СВЧ-коммутатор Советский патент 1993 года по МПК H01P1/10 

Ё

Использование: аттенюаторы, модуляторы и переключатели в приемопередающих СВЧ-трактах радиолокационных и радионавигационных систем. Сущность изобретения: СВЧ-коммутатор содержит отрезок симметричной полосковой линии передачи, резонансные входное и выходное окна и диафрагмы, выполненные в виде трубки, соединяющей внутренний и внешний проводники отрезка линии передачи, внутри трубки соосно размещены штырь и встречный штырь с образованием между их концами разрядного промежутка, при этом штырь, ближайший к выходному резонансному окну, выполнен полым и в его полости размещена пластина из оптического материала, через которую на размещенный на ней фотокатод направлено излучение лазера. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к опторадиотех- нике, в частности к электрооптическим коммутирующим СВЧ-устройствам, и может быть использовано как элемент волновод- ных аттенюаторов, модуляторов или переключателей при разработке сверхмощных широкополосных приемопередающих трактов СВЧ энергии, работающих в режиме импульсной модуляции и предназначенных для навигационных и радиолокационных систем наземного и бортового базирования/а также для целей коммутации в мощных и сверхмощных СВЧ устройствах.

Известен СВЧ-коммутатор, выполненный в виде отрезка прямоугольного волновода, имеющего длину 3/4 Л 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 друг друг в середине широких стенок волновода, где напряженность электрического поля максимальна. 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. В ближайшем к выходному окну первом емкостном конусе выполнено сквозное осевое отверстие для подключения управляющего элемента, выполненного в виде лазера, в котором герметично установлена перегородка из материала, прозрачного для луча лазера и на которую со стороны полости конуса нанесен фотокатод, например.

XI

О О О

00

сурьмяно-цезиевый вишнево-красного цвета сенсибилизированный кислородом. Второй, ближайший к выходному окну, конус выполнен цельнометаллическим, Управление в данном устройстве осуществляется с помощью лазера и может быть независимым (в зависимости от заданного режима) от уровня ..СВЧ мощности, а ионизация в рабочем зазоре, благодаря внешнему фотоэффекту, возникает под действием луча лазера через прозрачную перегородку на фотокатод. Однако указанный коммутатор, обладая высоким быстродействием и способностью управлять высоким уровнем проходной мощности ТЕ-волны, не обеспечивает управление ТЕМ-волной.

Известен коммутатор конструктивно сложнее предыдущего, что и обусловило его недостатки, снижающие быстродействие.

Известен СВЧ-коммутатор ТЕМ-вол- ны - широкополосный коаксиальный резонансный разрядник защиты приемника, в котором применено резонансное окно для коаксиальных разрядников, содержащий герметичный отрезок коаксиальной линии, в который с целью расширения рабочей полосы частот введены резонансныедиафраг- мы, 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, и разрядный промежуток между остриями имеет величину около 0,2 мм; 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 один 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 внутренним и внешним проводниками коаксиальной линии; при этом все резонансныеузлы размещены на отрезке 3/4 Л с интервалом Л/4, и соотношения между диаметрами проводников коаксиальной линии стандартные для рабочей частоты и моды ТЕМ-волны. Герметичность входного и выходного окон обеспечивают керамические

шайбы, расположенные в непосредственной близости от емкостного диска. Настройка диафрагм в резонанс осуществляется взаимным перемещением штырей внутри

трубки. Ответный стержень, заполняющий трубку, в ближайшей к выходному окну диафрагме, выполнен полым, а в полости аксиально размещен электрод вспомогательного разряда. Однако описанное

0 устройство не обладает достаточным быстродействием из-за наличия внутри полости волновода электрода вспомогательного разряда с высоким постоянным напряжением и в результате отсутствия управления,

5 независимого от высокочастотного поля, т;к. при этом разряд возникает при достижении СВЧ-полем некоторого порогового уровня. Кроме того, коаксиальный волновод позволяет пропускать уровень мощности

0 ТЕМ волны приблизительно в 1,5 раза меньший по сравнению ссимметричной полоско- вой линией (СПЛ). Указанные недостатки снижают уровень управляемой СВЧ мощности и быстродействие СВЧ-коммутатора

5 ТЕМ волны.

Цель изобретения - повышение уровня управляемой СВЧ мощности и повышение быстродействия. Это повышает качество РЭС, улучшает их характеристики - даль0 ность действия, разрешающую способность, быстродействие и т.п.

Повышение уровня управляемой СВЧ- мощности достигается тем, что в СВЧ-ком- мутаторе, содержащем отрезок линии

5 передачиТЕМ-волны.на концах которого ус- та.новлены герметичные керамические вставки и размещенные рядом с ними входное и выходное резонансные окна, каждое из которых выполнено в виде металличе0 ской пластины, укрепленной на внутреннем проводнике отрезка линии передачи и расположенной перпендикулярно его продольной оси симметрии, причем в металлической пластине выполнен вырез, в котором разме5 щен индуктивный стержень, гальванически соединенный с внутренним и внешним проводниками отрезка линии передачи, на четвертьволновом расстоянии одна от другой и от входного и выходного резонансных окон

0 в отрезок линии передачи включены резонансные диафрагмы, выполненные в виде трубки, соединяющей внутренний и внешний проводники отрезка линии передачи, внутри которой соосно размещены штырь и

5 встречный штырь с образованием между их концами разрядного промежутка, при этом штырь резонансной диафрагмы, ближайшей к выходному резонансному окну, выполнен полым и в его полости размещен источник вспомогательного разряда, - отрезок линии передачи выполнен в виде отрезка симметричной полосковой линии передачи, а металлическая пластина выполнена прямоугольной, причем, ее длинные стороны параллельны поверхности внутреннего проводника отрезка симметричной полосковой линии передачи, а вырез - перпендикулярен ей, В СВЧ-коммутаторе с целью повышения быстродействия источник вспомогательного разряда выполнен в виде фотокатода, размещенного на пластине из оптического материала, через которую на фотокатод направлено излучение лазера.

На фиг. 1 представлен продольный разрез конструкции СВЧ-коммутатора; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

СВЧ-коммутатор содержит внутренний проводник 1 СПЛ с косыми срезами выводов для удобства сварки или пайки соедине- ния с внутренним проводником СПЛ, прозрачные для СВЧ сигнала вставки 2 окон, обеспечивающие герметичность СВЧ- коммутатора, внешние проводники - крышки 3 корпуса отрезка СПЛ, конструкция которых выполнена с учетом сопряжения с трактом СПЛ, боковые стенки 4 корпуса отрезка СПЛ, причем они могут быть выполнены как из металла, так и из материала прозрачного для СВЧ-поля (стекло, керамика); емкостные пластины 5 с загнутыми под прямым углом кромками для создания необходимой величины емкости, индуктивные стержни 6, перемыкающие проводники СПЛ и помещенные в вырезах емкостных пластин 5 с противоположных сторон внутреннего проводника 1 СПЛ; трубки 7, штыри 8, создающие емкость; штыри 9, заполняющие трубку 7 по диаметру и образующие разрядный промежуток со штырями 8; полость 10 в выходном штыре; герметичную, прозрачную для луча лазера перегородку 11 с нанесенным на нее со стороны полости волновода фотокатодом 12, отверстия с резьбой для крепления корпуса, лазер 14, Конкретное выполнение СВЧ-коммутатора может быть следующее. Отрезок СПЛ с торцов герметизируют с помощью керамических вставок 2(при этом может быть использован сплав Н47Д5), толщину которых выбирают исходя из соображений технологичности и прочности, а материал - из соображений минимальных потерь (применяемый в аналогах) в данном рабочем диапазоне частот (сапфир, поликор в миллиметровом диапазоне; керамика 22ХС в дециметровом диапазоне и т.п.). Если расстояние между крышками 3 корпуса СВЧ-коммутатора (отрезка СПЛ) - d, то расстояние от внутреннего проводника 1 отрезка СПЛ до боковых

стенок 4 должно быть не меньше d. Корпус СВЧ-коммутатора может быть выполнен цельнометаллическим с помощью сварных соединений аргоно-дуговой сваркой и т.п., с

помощью болтовых соединений - при этом необходимо предусмотреть герметизирующие прокладки. Материалом корпуса может служить латунь, ковар с серебрением внутренних поверхностей и т.п. Кроме того, бо0 ковые стенки 4 корпуса, как и герметизирующие окна 2, могут быть выполнены из керамики или стекла и составлять с окнами 2 одно целое. При этом внешние проводники 3 СПЛ (крышки корпуса) крепят5 ся к боковым стенкам 4 и к окнам 2 посредством клеевого соединения, болтового, высокочастотной пайки на воздухе и т.п. По периметру крышек 3 может быть, например с помощью фрезерования, выполнена сту0 пенька, а с внутренней стороны крышки тракта СПЛ, в котором используется СВЧ- коммутатор, по периметру выреза в ней, под корпус СВЧ-коммутатора, выполнена аналогичная ступенька. В результате такого кон5 структивного решения обеспечивается надежное электромагнитное сочленение СВЧ-коммутатора с трактом СПЛ. Для предотвращения утечки электромагнитной энергии возможно применить проводящие

0 уплотняющие прокладки (свинец, медь). Внутренний проводник 1 (материал и покрытие его такие же, как для корпуса) выступает наружу из герметизирующих вставок 2 на расстояние, зависящее от технологично5 сти соединения его с трактом СПЛ, - 5-20 мм или более, а на его концах для удобства сочленения могут быть выполнены срезы под углом; сочленение осуществляется с помощью сварки или пайки. Из полости СВЧ0 коммутатора откачивается воздух и она заполняется типовой рабочей смесью, например аргона или криптона и паров воды при давлении от нескольких единиц до нескольких десятков мм рт.ст. С внутренней

5 стороны (в рабочей полости), в непосредственной близости от вставок 2, на проводнике 1 закреплены емкостные прямоугольные пластины 5, выполненные, например, из ко- вара, покрытого серебром. Края пластин 5,

0 параллельные крышкам 3, загнуты под прямым углом, и ширина загнутой части должна быть много меньше длины волны в волноводе (длина волны должна превышать ширину не менее, чем в 20 раз) и должна обеспечи5 вать необходимую емкость. Толщина пластин 5 выбирается минимальной и из соображений прочности и долговечности: от долей мм до нескольких мм. Расстояние от пластин 5 до крышек 3 выбирается из условия пробивной напряженности электрического поля: для используемых газовых наполнений - 200-500 В/см. Кратчайшее расстояние от проводника 1 до края пластины 5 параллельного стенке 4, выбирается не меньшим, чем ширина внутреннего проводника 1. Соответственно середине проводника 1 и с одной его стороны в пластине 5, параллельно стенке 4 выполнена прорезь, в которую помещен индуктивный стержень 6, выполненный также из посеребренного ко- вара, перемыкающий внешний 3 и внутренний 1 проводники СПЛ. Диаметр стержня 6 вдвое Меньше ширины прорези и составляет около 15-25% от ширины проводника 1. На четвертьволновом расстоянии друг от друга и от емкостных пластин 5 в проводнике 1 выполнены отверстия, а соосно каждому из них укреплены трубки 7, например из нержавеющей стали или посеребренного ковара, перемыкающие внешний 3 и внутренний 1 проводники СПЛ с одной стороны от проводника 1. С противоположной стороны проводника 1 соосно трубкам 7 в них введены заостренные штыри 8, например, из нержавеющей стали, диаметр которых меньше (рассчитывается из условия создания необходимой емкости и индуктивности резонансной диафрагмы) внутреннего диаметра трубки 7 и которые соединены с крышкой 3. Металлические трубки 7 и штыри 8 образуют конденсаторы, а вместе с тем - резонансные диафрагмы (трубка 7- индуктивность). Настройка коммутатора производится перемещением штырей 8 внутри трубок 7. Для облегчения зажигания разряда, со стороны крышки 3, в трубки 7 введены встречные заостренные штыри 9, например из нержавеющей стали, полностью заполняющие по внутреннему диаметру трубки 7. Взаимное расположение штырей 8 и 9 выбирается так, чтобы при резонансе промежуток между остриями составлял около 0,2 мм(0,1-0,3 мм). Причем ближайший к выходному окну 2 стержень 9 выполнен полым, а его полость 10 на некотором расстоянии от заостренного конца (выбирается исходя из рабочей частоты, условия защищенности фотокатода 12 от воздействия разряда и плазмы) герметично перекрыта прозрачной для луча лазера перегородкой 11, на которую со сторон:ы полости коммутатора нанесен фотокатод 12, например, сурьмяно-цезиевый. В качестве управляющего элемента, воздействующего на фотокатод 12, вне корпуса СВЧ-коммутатора размещен лазер 14 так, что оптическая ось его луча совмещена с продольной осью симметрии полого штыря 9.

СВЧ-коммутатор работает следующим образом.

При подаче на вход большого уровня мощности СВЧ-сигнала, порядка нескольких единиц или десятков киловатт, он работает как полосовой фильтр. При включении

лазера 14 и при некотором пороговом уровне проходной мощности из фотокатода 12 под действием луча лазера 14 испускаются электроны, создавая такой уровень ионизации в разрядном зазоре между стержнями 8

0 и 9 (последний - полый), что в первый момент времени между вершинами их возникает СВЧ разряд, затем разряд перебрасывается на другую пару штырей 8 и 9 - ближайшую к входному окну, поскольку

5 она оказывается в пучности стоячей волны напряжения закороченного (разрядом первой пары) четвертьволнового отрезка СПЛ. Наконец, разряд перебрасывается на входную и может возникнуть на выходной резо0 нансной диафрагме; при этом он горит между кромкой емкостных пластин 5 и крышками 3, закорачивая входное окно (и выходное). Время установления разряда составляет менее с. Общая изоляция, со5 здаваемая резонансными окнами и разрядными промежутками между штырями 8 и 9, составляет около 100 дБ. При выключении лазера 14 поток фотоэлектронов прекращается и происходит деионизация.

0 Время восстановления составляет менее 1 мкс. Далее СВЧ-коммутатор вновь работает как обычный полосовой фильтр. В СВЧ-ком- мутаторе мощность зажигания может быть достигнута значительно меньше 1 Вт (коак5 спальный СВЧ-коммутатор - 1-5 Вт). СВЧ- ко ммутатор выполнен на основе отрезка СПЛ, что позволяет применять его в устройствах, выполненных на основе отрезков СПЛ, а также открывает возможность у прав0 лять - коммутировать, модулировать и т.п. - уровнями мощности ТЕМ волны, значительно превышающими (в 1,5 раза) типовые в устройствах-аналогах. Как известно СПЛ способна пропускать мощность в 1,5 раза

5 большую, чем коаксиальная линия. СВЧ- коммутатор может найти применение при разработке мощных радиопередающих средств радиолокации и радионавигации, работающих как в непрерывном, так и в

0 импульсном режимах, а также при создании радиоэлектронных средств, работающих в режиме кодоимпульсной модуляции. Он может применяться во всех диапазонах частот, в которых используются тракты передачи

5 СВЧ энергии на основе СПЛ, а также другие виды линий передачи, использующие ТЕМ волну. При его применении могут быть получены следующие характеристики коммутации: потери в открытом состоянии менее 0,5 дБ; общая изоляция до 100 дБ; уровень проходной мощности до нескольких десятков (сотен) кВт; полоса пропускания частот окоФ о р м у л а и з о б р е т е н и я

мещены штырь и встречный штырь с образованием между их концами разрядного промежутка, при этом штырь резонансной диафрагмы, ближайшей к выходному резонансному окну, выполнен полым и в его полости размещен источник вспомогательного разряда, отличающийся тем, что, с целью повышения уровня СВЧ-мощности, отрезок линии передачи выполнен в виде отрезка симметричной полосковой линии передачи, а металлическая пластина выполнена прямоугольной, причем ее длинные стороны параллельны поверхности внутреннего проводника отрезка симметричной полосковой линии передачи, а вырез перпендикулярен ей.

J

V

mw//// ///////A

1790018

SiЈ

7 В

/

;j

///////A

%dn

I