Сверхвысокочастотное защитное устройство

 

Изобретение относится к электронике СВЧ и может быть использовано для защиты выходных каскадов СВЧ приемников от воздействия СВЧ импульсной мощности порядка 100 кВт при средней мощности до 1 кВт. Техническим результатом является уменьшение времени восстановления, снижение просачивающейся на выход СВЧ мощности, повышение надежности защитного устройства, а также управление мощностью и фазой сигнала. Предложенное устройство состоит из электронной пушки, входного и выходного резонаторов, разделенных диафрагмой, и коллектора. Для передачи сигнала используются быстрые циклотронные волны электронного потока. Устройство имеет время восстановления 10-20 нс, просачивающуюся импульсную мощность 1-5 мВт, долговечность - тысячи часов, а также может быть использовано в качестве управляемых аттенюатора и фазовращателя. Устройство обеспечивает надежную защиту приемника в случае радиопротиводействия. 2 ил.

Изобретение относится к электронике СВЧ и может быть использовано для защиты входных каскадов СВЧ приемника от воздействия СВЧ колебаний большой мощности.

Перед авторами стояла задача создания устройства, способного надежно защищать приемник от СВЧ импульсов с амплитудой до 50 кВт, при средней мощности до 500 Вт, при произвольной длительности и частоте повторения импульсов, с временем восстановления менее 20 нс, с просачивающейся мощностью на выходе не более 5 мВт, способного выполнять функции управляемого аттенюатора и фазовращателя.

Известны защитные устройства на полупроводниковых ограничительных диодах [1] , имеющие время восстановления десятки наносекунд, однако допустимая входная СВЧ мощность для этих устройств не превышает несколько киловатт, даже в режиме коротких импульсов.

Известны резонансные газовые разрядники, состоящие из нескольких последовательно соединенных низкодобротных резонаторов, заполненных газом [2], способные работать при больших уровнях СВЧ мощности (прототип). Однако время восстановления этих защитных устройств превышает 1 мкс, и, кроме того, просачивающаяся на выход этих устройств мощность довольно велика. Например, газовый разрядник BL 397A [3], работающий в диапазоне частот 9,25 - 9,5 ГГц, выдерживает импульсную мощность до 250 кВт при скважности 1000, имеет время восстановления 1,5 мкс и просачивающуюся мощность 40 мВт.

Общим недостатком полупроводниковых устройств и газовых разрядников является их принципиальная ненадежность, т.к.

а) активный элемент их (полупроводник, газ) подвержен воздействию СВЧ мощности, что разрушает его; б) в случае несрабатывания защитного устройства либо выхода его из строя СВЧ мощность может проникать в последующий каскад приемника и разрушать его; в) защитные свойства устройства, как правило, ухудшаются в случае воздействия СВЧ перегрузок вне рабочей полосы частот защитного устройства.

Все перечисленные устройства не могут управлять мощностью и фазой сигнала.

Целью настоящего изобретения является уменьшение времени восстановления, снижение просачивающейся на выход СВЧ мощности, повышение надежности защитного устройства, а также управление мощностью и фазой сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что известное защитное устройство, содержащее входной и выходной резонаторы, дополнительно содержит электронную пушку, коллектор и диафрагму, разделяющую резонаторы, с отверстием для прохождения электронного потока, причем размеры отверстия меньше толщины диафрагмы и много меньше рабочей длины волны устройства, резонаторы выполнены в виде элементов связи с быстрой циклотронной волной, а все устройство помещено в однородное магнитное поле, направление которого совпадает с осью электронного потока.

Элементы связи могут быть выполнены в виде двух плоских ламелей.

С целью лучшей развязки по высокой частоте входной элемент связи может быть развернут относительно выходного, вокруг оси электронного потока, на угол 90^o ± 1^o.

Сущность изобретения заключается в том, что передача СВЧ мощности от входного резонатора к выходному осуществляется электронным потоком, имеющим ограниченную энергоемкость. При СВЧ мощности, превышающей допустимую, токопрохождение между резонаторами нарушается и мощность проникает в выходной резонатор только через малое отверстие в разделительной диафрагме.

Такое отверстие является по сути запредельным волноводом, затухание в котором L определяется по формуле [7] L = 8,68 α l (дБ); (1.1) где l - толщина диафрагмы, λ_кр - критическая длина волны волновода, λ - рабочая длина волны устройства.

При условии λ_кр≪ λ (1.3) получим из (1.1), (1.2)

Для низшего типа волн для, круглого отверстия диаметром a, величина λ_кр равна 1,7a (либо 2a - для прямоугольного отверстия) [7], где a - максимальный поперечный размер отверстия.

Принимая
λ_кр= 1,7a, (1.5)
получим

Из выражений (1.3), (1.5), (1.6) очевидно, что отверстие в диафрагме будет эффективно ослаблять СВЧ мощность (не менее 32 дБ) при условии, что поперечные размеры отверстия меньше толщины диафрагмы и много меньше рабочей длины волны устройства.

Одновременно, при оседании электронного потока, КСВн входа (и выхода) устройства возрастает до 30-40 ед., что обеспечивает отражение СВЧ мощности и дополнительное ослабление между входом и выходом устройства на 20-30 дБ.

Малое время восстановления устройства после воздействия СВЧ мощности определяется временем затухания колебаний в низкодобротном входном резонаторе. Надежность устройства повышается за счет использования электронного потока и вынесения активного элемента - катода из области СВЧ полей.

Управление мощностью сигнала осуществляется регулировкой величины электронного тока.

Управление фазой сигнала осуществляется изменением величины магнитного поля.

Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 - СВЧ защитное устройство; фиг. 2 - зависимость СВЧ мощности на выходе защитного устройства от мощности на входе:
а) в статическом режиме;
б) в динамическом режиме.

На фиг. 1 обозначено: 1 - электронная пушка, 2 - входной резонатор, 3 - разделительная диафрагма, 4 - выходной резонатор, 5 - коллектор. В_о - однородное магнитное поле.

Наиболее эффективные элементы связи с быстрой циклотронной волной электронного потока представляют собой объемные резонаторы с емкостным зазором, образованным плоскими ламелями (фиг. 1).

Для уменьшения "холодной" связи между резонаторами желательно их развернуть на 90^o относительно друг друга. Это дает дополнительную развязку в 20 - 30 дБ, т.к. СВЧ поля оказываются ортогональными друг к другу.

Предложенное устройство работает следующим образов. В режиме малых сигналов СВЧ сигнал, приходящий во входной резонатор, возбуждает в электронном потоке быструю циклотронную волну. Одновременно удаляется во входную нагрузку шумовая энергия электронного потока, обусловленная тепловыми скоростями электронов. Затем электронный поток через отверстие в диафрагме поступает в выходной резонатор, где происходит обратное преобразование - энергии быстрой циклотронной волны в СВЧ сигнал. Потери сигнала, вносимые устройством в этом режиме, могут быть не более 0,5 дБ в полосе частот 3-5%. При входной мощности, превышающей P_осед. ≃ 5 мВт, электронный поток начинает оседать на ламелях входного резонатора и, при достаточно большой мощности, электронный поток между резонаторами полностью исчезает.

СВЧ мощность, при которой начинается оседание на ламелях резонаторов, определяется по формуле

где ω_ц - циклотронная частота электрона, η_e - удельный заряд электрона, J - электронный ток, - радиус вращения электронного потока, d - зазор между ламелями входного резонатора, d_к - диаметр катода. Например, при ω_ц= 6,28·10¹⁰ Гц, J = 0,5 мА, d = 0,3 мм, d_к = 0,2 мм получим P_осед. = 4,5 мВт.

Связь между резонаторами резко ослабляется на 65 дБ и более. Одновременно увеличивается КСВн резонаторов - σ от 1 (в режиме малого сигнала), до своего "холодного" значения (при полной отсечке электронного потока) [5]:

где η - КПД входного (выходного) контура ( η = 0,97-0,98). Поэтому основная доля падающей мощности - P_ИМП отражается от входа защитного устройства, а в резонатор проникает только часть ее [6]:

в результате, плоская часть СВЧ импульса проникает на выход защитного устройства ослабленной на 80-85 дБ; т.е. при P_ИМП = 50 кВт на выход пройдет не более 1 мВт. Сказанное иллюстрируется фиг. 2, где приведена зависимость СВЧ мощности на выходе защитного устройства от мощности на входе, в статическом режиме (а) и в динамическом режиме (б), и обозначено: P_ВХ - СВЧ мощность на входе защитного устройства, P_ВЫХ - мощность на выходе защитного устройства, P_осед. - мощность, выше которой электронный поток оседает на ламелях входного резонатора, τ - время восстановления устройства, t - текущее время в наносекундах.

Переход защитного устройства от режима приема к режиму защиты и обратно обусловлен электронными процессами, являющимися практически безинерционными (время пролета электронов в резонаторе около 1 нс), и релаксационными процессами во входном резонаторе; т.е. время восстановления устройства, после воздействия импульсной мощности, определяется временем экспоненциального затухания СВЧ колебаний во входном резонаторе до уровня тепловых шумов электронного потока [6]:

где Q_Н - нагруженная добротность резонатора,
T_о - период СВЧ колебаний,
P_ш - мощность тепловых колебаний, обусловленная потерями в резонаторе.

При Q_Н = 20, T_о = 10^-10 с, η = 0,97, P_ИМП = 50 · 10³ Вт, P_ш = 10^-14 Вт, P_осед. = 10^-2 Вт получим время восстановления устройства τ = 86 T_о = 8,6 наносекунды.

Максимальная импульсная СВЧ мощность, выдерживаемая предложенным устройством без ухудшения параметров - P_{имп.макс.}, ограничивается мощностью СВЧ-пробоя между ламелями входного резонатора. С учетом (3) получим

где E = 100 кВ/мм - напряженность электрического поля при пробое в вакууме, d - зазор между ламелями резонатора, ρ - характеристическое сопротивление резонатора.

Задавая d - 0,3 мм, ρ - 70 Ом, получим P_{имп.макс.} = 85 кВт.

Предложенное устройство может служить управляемым аттенюатором. Для этого нужно снизить напряжение анода электронной пушки. Это вызывает уменьшение электронного тока, нарушает согласование резонатора, и при этом потери изменяются от 0,5 дБ до "холодного" значения - 80 дБ.

Фазовый сдвиг в устройстве определяется выражением [4]

где ω = частота сигнала,
l_р - расстояние между резонаторами,
- фазовая скорость быстрой циклотропной волны, (7)
V_е - скорость электронного протока.

Из (6), (7)
Как видно из (8), изменяя ω_ц, т.е. величину магнитного поля, можно управлять фазовым сдвигом. При изменение магнитного поля на 1% дает изменение фазы сигнала на 54^o.

Таким образом, предложенное устройство можно использовать в качестве управляемого фазовращателя с линейной характеристикой.

Применение предложенного защитного устройства на быстрой циклотронной волне электронного потока позволит:
1. Значительно, до 10 нс, уменьшить время восстановления устройства, так как переход предлагаемого защитного устройства от режима приема к режиму защиты и обратно обусловлен только временем затухания СВЧ колебаний в низкодобротном входном резонаторе.

2. Снизить просачивающуюся на выход устройства мощность до 1 - 5 мВт, т. к. при входной мощности более 5 мВт электронный поток полностью прекращается, связь между резонаторами ослабляется, одновременно увеличивается КСВн резонаторов, в результате на выход защитного устройства СВЧ мощность попадает ослабленной на 80-85 дБ.

3. За счет малого времени восстановления устройства и снижения просачивающейся мощности уменьшить время восстановления радиолокационной станции и других приемных устройств до 10-20 нс.

4. Надежно защитить приемник от СВЧ мощности, меняющейся по произвольному закону в широком диапазоне частот, так как
а) надежность и долговечность устройства будет выше, чем полупроводниковых и газоразрядных, т.к. его активный элемент - катод - не подвергается воздействию СВЧ мощности;
б) даже при выходе устройства из строя, по любой причине (оплавление ламелей, ухудшение вакуума, потеря эмиссии и т.д.), СВЧ мощность все равно не проникает через устройство и, следовательно, последующие каскады сохранятся годными;
в) вне рабочей полосы защитные свойства устройства даже улучшаются, т.к. увеличивается КСВн его входа.

5. Упростить приемный тракт в целом, так как предложенное устройство может выполнять функции управляемого эттенюатора и фазовращателя.

Литература:
1. White J.F. Semiconductor control. Dedham, Artech House, 1977.

2. Ашкенази Д.Я., Беляев В.П. и др. Резонансные разрядники антенных переключателей. / Под ред. И.В. Лебедева. - М.: Сов. радио, 1976, стр. 27 - прототип.

3. Microwave Data book. Vol 27, book 23, стр. 94 (1982).

4. Лопухин В.М., Рошаль А.С. Электроннолучевые параметрические усилители. - М.: Сов. радио, 1968.

5. Стандарты ИРИ по электровакуумным приборам. Методы испытаний./ Пер. с англ. - 1962, стр. 104.

6. Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах./ Пер. с нем. - М.: гос. изд. физ.-мат. литературы, 1963.

7. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. т. 1 - М.: Высшая школа, 1970.

Формула изобретения

Сверхвысокочастотное защитное устройство (СВЧ), содержащее входной и выходной резонаторы, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, путем уменьшения времени восстановления и снижения просачивающейся на выход СВЧ мощности, оно дополнительно снабжено электронной пушкой, коллектором и диафрагмой, разделяющей резонаторы, с отверстием для прохождения электронного потока, при этом размеры отверстия в 1 - 5 раз меньше толщины диафрагмы и более чем в 3 раза меньше рабочей длины волны устройства, а резонаторы выполнены в виде элементов связи, с быстрой циклотронной волной электронного потока, образованных бифилярными ленточными спиралями с шагом витков, равным шагу быстрой циклотронной волны сигнала, а все устройство помещено в однородное магнитное поле, направление которого совпадает с осью электронного потока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2