СВЧ-коммутатор Советский патент 1992 года по МПК H01P1/10 

сл С

Использование: в аттенюаторах, модуляторах и выключателях для широкополосных передающих трактов радиолокационных станций. Сущность изобретения: в отрезке прямоугольного волновода размещены входная и выходная щелевые диафрагмы, а также индуктивные диафрагмы, в каждой из которых помещены соосно и попарно емкостные конусы в индуктивной диафрагме, ближайшей к выходной щелевой диафрагме. Один емкостный конус выполнен неусеченным, а другой -усеченным со сквозным осевым отверстием, ось которого совпадает с оптической осью лазера, причем в осевом отверстии герметично установлена перегородка из материала, прозрачного для излучения лазера, и на ней размещен фотокатод. 2 ил.

Изобретение относится к опторадиотех- нике, в частности к электрооптическим коммутирующим устройствам (ЭОКУ), и может быть использовано в качестве элемента вол- новодных аттенюаторов, модуляторов или выключателей при разработке сверхмощных широкополосных радиопередающих трактов в РЛС, работающих в режиме импульсной модуляции и предназначенных для навигационных и радиолокационных систем наземного и бортового базирования.

Известен коммутатор-разрядник СВЧ- диапззона, выполненный в виде отрезка прямоугольного волновода, имеющего длину 3/4 А и размеры поперечного сечения - стандартные для рабочей частоты и моды Ню. Каждый резонансный промежуток состоит из двух индуктивных диафрагм и двух емкостных конусов, расположенных навстречу один другому в середине широких

стенок волновода, где напряженность электрического поля максимальна. По существу такое устройство представляет собой полосовой фильтр с четвертьволновыми связями, состоящий из четырех резонансных элементов: двух резонансных разрядных промежутков и двух вакуум-герметичных резонансных окон связи. Полость волновода заполнена аргоном с примесью паров воды, водорода и т.п. при давлении от нескольких единиц до нескольких десятков мм рт.ст. При этом по крайней мере к одному из конусов - электроду поджига, подведено высокое напряжение. При воздействии СВЧ электрического поля высокого уровня в разряднике возникает СВЧ-разряд в газе, в результате чего входное сопротивление устройства резко изменяется, а вносимое, или затухание для проходящего через него мощного сигнала, резко возрастет. Причем

-х

Сл) ЧЭ

-N О

Јь

первым возникает СВЧ-разряд между конусами, где расположен электрод поджига, затем разряд перебрасывается на первую пару конусов, поскольку она оказывается в пучности стоячей волны закороченного (разрядом второй пары) четвертьволнового отрезка волновода. Далее при нарастании мощности импульса СВЧ-сигнала возникает разряд на входном окне, и высокая проводимость плазмы разряда практически закорачивает входное окно.

Однако указанное устройство из-за отсутствия управления, независимо от высокочастотного поля, ограничено в быстродействии. Кроме того, наличие высокого напряжения предъявляет жесткие требования в целом ко всей конструкции разрядника.

Известен также коаксиальный резонансный разрядник защиты приемника, в котором применено резонансное окно для коаксиальных разрядников, содержащий герметичный отрезок коаксиальной линии, в которой с целью расширения рабочей полосы частот введены резонансные диафрагмы, образованные полой металлической трубкой, соединяющей внутренний и наружный проводники коаксиальной линии, и металлическим стержнем, один конец которого соединен с наружным проводником коаксиальной линии, а другой - введен в указанную металлическую трубку, причем для уменьшения электрической прочности конец металлического стержня заострен, а в полую часть трубки введен остроконечный винт. Кроме того, торцы отрезка коаксиальной линии представляют собой резонансные окна, которые для снижения электрической прочности выполнены в виде двух металлических секторов, размещенных в одной плоскости поперечного сечения коаксиальной линии, при этом из металлических секторов - емкостный, представляющий собой пластину, соединен с внутренним проводником коаксиальной линии и отделен от внешнего проводника узким зазором, а второй металлический сектор - индуктивный стержень - соединен с внутренними и внешними проводниками коаксиальной линии, при этом все резонансные узлы размещены на отрезке 3/4Дс интервалом Д/4.

Коаксиальный разрядник работает аналогичным образом, как и коммутатор-разрядник СВЧ-диапазона. Также эти два устройства обладают идентичными недостатками. Однако энергия пика и просачивающаяся мощность оказываются значительно больше, чем у волноводного разрядника.

Кроме того, известен коммутатор СВЧ, в котором управляющий элемент выполнен в виде лазера, а в прилежащем к лазеру

конусе выполнено сквозное осевое отверстие, при этом в противоположном от лазера конусе выполнено несквозное осевое отверстие в виде цилиндра и так, что оптичеекая ось лазера совпадает с осями отверстий, при этом дно цилиндра покрыто пленкой фотокатода (окись цезия). Управление в данном устройстве осуществляется с помощью лазера, а ионизация в рабочем объеме-благодаря

0 внешнему фотоэффекту, возникающему при действии луча лазера на поверхность пленки фотокатода (окиси цезия).

Однако известное устройство обладает сравнительно большой мощностью зажигания разряда; обуславливающей большое

5 время срабатывания, большие энергию пика и просачивающуюся мощность вследствие сравнительно низкой начальной концентрации электронов в разрядном зазоре из-за вынужденно необходимой фор0 мы электродов, сопряженных с лазером, в виде их осей, так как чем больше начальная концентрация электронов в разрядном зазоре, тем больше скорость нарастания электронной концентрации и .ниже мощность

5 зажигания, которая зависит от геометрии электродов и величины разрядного зазора, и минимальна, если разряд происходит между заостренным и плоским электродами. Кроме того, энергия пика и просачиваю0 щаяся мощность, как и мощность зажигания, зависят от начальной концентрации электронов и ее распределения в разрядном зазоре и в конце концов определяют время срабатывания. Известное устройство

5 обладает сравнительно большим временем восстановления вследствие большой ширины разрядного зазора, так как сужение разрядного промежутка позволяет уменьшить время восстановления, а его сужение стано0 вится максимально возможным при форме одного из электродов, сопряженных с лазером, в виде неусеченного конуса. Указанное устройство обладает сравнительно большой энергией пика. Указанные недостатки сни5 жают быстродействие СВЧ-коммутатора.

Цель изобретения - повышение быстродействия.

Цель достигается тем, что в СВЧ-комму- таторе, содержащем лазер, фотокатод и от0 резок прямоугольного волновода, на концах которого установлены соответственно входная и выходная щелевые диафрагмы, а на четвертьволновом расстоянии от них и одна от другой установлены индуктивные диаф5 рагмы, в каждую из которых помещены со- осно и попарно включенные емкостные конусы, при этом один из конусов, размещенный в индуктивной диафрагме, ближайшей к выходной щелевой диафрагме.

выполнен усеченным со сквозным осевым отверстием, ось которого совпадает с оптической осью лазера, емкостные конусы, размещенные в остальных индуктивных диафрагмах, также выполнены усеченными, другой конус, размещенный в индуктивной диафрагме, ближайщей к выходной щелевой диафрагме, выполнен неусеченным, а в сквозном осевом отверстии герметично установлена перегородка из материала, прозрачного для излучения лазера, и на ней со стороны обращенной к вершине усеченного конуса, размещен фотокатод.

На фиг.1 приведена конструкция предлагаемого СВЧ-коммутатора; на фиг.2 - разрез А-А на фиг,1.

СВЧ-коммутатор содержит волн овод 1 и расположенные в нем на четвертьволновом расстоянии одна от другой щелевые диафрагмы 2 и индуктивные диафрагмы 3 с помещенными в последние соосно и попарно включенными емкостными конусами 4, при этом управляющий элемент выполнен в виде лазера 5, его оптическая ось совпадает с осью отверстия, выполненного вдоль оси вращения конусов4, причем противоположный от лазера конус - неусеченный, а отверстие в конусе с лазером в основании конуса перекрыто прозрачной для луча лазера перегородкой 6, на которой со стороны полости коммутатора размещен фотокатод 7. Это может быть сурьмяно-цезиевый вишнево-красного цвета сенсибилизированный кислородом фотокатод.

СВЧ-коммутатор работает следующим образом.

В отсутствие мощности коммутатор представляет собой волноводный полосовой фильтр, причем в отличие от обычных волноводных фильтров предлагаемый представляет собой вакуум-герметичную резонансную структуру, заполненную газом, главным образом аргоном с примесью паров воды, водорода, хлора и т.п., при низком давлении (от единиц до нескольких десятков мм рт.ст. в зависимости от рабочей частоты), Добротность каждой пары конусов 4, каждая из которых настраивается при помощи индуктивной диафрагмы 3, определяется зазором между конусами и размерами диафрагм, и обычно составляет около 4. На обоих фланцах волновода прорезаны щели 2 (их добротность равна половине добротности конусов 4), являющиеся нагрузкой биноминального фильтра и увеличивающие полосу пропускания частот. Емкость конусов 4 составляет порядка 10 пФ. Конусы 4 изготавливают из ковара, а для улучшения дегазации служит покрытие родием или применяется наконечник из нержавеющей

стали. При отсутствии сигнала начальная ионизация внутри коммутатора должна составлять не менее 108 электронов/см3.

При подаче на вход СВЧ-коммутаторз большого уровня мощности, порядка нескольких десятков или .сотен киловатт, он продолжает работать как полосовой фильтр на выходе СВЧ-тракта мощного передатчика.

При включении лазера 5 и при некото0 ром пороговом значении проходной мощности фотокатод 7 под действием луча лазера испускает электроны, создавая такой уровень ионизации в структуре, что между вершинами ближайшей к выходному окну пары

5 конусов 4 возникает СВЧ-разряд. Затем разряд перебрасывается на первую (левую на фиг.1) пару конусов 4, поскольку она оказывается в пучности стоячей волны напряжения, закороченного (разрядом второй

0 пары) четвертьволнового отрезка волновода 1 (сопротивления разрядных промежутков при возникновении разряда в них близки к нулю). Наконец, разряд перебрасывается на входную щель 2, причем высокая

5 проводимость плазмы этого разряда практически закорачивает окна. Время установления разряда составляет менее 108 с Общая изоляция, создаваемая окнами 2 и разрядными промежутками между конуса0 ми 4, составляет около 100 дБ.

При выключении лазера 5 поток вторичных электронов прекращается и происходит деионизация. Время восстановления составляет значительно меньше 1 мкс. Затем

5 СВЧ-коммутатор вновь работает как обычный полосовой фильтр.

В предлагаемом СВЧ-коммутаторе вре мя срабатывания меньше, чем в известном так как благодаря возможности изготовле

0 ния остроконечного и лишенного открытой полости противоположного лазеру 5 конуса 4, хотя при необходимости этот конус 4 может быть выполнен усеченным, стало возможным повысить уровень начальной

5 концентрации электронов в разрядном промежутке, что приводит к значительному сни жению мощности зажигания разряда после включения лазера и уменьшению энергии пика на величину до 10%, а также просачи0 вающейся мощности в целом.

После окончания действия высокочастотного сигнала в известном коммутаторе происходит восстановление его фильтрующих свойств, которое протекает в течение

5 времени восстановления. В предлагаемом СВЧ-коммутаторе время восстановления уменьшено за счет уменьшения ширины разрядного зазора благодаря изготовлению противоположного лазеру 5 конуса 4 цельнеметаллическим (уменьшение активной поверхности исключением внутренней полости - ее поверхности, ближайшей к лазеру 5) и неусеченным.

В СВЧ-коммутаторе может быть исполь- зована сурьмяно-цезиевая .(CSaSb) вишнево-красная сенсибилизированная кислородом пленка фотокатода 7 (может также использоваться пленка многощелочного композита Sb-K-Na или Sb-K-Na-Cs), нанесенная на подложку-перегородку 6, выполненную из материала прозрачного для луча лазера 5 (из того же стекла, из которого сделаны входное и выходное окна 2), обладающего чувствительностью в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Квантовый выход эммитера СЗзЗЬ рекордно высок, высока стабильность его эмиссии, технология изготовления проста; максимальная чувствительность соответствует вишнево-красной окраске пленки в проходящем свете; при сенсибилизации кислородом его чувствительность возрастает в два раза; нормальная толщина его пленки около 1500 А.

СВЧ-коммутатор, управляемый с помощью лазера ИЛПН-208Б, имеет следующие технические характеристики: потери в открытом состоянии менее 1 дБ, общая изоляция около 100 дБ, уровень проходной мощности 10-100 кВт, диапазон рабочих частот 3-30 ГГц и выше, относительная полоса пропускания частот около 10% и более, время переключения менее 1 мкс, КСВН около 1,3, габариты на частоте 10 ГГц 70x50x50 мм, на частоте 3 ГГц - 80x70x70 мм.

СВЧ-коммутатор может найти применение при разработке мощных радиопередающих средств радиолокации и радионавигации, работающих как в непрерывном, так и в импульсном режимах, а также при создании радиоэлектронных средств в режиме кодоимпульсной модуляции.

Формула изобретения

СВЧ-коммутатор, содержащий лазер, фотокатод и отрезок прямоугольного волновода, на концах которого установлены соответственно входная и выходная щелевые диафрагмы, а на четвертьволновом расстоянии от них и одна от другой установлены индуктивные диафрагмы, в каждую из которых помещены соосно и попарно включенные емкостные конусы, при этом один из конусов, размещенный в индуктивной диафрагме, ближайшей к выходной щелевой диафрагме, выполнен усеченным со сквозным осевым отверстием, ось которого совпадает с оптической осью лазера, емкостные конусы, размещенные в остальных индуктивных диафрагмах, также выполнены усеченными, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, другой конус, размещенный в индуктивной диафрагме, ближайшей к выходной щелевой диафрагме, выполнен неусеченным, а в сквозном осевом отверстии герметично установлена перегородка из материала, прозрачного для излучения лазера, и на ней со стороны, обращенной к вершине усеченного конуса, размещен фотокатод.

/

И

//////////////////Л

/

fy///////////y////////// //////////

/у

Alt

Ь.

///// //////////

№

л/4

/у

4

//

77 // //

фиг