joshi, X. Lu, N. Orloff, J.C. Booth. Comprehensive circuit model of auto-limiting superconductor devices// IEEE Transactions on applied superconductivity. - 2016. - V. 27. - No. 34. - pp.1-4], содержащий два циркулятора и два полосно-пропускающих фильтра, полуволновые резонаторы которых полностью выполнены из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП). Для формирования частотно-селективного ограничителя мощности с двумя рабочими полосами используется схема построения мультиплексора на основе полосно-пропускающих фильтров и циркуляторов. Скорость срабатывания такого устройства определяется временем фазового перехода ВТСП материала из сверхпроводящего состояния в нормальное.

Ограничитель такой конструкции имеет намного меньшее, по сравнению с первым аналогом, время срабатывания. Однако такое устройство имеет довольно сложное конструктивное исполнение. Это обусловлено тем, что резонаторы фильтра, выполненные из ВТСП материала, необходимо охлаждать до температуры жидкого азота, а между тем циркуляторы не могут функционировать при такой температуре. Вторым недостатком является сравнительно высокое значение входной мощности, при которой устройство переходит в закрытый режим (порог срабатывания).

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции устройства и снижение его порога срабатывания.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в ограничителе СВЧ мощности с двумя рабочими полосами, содержащем диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую сторону нанесены полосковые проводники резонаторов, формирующие полосно-пропускающий фильтр низкочастотного и высокочастотного каналов, новым является то, что каждый полосно-пропускающий фильтр состоит из трех полосковых резонаторов, проводники которых выполнены из металла с высокой проводимостью, а элемент в центральной части среднего резонатора выполнен из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП-элемент), при этом между крайними резонаторами расположен электромагнитно связанный с ними полосковый П-образный элемент, размеры которого подобраны таким образом, чтобы при нормальном состоянии элемента в центральной части среднего резонатора ёмкостное и магнитное взаимодействия крайних резонаторов взаимно компенсировались на центральной частоте рабочей полосы.

Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что каждый полосно-пропускающий фильтр состоит из трех полосковых резонаторов, проводники которых выполнены из металла с высокой проводимостью, за исключением элемента в центральной части среднего резонатора, выполненного из ВТСП.

Вторым существенным отличием является также то, что полосковый П-образный элемент электромагнитно связан с крайними резонаторами и расположен между ними, его размеры подобраны таким образом, чтобы при нормальном состоянии ВТСП-элемента ёмкостное и магнитное взаимодействия крайних резонаторов взаимно компенсировались на центральной частоте рабочей полосы.

Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники, что обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Сущность заявляемого устройства поясняется с помощью следующих графических материалов.

На Фиг. 1, 2 показаны варианты конструкции заявляемого ограничителя СВЧ мощности с двумя рабочими полосами.

На Фиг. 3 приведена топология заявляемого ограничителя СВЧ мощности с двумя рабочими полосами.

На Фиг. 4 приведены частотные зависимости коэффициентов передачи ограничителя СВЧ мощности с двумя рабочими полосами заявляемой конструкции.

На Фиг. 5 приведена передаточная характеристика заявляемой конструкции ограничителя СВЧ мощности с двумя рабочими полосами.

Заявляемый ограничитель СВЧ мощности с двумя рабочими полосами (Фиг. 1) содержит диэлектрическую подложку 1, на нижнюю сторону которой нанесено металлическое основание 2, на другой ее стороне нанесены полосковые проводники 3, образующие подводящие линии, между которыми расположены полосно-пропускающие фильтры низкочастотного и высокочастотного каналов. Конструкции этих фильтров одинаковы. Полосно-пропускающий фильтр низкочастотного канала состоит из двух крайних четвертьволновых резонаторов 4, и среднего резонатора, образованного проводниками 5, 6, 7 и ВТСП-элементом 8; между крайними резонаторами 4, расположен П-образный элемент 9. Полосно-пропускающий фильтр высокочастотного канала состоит из двух крайних четвертьволновых резонаторов 10, и среднего резонатора, образованного проводниками 11, 12, 13 и ВТСП-элементом 14, между крайними резонаторами 10, расположен П-образный элемент 15. Размеры полосковых проводников, образующих средний резонатор подобраны таким образом, чтобы его резонансная частота совпадала с резонансными частотами крайних резонаторов. Размеры и конфигурация П-образных элементов 9 и 15 подобраны таким образом, чтобы в отсутствии ВТПС-элемента (позиции 8 и 14) крайние резонаторы низкочастотного полосно-пропускающего фильтра и высокочастотного полосно-пропускающего фильтра были слабо связанными друг с другом на рабочих частотах устройства из-за взаимной компенсации индуктивного и емкостного взаимодействий.

Заявляемое устройство работает следующим образом. В режиме слабого сигнала ВТСП-элементы канала 8 и 14 находятся в сверхпроводящем состоянии, добротность среднего резонатора каждого канала высокая и он связывает крайние резонаторы друг с другом, в результате формируются две полосы пропускания. В этом случае устройство защиты представляет собой фильтр с двумя полосами пропускания. Когда мощность сигнала превышает порог срабатывания в каком-либо канале, ВТСП-элемент переходит в нормальное состояние, добротность среднего резонатора падает, и он перестает связывать крайние резонаторы канала. В результате связь между крайними резонаторами разрывается и происходит ограничение проходящей мощности. То же самое справедливо и для соседнего канала.

Ширина рабочих частот каждого канального фильтра определяется степенью взаимодействия крайних резонаторов со средним. Величина этого взаимодействия регулируется величиной зазора S₃ (Фиг. 3) между полосковыми проводниками крайних резонаторов и проводниками среднего резонатора.

Для иллюстрации работоспособности заявляемого устройства был изготовлен макет заявляемого ограничителя СВЧ мощности с двумя рабочими полосами (Фиг. 3). На металлическом основании 1 была помещена диэлектрическая подложка 2 из керамики поликор с относительной диэлектрической проницаемостью ε=9.8, толщиной 0.5 мм. Для НЧ-канала были получены следующие параметры: l₁=5.8 мм, S₁=0.21 мм, S₂=0.28 мм, S₃=0.4 мм, Ld₁=8.6 мм, Ld₂=1.7 мм. Проводник 5 имел размеры 6.8×1.6 мм², проводники 6 - 2.2×0.4 мм², проводники 7 - 3.9×0.4 мм². Размеры внешних резонаторов 4 были 17.6×1.0 мм². Для ВЧ-канала были получены параметры: l₁=4.91 мм, S₁=0.21 мм, S₂=0.32 мм, S₃=0.31 мм, l_d1=2.1 мм, l_d2=8.52 мм. Проводник 5 имел размеры 4.0×1.6 мм², проводники 6 - 0.7×0.4 мм², проводники 7 - 4.0×0.4 мм². Размеры внешних резонаторов 4 были 12.8×1.0 мм². Размеры подводящих линий 3 были Lc₁=1.7 мм, Lc₂=28 мм, W_c=0.5 мм. Широкая и узкая части ВТСП-элемента составляли 1 × 0.6 мм² и 0.9 × 0.2 мм² соответственно. Пленка из ВТСП материала состава YBaCuO толщиной 150 нм была осаждена на NdGaO₃ 0.5 мм подложку. Поверхностное сопротивление пленки в нормальном состоянии 10 Ω/□. Внутренние размеры корпуса устройства составили 16.7×32.0×6 мм³. На Фиг.4 приведены амплитудно-частотные характеристики макета устройства для двух режимов работы: открытый (сплошная линия) и закрытый (точки). Центральные частоты рабочих каналов устройства составили 1.48 ГГц и 2.03 ГГц, их относительные ширины - 10% и 11%, минимальные потери в них - 1.9 дБ и 1.7 дБ для НЧ- и ВЧ-канала, соответственно. Обратные потери внутри полос пропускания составляют менее -15 дБ. В закрытом режиме коэффициент передачи уменьшается примерно до -28 дБ (в НЧ-канале) и -26 дБ (в ВЧ-канале). Это означает, что мощность сигнала в рабочих диапазонах ослабляется примерно в 400 раз. Это ограничение мощности вызвано отражением от входа устройства. На Фиг. 5 приведена передаточная характеристика устройства защиты, показывающая зависимость выходной мощности сигнала от мощности входного сигнала для центральной частоты высокочастотного канала (2.03 ГГц). Измерения передаточной характеристики проводились и на центральной частоте низкочастотного канала 1.48 ГГц. При входной мощности, достигающей значения 13 дБм (20 мВт), происходит переход ВТСП-элемента в нормальное состояние и в следствие этого увеличиваются потери в устройстве. Просачивающаяся мощность составила 7.15 дБм (5.18 мВт) и 9.4 дБм (8.7 мВт) для НЧ-канала и ВЧ-канала соответственно при входной мощности равной 35 дБм (3.16 Вт). Это означает, что ограничение мощности равно 26 дБ.

ВТСП-элемент расположен в центральной части среднего резонатора, где находится область максимума высокочастотного тока среднего резонатора. Поэтому ВСТП-элемент переходит в нормальное состояние, а вместе с ним и устройство переключается в закрытый режим, при меньших, по сравнению с прототипом, значениях мощности, поступающей на вход ограничителя мощности.

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для защиты входных каскадов приемников. Ограничитель СВЧ мощности содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесен металлический экран, а на другую нанесены полосковые проводники, формирующие полосно-пропускающие фильтры низкочастотного и высокочастотного каналов. Все три резонатора каждого фильтра выполнены из металла с высокой проводимостью, при этом элемент в центральной части среднего резонатора выполнен из высокотемпературного сверхпроводника. Между крайними резонаторами расположен П-образный элемент. Его конфигурация, а также размер выбраны такими, чтобы для случая, когда элемент в центральной части среднего резонатора находится в нормальном состоянии, ёмкостное и магнитное взаимодействия крайних резонаторов взаимно компенсировались на центральной частоте рабочей полосы. В открытом режиме связь между крайними резонаторами осуществляется через средний резонатор, в результате формируется две полосы пропускания. В закрытом режиме элемент в центральной части среднего резонатора имеет низкую проводимость, добротность среднего резонатора падает, что приводит к ограничению проходящей на выход СВЧ мощности. Технический результат - упрощение конструкции устройства и снижение его порога срабатывания. 5 ил.

Ограничитель мощности с двумя рабочими полосами, содержащий диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую сторону нанесены полосковые проводники резонаторов, формирующие полосно-пропускающие фильтры низкочастотного и высокочастотного каналов, отличающийся тем, что каждый полосно-пропускающий фильтр состоит из трех полосковых резонаторов, проводники которых выполнены из металла с высокой проводимостью, а элемент в центральной части среднего резонатора выполнен из высокотемпературного сверхпроводника, при этом между крайними резонаторами расположен электромагнитно связанный с ними полосковый П-образный элемент, размеры которого подобраны таким образом, чтобы при нормальном состоянии элемента в центральной части среднего резонатора ёмкостное и магнитное взаимодействия крайних резонаторов взаимно компенсировались на центральной частоте рабочей полосы.