СВЧ-управляющее устройство Советский патент 1992 года по МПК H01P1/15 

сл

С

Использование: в радиоприемных и радиопередающих устройствах. Сущность 4BU .«8.$u5j-«,r I 2 изобретения: в отрезке прямоугольного волновода размещены первая и вторая идентичные диэлектрические подложки, которые установлены параллельно одна другой на расстояниях от узких стенок отрезка прямоугольного волновода, равных 1/3 размера его широкой стенки. На одной стороне каждой диэлектрической подложки размещены первые области металлизации, образующие волноводно-щелевую линию передачи, а на другой стороне - полосковый проводник перпендикулярно щели с образованием перехода от полосковой к щелевой линии передачи. В разрыв полосковых проводников включены управляемые диоды. 2 ил

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах.

Известно СВЧ-управляющее устройство, содержащее волноводно-щелевую линию передачи, в которую включены один или несколько управляющих полупроводниковых диодов 1.

Недостатком таких устройств является влияние нескомпенсированных реактивных составляющих импеданса диода, ухудшающее параметры устройства в рабочей полосе частот.

Наиболее близким к предлагаемому является СВЧ-управляющее устройство, содержащее отрезок прямоугольного волновода, диэлектрическую подложку с областями металлизации на одной ее стороне, образующими волноводно-щелевую линию, к которой подключены два отрезка копла- нарной линии передачи, между которыми

включен управляющий диод. Подбирая длину отрезков копланарной линии, удается скомпенсировать реактивные составляющие импеданса диода в режиме пропускания и запирания 2.

Недостатком устройства является сравнительно низкое значение развязки в режимах запирания из-за небольшой длины отрезка с волноводно-щелевой линией, являющегося запредельным волноводом для волны рабочего типа, часть входного сигнала проходит на выход, минуя волноводно- щелевую линию. Устройство с одиночным диодом характеризуется также невысокой рабочей входной мощностью и надежностью.

Целью изобретения является повышение развязки в режиме запирания, рабочей входной мощности и надежности устройства

Поставленная цель достигается тем, что в СВЧ-управляющее устройство, содержаVJ W sQ

О

ч|

щее отрезок прямоугольного волновода, в котором размещена первая диэлектрическая подложка с первыми областями металлизации на одной ее стороне, образующие волноводно-щелевую линию передачи, и первый диод, введены вторая диэлектрическая подложка, идентичная первой, первый и второй полосковые проводники и второй диод, при этом первый диод включен в разрыв первого полоскового проводника, который выполнен разомкнутым на обоих концах и размещен на другой стороне первой диэлектрической подложки перпендикулярно щели в волноводно-щелевой линии и образует переход от полосковой линии передачи к волноводно-щелевой линии, на второй диэлектрической подложке идентично с первой диэлектрической подложкой выполнены вторые области металлизации и полосковый проводник, в разрыв которого идентично первому диоду включен второй диод, первая и вторая диэлектрическая подложки установлены параллельно одна другой и на одинаковых расстояниях от узких стенок отрезка прямоугольного волновода, выбранных равными 1 /3 размера его широкой стенки.

На фиг.1 показана конструкция предлагаемого устройства, на фиг.2 - его эквивалентная схема на СВЧ.

Отрезок прямоугольного волновода 1 содержит диэлектрическую подложку 2. На одну ее поверхность нанесены области металлизации 3, образующие волноводно-щелевую линию (на фиг. 16 границы областей металлизации на нижней поверхности подложки показаны пунктиром). На противоположной поверхности подложки размещен полосковый проводник 4, в разрыв которого включен диод 5. К контактной площадке 6 присоединен проводник 7 для подачи смещения на диод 5. Металлизированное сквозное отверстие 8 замыкает цепь управляющего (постоянного) тока на область металлизации волноводно-щелевой линии, соединенную с корпусом волновода. Отрезки высокоомных линий 9 и 10 длиной Я/4 служат для развязки цепей постоянного тока и СВЧ тока. Вторая диэлектрическая подложка 11, идентичная первой, размещена параллельно ей в Е-плоскости волновода симметрично относительно осевого сечения. Расстояние от каждой подложки до ближайшей узкой стенки равно а/3, где а - широкий размер волновода.

Устройство работает следующим образом.

В режиме пропускания на каждый диод подается обратное смещение, и они характеризуются высоким импедансом, обусловленным в основном малой емкостью диода. Этот импеданс трансформируется в волноводно-щелевую линию таким образом, чтобы

скомпенсировать емкостную проводимость диода и обеспечить в сечении его эквивалентного включения режим, наиболее близкий к холостому ходу. При этом входной сигнал проходит на выход управляющего устройства

с минимальными потерями. В режиме запирания на диод подается прямое смещение, он переходит в состояние с низким импедансом, имеющим индуктивный характер, определяющийся конечной индуктивностью выводов. В этом режиме в точке пересечения волноводно-щелевой линии с полосковым проводником реализуется режим, близкий к короткому замыканию, благодаря компенсации индуктивной.составляющей импеданса диода, что приводит к максимальному ослаблению выходного сигнала.

Выполнение названных условий компенсации реактивных элементов в двух режимах достигается выбором длин отрезков полоскового проводника. Длина И отрезка

полоскового проводника от первого разомкнутого конца до центра щели (фиг.2а) выбирается равной А/4 , где Я -длина волны в полосковой линии. При этом обеспечивается эквивалентное параллельное подключение

полосковой линии к волноводно-щелевой, как показано на модифицированной схеме (фиг,2б). Здесь через Za обозначен импеданс диода.

Определим длину ч отрезка полоскового проводника от центра щели до точки включения диода и длину з отрезка полоскового проводника отточки включения диода до второго разомкнутого конца, считая заданным характеристическое сопротивление полосковой линии Zc (его значение может быть взято стандартным, равным, например, 50 Ом).

Рассмотрим режим пропускания, считая импеданс диода при обратном смещении Zai чисто емкостным:

Zai j О) С,

0)

где С - емкость диода.

50 Входной импеданс отрезка полосковой линии длиной, разомкнутой на конце, равен (фиг.2б)

.-, 55Za6 -jZcctg-r-.

(2)

Импеданс в точках ав равен

ZaB1 Za1 + Za6.(3)

Импеданс отрезка полосковой линии, подключенного к волноводно-щелевой линии составляет

7 7 Zab1+JZctg(2ttl2/A)

гД1 GZc+jZabitg(27rl2/4)

(4)

Из соотношений (1)-(4), учитывая требование для режима пропускания Zaal °°, получаем уравнение, связывающее г и з

Zc-f(+Zcctg). (5)

При анализе режима запирания считаем импеданс прямосмещенного диода индуктивным

гД2 jtoL,

где L- индуктивность выводов.

Определив по соотношениям (3) и (4) новые значения Zae2 и 7ГД2 при условии максимальной развязки , получаем второе уравнение относительно 2 и з.

L-Zcctg +Zctg O. (7)

Обозначим:

.,2л1з ,, 2л12/0%

X ctg -3- ; Y tg -j-(8)

Выразив Y из (5) и (7), получаем уравнение относительно X

ZC2X2 + Zc (1 /соС - a)L)X +ZC2 -L/C 0.(9)

Его решением является выражение

Х12

(UL - 1/u)C)± V(tflL - КиС - 4(ZЈ - L/Cj

ft lff.

2ZT

Для определения однозначноого физически возможного решения рассмотрим гипотетический случай идеального диода, для которого С О, L О, ZA1 оо, гД2 0. (11)

Этому случаю соответствуют 2 п Я/2 и з (2п-1) Я/4, что обеспечивает ZPAI °° и 2Гд2 0. (п 0 - целое число, которое на практике берется равным 1). С учетом (8) получаем требование X 0, что при выполнение условий (11) является единственным решением уравнения (9). Этому, решению соответствует положительный знак перед квадратным

корнем в выражении (10). Таким образом, окончательно имеем

Л- - )2 - 4( - LC)+ + a)L - .(12)

Из уравнения (6) находим

10

Y - V(0L - 1 /ftC)2 - 4(zЈ - LC) - wL -

(13)

Отрицательным значениям тригонометрических функций в выражениях (8) соответ- 15 ствуют наименьшие длины 2 и з, лежащие в интервале от Я/4 до А /2. С учетом этого получаем

20 arcctgX

при

з

Ь 1

(Jj(1+ arcctgX) при (14)

25

arctgY

при

30

12

) ЗI

J(1 + jf arctg Y) при . (15)

гдеХ и Y определяются соотношениями (12) и (13).

Выбранные таким образом размеры от35 резков полоскового проводника обеспечивают компенсацию реактивных составляющих импеданса диода в обоих режимах и оптимальные параметры управляющего устройства на рабочей частоте.

40

Размещение полоскового проводника на поверхности подложки, свободной от металлизации волноводно-щелевой линии, существенно облегчает выполнение отрезков

45 требуемой длины, монтаж диода и подачу управляющего сигнала. Не требуется изоляция одной из областей метализации волноводно-щелевой линии от корпуса, вызывающая значительные технические

50 трудности (особенно в малогабаритных устройствах миллиметрового диапазона волн). Автоматически выполняется условие изоляции цепей подачи управляющего сигнала от металлизации волноводно-щелевой линии

55 Таким образом достигается упрощение конструкции устройства.

Введение второй диэлектрической подложки, идентичной первой, разбивает волновод на три части шириной а/3 каждая. Это

позволяет увеличить степень запредельно- сти каждой части волновода на рабочей частоте и снизить уровень сигнала, проходящего на выход в режиме запирания непосредственно по волноводу, минуя волноводно-щелевую линию, т.е. повысить развязку в этом режиме, Симметричное расположение подложек и подключение диодов с помощью полосковых проводников к точкам волноводно-щелевой линии, расположенным в общем сечении вол- повода, приводит к равномерному распределению входного сигнала между двумя диодами, что обеспечивает дополнительные преимущества. Если эквивалентная суммарная проводимость диодов выбирается равной эквивалентной проводимости одиночного диода в однодиодном устройстве, сочетание основных параметров управляющего устройства (вносимых потерь в режиме пропускания и развязки в режиме запирания) не изменяется. Однако из-за улучшения условий теплоотвода от диодов, размещенных на разных подложках, повышается допустимая входная мощность. Кроме этого, выход из строя одного из диодов не приводит к полной потере работоспособности устройства. В этом случае снижаются развязка в режиме запирания и рабочая входная мощность, но устройство не выходит полностью из строя, что повышает его надежность,

°)

Фиг -I

Формула изобретения СВЧ-управляющее устройство, содержащее отрезок прямоугольного волновода, в котором размещена первая диэлектрическая подложка с первыми областями металлизации на одной ее стороне, образующие волноводно-щелевую линию передачи, и первый диод, отличающееся тем, что, с целью повышения развязки в режиме запирания, рабочей входной мощности и надежности, введены вторая диэлектрическая подложка, идентичная первой, первый и второй полосковые проводники и второй диод, при этом первый диод включен в разрыв первого полоскового проводника, который выполнен разомкнутым на обоих концах и размещен на другой стороне первой диэлектрической подложки перпендикулярно щели в волноводно-щелевой линии передачи и образует переход от полосковой к щелевой линии передачи, на второй диэлектрической подложке идентично с первой диэлектрической подложкой выполнены и размещены вторые области металлизации и второй поло- сковый проводник, а разрыв которого идентично первому диоду включен второй диод, первая и вторая диэлектрические подложки установлены параллельно одна другой и на одинаковых расстояниях от узких стенок отрезка прямоугольного волновода, выбранных равными 1/3 размера его широкой стенки

л

5)

N

КП

t

&

CD,

W 2

л

/ 5

3

&

Ј1