Ограничитель свч-мощности

 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам для защиты входа чувствительного СВЧ-приемника от перегрузки и выхода из строя под действием сигнала собственного передатчика или мощных посторонних сигналов, и предназначено для упрощения конструкции и расширения рабочей полосы частот. Ограничитель мощности содержит отрезок прямоугольного волновода 1; диэлектрическую подложку 2 в поперечном сечении волновода 1; первую 3 и вторую 4 металлические полоски, расположенные соосно друг другу перпендикулярно широким стенкам волновода 1; третью металлическую полоску 5, расположенную на другой поверхности подложки параллельно первой 3 и второй 4 металлическим полоскам; сквозные отверстия, через которые проходят металлические замыкатели 6, ограничительный диод 8, включенный между кромками первой 3 и второй 4 металлических полосок, обращенных друг к другу; детекторный диод 9, включенный между кромками поперечной щели 10 в первой металлической полоске 3; переключательный диод 11, включенный между кромками первой 3 и второй 4 металлических полосок, обращенными друг к другу. Под действием СВЧ-сигнала высокого уровня мощности диод 8 генерирует постоянную составляющую тока. Третья металлическая полоска 5 совместно с первой 3, второй 4 полосками и замыкателями 6 обеспечивает замкнутую цепь для протекания постоянной составляющей тока без применения дросселирующих устройств, подключаемых к стенкам волновода 1. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам, предназначенным для защиты входа чувствительного СВЧ-приемника от перегрузки и выхода из строя под давлением сигнала собственного передатчика или мощных посторонних сигналов.

Известны защитные ограничители, в которых функции ограничивающего элемента выполняют полупроводниковые диоды, включаемые в линию передачи на входе СВЧ-приемника [1] Недостатками таких устройств являются конструктивная сложность, особенно проявляющаяся в миллиметровом диапазоне длин волн, и недостаточно широкая полоса частот в рабочих режимах пропускания и запирания СВЧ-сигнала.

Наиболее близким техническим решением является волноводный ограничитель СВЧ-мощности [2] содержащий отрезок прямоугольного волновода, один из концов которого является входом, а другой выходом ограничителя. В плоскости поперечного сечения волновода располагается диэлектрическая подложка, на одной из поверхностей которой размещены металлические полоски и соединенные с ними полупроводниковые диоды. Металлические полоски, расположенные перпендикулярно широкой стенке волновода, совместно с находящимися в низкоимпедансном состоянии диодами образуют колебательную систему, обладающую резонансом последовательного типа. Импеданс ограничителя, шунтирующий волноводный тракт, при высоком уровне входной мощности становится значительно меньше волноводного сопротивления волноводной линии передачи. Тем самым обеспечивается защита входа приемника. Резонанс параллельного типа, создаваемый в той же системе при высокоимпендансном состоянии диодов, обеспечивает малые потери для сигнала низкого уровня мощности.

Недостатком указанного устройства является его конструктивная сложность, обусловленная специальной конфигурацией металлических полосок, располагаемых на поверхности подложки и требующих соединения с широкими стенками волновода. Отсутствие или недостаточно хорошее качество гальванического контакта металлических полосок со стенками волновода нарушает прохождение постоянной составляющей тока диодов и вызывает появление постоянного автосмещения ограничителя, что приводит к ухудшению качества защиты и снижению предельной входной мощности ограничителя. Недостаточно хорошее качество контакта для СВЧ-токов приводит также к росту вносимых потерь в режиме пропускания сигнала низкого уровня мощности. Ограничитель, принимаемый в качестве прототипа, имеет также недостаточно широкую рабочую полосу частот, что обусловлено наличием в его конструкции отрезка линий передачи, длина которого имеет порядок λ/4 для получения максимума потерь запирания на той же частоте, где имеется минимум потерь пропускания.

Техническая задача упрощение конструкции и расширение рабочей полосы частот.

Поставленная техническая задача решается следующим образом В устройстве, содержащем отрезок прямоугольного волновода с диэлектрической подложкой в поперечном сечении, на поверхности подложки, обращенной к входу ограничителя, расположены соосно друг другу перпендикулярно широким стенкам волновода первая и вторая металлические полоски. Между кромками полосок, обращенными друг к другу, включен по крайней мере один полупроводниковый диод. На поверхности подложки, обращенной к выходу ограничителя, параллельно первой и второй металлическим полоскам размещена третья металлическая полоска. В диэлектрической подложке выполнены сквозные отверстия, через каждое из которых проходят металлические замыкатели, соединяющие третью металлическую полоску с первой и второй металлическими полосками.

Кроме того, в первой металлической полоске на участке между полупроводниковым диодом и ближайшим металлическим замыкателем выполнена поперечная щель, между кромками которой включен дополнительно по крайней мере один полупроводниковый диод.

Кроме того, в третьей металлической полоске на участке между металлическими замыкателями выполнена по крайней мере одна поперечная щель, между кромками которой включен по крайней мере один полупроводниковый диод.

На фиг.1 показана в трех проекциях конструкция ограничителя СВЧ-мощности с одним полупроводниковым диодом, в качестве которого использован ограничительный диод; на фиг.2 конструкция ограничителя с одним детекторным и одним переключательным диодами; на фиг.3 конструкция ограничителя с одним детекторным и двумя переключательными диодами; на фиг.4 конструкция ограничителя с дополнительным детекторным диодом (виды со стороны входа и выхода); на фиг.5 конструкция ограничителя с двумя переключательными и одним детекторным диодами на одной стороне подложки и такой же комбинацией диодов на другой стороне подложки (виды со стороны входа и выхода); на фиг.6 - конструкция ограничителя с переключательным и детекторным диодами на одной стороне подложки и такой же комбинацией диодов на другой стороне подложки (виды со стороны входа и выхода); на фиг.7 эквивалентная электрическая схема ограничителя мощности с одним ограничительным диодом; на фиг.8 эквивалентная электрическая схема ограничителя с одним детекторным и одним переключательным диодами.

Ограничитель мощности содержит отрезок прямоугольного волновода 1 (a, b широкий и узкий размеры сечения волновода); диэлектрическую подложку 2 в поперечном сечении волновода 1; первую 3 и вторую 4 металлические полоски, расположенные соосно друг другу перпендикулярно широким стенкам волновода 1; третью металлическую полоску 5, расположенную на другой поверхности подложки параллельно первой 3 и второй 4 металлическим полоскам; сквозные отверстия, через которые проходят металлические замыкатели 6, соединяющие первую 3 и вторую 4 металлические полоски с третьей полоской 5; металлические штыри 7, размещенные симметрично по обе стороны от оси металлических полосок и контактирующие с широкими стенками волновода 1; ограничительный диод 8, включенный между кромками первой 3 и второй 4 металлических полосок, обращенных друг к другу, обладающий импедансом Z_огр; детекторный диод 9, включенный между кромками поперечной щели 10 в первой металлической полоске 3, обладающий импедансом Z_дет; переключательный диод 11, включенный между кромками первой 3 и второй 4 металлических полосок, обращенными друг к другу так, что его анод соединен через первую металлическую полоску 3 с катодом детекторного диода 9; обладающий импедансом Z_пер; переключательный диод 12, включенный встречно-параллельно детекторному диоду 9 между кромками поперечной щели 10; детекторный диод 13, включенный между кромками поперечной щели 14 в третьей металлической полоске 5 так, что его анод соединен через третью 5 и вторую 4 металлические полоски и металлический замыкатель 6 с катодом переключательного диода 11; переключательный диод 15, включенный между кромками щели 16 в третьей металлической полоске 5, катод которого соединен через третью металлическую полоску 5, металлический замыкатель 6 и первую металлическую полоску 3 с анодом детекторного диода 9, а анод с катодом детекторного диода 13; переключательный диод 17, включенный между кромками поперечной щели 16 встречно-параллельно детекторному диоду 13; щелевые емкостные зазоры 18, образованные одним из концов каждой из металлических полосок 3, 4 и ближайшей широкой стенкой волновода 1.

Предлагаемый ограничитель работает следующим образом.

Электромагнитная волна, имеющая мощность P_вх, поступающая на вход ограничителя (фиг.1 и 7), создает на ограничительном диоде 8 высокочастотное напряжение, изменяющее импеданс диодной структуры Z_огр в зависимости от уровня входной мощности. В режиме высокого уровня мощности диод 8 находится в низкоимпедансном состоянии и его сопротивление много меньше характеристического (волнового) сопротивления волновода 1. Под действием СВЧ-сигнала высокого уровня мощности данный диод генерирует постоянную составляющую тока. Третья металлическая полоска 5 совместно с первой 3 и второй 4 металлическими полосками и металлическими замыкателями 6 обеспечивает замкнутую цепь для протекания постоянной составляющей тока без применения дросселирующих устройств, подключаемых к стенкам волновода 1, что приводит к упрощению конструкции ограничителя. Также третья металлическая полоска создает дополнительную индуктивность L₂, которая шунтирует по СВЧ-току последовательно соединенные первую 3 и вторую 4 полоски совместно с диодом 8. Импеданс диода 8 включен последовательно с суммарной индуктивностью L₁, образованной первой 3 и второй 4 полосками, и с двумя емкостями C₁, образованными щелевыми зазорами 15. Индуктивности L₁, L₂ и две емкости C₁ создают на рабочей частоте резонанс последовательного типа, необходимый для получения малой просачивающейся мощности. При этом реализуется режим запирания.

В режиме низкого уровня мощности импеданс диода 8 совместно с первой 3 и второй 4 металлическими полосками имеет емкостный характер и с помощью индуктивных штырей 7 обеспечивается резонанс параллельного типа минимум потерь пропускания на средней частоте.

Суммарная индуктивность L₁ первой 3 и второй 4 полосок определяется их шириной w1 и вырабатывается из соображений малой нагруженной добротности для расширения рабочей полосы в режиме запирания. Выбор индуктивности L₂ третьей полоски 5 определяется из условия положительного значения суммарной реактивной проводимости ограничителя в сечении а-б в отсутствии индуктивных штырей 7.

Для того, чтобы потери пропускания ограничителя в режиме низкого уровня мощности не возрастали более чем на 5 10% при включении третьей металлической полоски 5, необходимо, чтобы индуктивность L₂ по крайней мере в 10 20 раз превышала индуктивность L₁. Для этого ширина третьей металлической полоски w2 должна приблизительно в такое же число раз быть меньше ширины первой и второй полоски w1. Величины w1, w2 малы по сравнению с рабочей длиной волны, что приводит к расширению рабочей полосы частот.

Индуктивные штыри 7 обеспечивают настройку ограничителя на минимум потерь пропускания на средней частоте рабочей полосы за счет создания параллельного резонансного контура, шунтирующего линию передачи в плоскости включения ограничителя.

При наличии одного детекторного 9 и одного переключательного 10 диодов (фиг. 2 и 8) под действием ВЧ-напряжения, созданного сигналом в сечении а-б, в режиме высокого уровня мощности открывание ограничителя наступает лишь после того, как падение напряжения на детекторном диоде 9 достигает порогового значения. Импедансы переключательного 10 и детекторного 9 диодов создают делитель напряжения, коэффициент деления которого определяется в основном отношением емкостей указанных диодов. Предел повышения отношения емкостей ставится чрезмерным ростом пороговой мощности и явлениями гистерезиса амплитудной характеристики. При емкости детекторного диода 9, в 5 10 раз превышающей емкость переключательного диода 10, достигается соответствующее повышение максимальной рабочей мощности.

Включение дополнительных переключательных и детекторных диодов на передней и задней поверхностях подложки (фиг.3 6) приводит к разветвлению СВЧ-токов между диодами в режиме высокого уровня мощности, что в свою очередь при неизменной максимальной рассеиваемой мощности каждого из диодов обеспечивает повышение максимальной входной мощности. Для реализации максимальной входной мощности с учетом электромагнитного взаимодействия между первой 3, второй 4 и третьей 5 металлическими полосками необходимо увеличение ширины третьей металлической полоски w2 до значений, близких к ширине первой и второй полосок w1, при включении диодов на поверхности подложки, обращенной к выходу ограничителя.

Источники информации, использованные при составлении заявки 1. Ропий А.И. Старик А.М. Шутов К.К. Сверхвысокочастотные защитные устройства. М. Радио и связь, 1993, 128 с.

2. Авт.св. СССР N 1737571, кл. H 01 P, 1992 (прототип).

Формула изобретения

Ограничитель СВЧ-мощности, содержащий отрезок прямоугольного волновода с диэлектрической подложкой в поперечном сечении, на поверхности которой, обращенной к входу ограничителя, расположены соосно друг другу перпендикулярно широким стенкам волновода первая и вторая металлические полоски, между кромками полосок, обращенными друг к другу, включен по крайней мере один полупроводниковый диод, отличающийся тем, что введены третья металлическая полоска, расположенная на поверхности подложки, обращенной к выходу ограничителя, параллельно первой и второй металлическим полоскам, и металлические замыкатели, соединяющие третью металлическую полоску с первой и второй металлическими полосками через сквозные отверстия, выполненные в диэлектрической подложке.

2. Ограничитель по п.1, отличающийся тем, что введен дополнительно по крайней мере один полупроводниковый диод, включенный между кромками поперечной щели, выполненной в первой металлической полоске на участке между полупроводниковым диодом и ближайшим металлическим замыкателем.

3. Ограничитель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что введен по крайней мере один полупроводниковый диод, включенный между кромками по крайней мере одной поперечной щели, выполненной в третьей металлической полоске на участке между металлическими замыкателями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8