Оптически-управляемый переключатель миллиметрового диапазона для структур на основе реализованного в печатной плате волновода со штырьевыми стенками (siw)
Изобретение относится к радиотехнике, более конкретно к оптически–управляемому переключателю миллиметрового диапазона на основе SIW–волноводов. Техническим результатом является обеспечение согласования на частотах свыше 40 ГГц, уменьшение паразитного излучения и вносимых потерь, уменьшение энергопотребления, улучшение изоляции между состояниями ВКЛ/ВЫКЛ, снижение коэффициента брака, увеличение тепловой защиты источника света. Согласно изобретению оптически–управляемый переключатель содержит SIW–волновод, содержащий первый и второй порты для ввода и вывода электромагнитной волны, и закорачивающее металлизированное отверстие, электрически соединенное с нижней стенкой SIW–волновода и отделенное от верхней стенки SIW–волновода диэлектрическим зазором, фотопроводящий элемент, расположенный на верхней стенке SIW–волновода и электрически соединенный с закорачивающим отверстием и с верхней стенкой SIW–волновода, причем фотопроводящий элемент имеет состояние диэлектрика и состояние проводника в зависимости от состояния управляющего светового потока, и запредельный волновод, сформированный вокруг диэлектрического зазора и фотопроводящего элемента, образованный проводящими стенками, выступающими от верхней стенки SIW–волновода, и выполненный с возможностью обеспечивать управление фотопроводящим элементом от источника света и блокировать паразитное излучение волны, проходящей в SIW–волноводе, через диэлектрический зазор и фотопроводящий элемент. 14 з.п. ф-лы, 1 табл., 17 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к оптически–управляемому переключателю миллиметрового диапазона на основе SIW–волноводов (волноводов со штырьевыми стенками, реализованных в печатных платах).
Уровень техники
В настоящее время ведется активная разработка сетей и устройств миллиметрового диапазона, таких как 5G и 6G, WiGig, радары для автономной навигации и т.д. Появление подобных новых приложений в миллиметровом диапазоне для частот свыше 30 ГГц требует разработки нового класса элементов и схем (активных элементов, антенн, печатных плат, фидеров и коммутационных устройств), способных интегрировать передачу данных, возможности обнаружения и возможности поиска оптимального направления передачи в рамках одного устройства. В частности, для многих приложений переключатель является важным компонентом, поскольку он позволяет управлять переключением каналов распространения сигнала.
Между тем, на частотах свыше 30 ГГц технологические особенности исполнения устройств имеют большое значение, поскольку длины распространяющихся волн очень малы, и любые неоднородности в трактах, которые не были бы существенны для меньших частот, могут приводить к паразитным и шумовым эффектам. Соответственно, существующие в уровне техники переключатели для более низких частот становятся непригодны из–за высоких потерь. Существующие же решения для частот свыше 30 ГГц чрезвычайно сложны и дороги.
Так, например, среди доступных технологий для миллиметрового диапазона особый интерес представляют оптически–управляемые переключатели на SIW–структурах (см., например, US 2019/086763 A1, 12.09.2018), так как в том диапазоне, для которого они предназначены (приблизительно от 10 до 40 ГГц) им присущи простая конструкция и изготовление; экономичный способ встраивания в одной диэлектрической подложке; отсутствие сложных переходов; широкая полоса частот; удобство интегрирования с классическими технологиями печатных плат (PCB), а также хорошая изоляция схем питания/управления от РЧ тракта, малые потери, высокая допустимая пропускаемая мощность. Такой переключатель содержит печатную плату, включающую в себя верхний и нижний слои и диэлектрический слой между верхним и нижним слоями, множество переходных металлизированных отверстий, электрически соединенных с верхним и нижним слоями и расположенных по меньшей мере двумя рядами, закорачивающее металлизированное отверстие, электрически соединенное с нижним слоем и отделенное от верхнего слоя диэлектрическим зазором, и фотопроводящий элемент, электрически соединенный с верхним слоем и закорачивающим отверстием, причем фотопроводящий элемент имеет состояние диэлектрика и состояние проводника и причем электромагнитная волна, подаваемая на оптически–управляемый переключатель, распространяется через волновод, сформированный между упомянутыми по меньшей мере двумя рядами, или блокируется в нем. Тем не менее, на частотах свыше 40 ГГц в таком переключателе возникает паразитное излучение как через частично закрытый, так и через полностью закрытый диэлектрический зазор, потому что покрывающий его фотопроводящий элемент изготавливается из материалов, имеющих относительно высокую диэлектрическую проницаемость (например, около 12 для кремния), что создает условия излучения для данного зазора как для кольцевого излучателя. Из–за этого увеличиваются потери, ухудшается согласование в РЧ–тракте в открытом состоянии, увеличивается чувствительность к внешним наводкам, ухудшается изоляция между состояниями ВКЛ/ВЫКЛ и требуется большая оптическая мощность от управляющего источника света, что приводит к его нагреву и уменьшению срока работоспособности.
Из уровня техники на данный момент не были известны средства решения таких проблем. Известно лишь решение US 9,089,623 B2 (28.07.2015) из другой области техники, в котором применяется запредельный волновод, блокирующий прохождение за его пределы СВЧ–волн, тем самым защищая от повреждения инфракрасный датчик. Однако единственной функцией этого подхода является именно защита инфракрасного датчика (не источника света), при том что сама описываемая в этом решении СВЧ–камера не начинает работать эффективнее при наличии запредельного волновода, а может нормально работать и без него, и кроме того, в этом решении не раскрывается, что делать с фотопроводящим элементом, так как он вообще не упоминается.
Сущность изобретения
С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на создание оптически–управляемого переключателя на основе SIW–волновода для частот свыше 40 ГГц.
Согласно настоящему изобретению предложен оптически–управляемый переключатель, содержащий SIW–волновод (волновод со штырьевыми стенками, реализованный в печатной плате), содержащий: расположенные на его концах между стенками первый и второй порты для ввода и вывода электромагнитной волны, и закорачивающее металлизированное отверстие, электрически соединенное с нижней стенкой SIW–волновода и отделенное от верхней стенки SIW–волновода диэлектрическим зазором; фотопроводящий элемент, расположенный на верхней стенке SIW–волновода и электрически соединенный с закорачивающим отверстием и с верхней стенкой SIW–волновода, причем фотопроводящий элемент может находиться в состоянии диэлектрика и состоянии проводника в зависимости от воздействия на него источником света; и запредельный волновод, сформированный вокруг диэлектрического зазора и фотопроводящего элемента, образованный проводящими стенками, выступающими от верхней стенки SIW–волновода, и выполненный с возможностью обеспечивать управление фотопроводящим элементом от источника света и блокировать паразитное излучение волны, проходящей в SIW–волноводе, через диэлектрический зазор и фотопроводящий элемент.
В одном из вариантов осуществления высота стенок запредельного волновода, считая от поверхности фотопроводящего элемента, больше или равна четверти критической длины волны для запредельного волновода.
В одном из вариантов осуществления запредельный волновод имеет в сечении форму прямоугольника размерами a×b, при этом a больше b и при этом, для соблюдения условия запредельности волновода, размер a меньше половины критической длины волны, соответствующей верхней частоте рабочего диапазона устройства.
В одном из вариантов осуществления запредельный волновод имеет в сечении форму круга с радиусом a, при этом a меньше критической длины волны для запредельного волновода, соответствующей верхней частоте рабочего диапазона устройства.
В одном из вариантов осуществления оптически–управляемый переключатель дополнительно содержит на уровне, обеспечивающем блокирование паразитного излучения: оптически–прозрачный элемент, выполненный в виде проводящей сетки, закрывающей собой всю область, обеспечивающую управление фотопроводящим элементом от источника света, при этом размер ячеек сетки составляет много меньше критической длины волны для запредельного волновода.
В одном из вариантов осуществления внутренняя полость запредельного волновода является пустой, при этом критической длиной волны является критическая длина волны для запредельного волновода с воздушным заполнением, которая соответствует верхней рабочей частоте переключателя; или внутренняя полость запредельного волновода заполнена диэлектрическим материалом, при этом критической длиной волны является упомянутая критическая длина волны для запредельного волновода с воздушным заполнением, деленная на квадратный корень диэлектрической проницаемости материала, заполняющего полость запредельного волновода.
В одном из вариантов осуществления SIW–волновод дополнительно содержит: печатную плату, содержащую верхний и нижний проводящие слои, образующие верхнюю и нижнюю стенки SIW–волновода, и слой диэлектрика между ними, по меньшей мере два ряда переходных металлизированных отверстий, электрически соединенных с верхним и нижним проводящими слоями печатной платы и образующих боковые стенки SIW–волновода, причем соседние отверстия в ряду расположены друг от друга на расстоянии менее одной десятой доли длины волны для электромагнитной волны, которая подается в переключатель, причем расстояние между рядами составляет более половины рабочей длины волны, распространяющейся в волноводе с учетом диэлектрического заполнения.
В одном из вариантов осуществления оптически–управляемый переключатель дополнительно содержит инфракрасный источник света, выполненный с возможностью подачи света на фотопроводящий элемент.
В одном из вариантов осуществления оптически–управляемый переключатель дополнительно содержит источник света, выполненный с возможностью подачи света на фотопроводящий элемент, при этом оптически–прозрачный элемент выполнен на поверхности источника света, обращенной к фотопроводящему элементу.
В одном из вариантов осуществления запредельный волновод дополнительно содержит секцию для размещения источника света, расположенную выше уровня, обеспечивающего блокирование паразитного излучения.
В одном из вариантов осуществления запредельный волновод выполнен на основе одной или нескольких однослойных или многослойных печатных плат.
В одном из вариантов осуществления все слои печатных плат, образующих запредельный волновод, в том числе их подложки, являются проводящими.
В одном из вариантов осуществления подложки печатных плат, образующих запредельный волновод, выполнены из диэлектрика, а стенки запредельного волновода образованы рядами переходных металлизированных отверстий, соединяющих между собой проводящие слои этих плат.
В одном из вариантов осуществления по всему периметру переключателя во всех слоях печатных плат выполнены электрически связанные между собой ряды переходных металлизированных отверстий.
В одном из вариантов осуществления весь переключатель, включая SIW–волновод и запредельный волновод, выполнены в едином корпусе на основе проводящего или диэлектрического материала.
Технический результат
Настоящее изобретение обеспечивает простой и недорогой оптически–управляемый переключатель, который способен работать в мм–диапазоне на частотах свыше 40 ГГц, демонстрируя при этом улучшенные характеристики, такие как обеспечение согласования на столь высоких частотах, уменьшение паразитного излучения и вносимых потерь, уменьшение энергопотребления, улучшение изоляции между состояниями ВКЛ/ВЫКЛ, снижение коэффициента брака, увеличение тепловой защиты источника света.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1A–1C показан оптически–управляемый переключатель согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 2 показаны результаты моделирования зависимости мощности, излучаемой через фотопроводящий элемент, от высоты запредельного волновода.
На Фиг. 3 показаны результаты моделирования коэффициента отражения переключателя.
На Фиг. 4A–4B показано распределение мощности сигнала в области переключателя в открытом состоянии.
На Фиг. 5 показаны результаты моделирования коэффициента передачи переключателя.
На Фиг. 6A–6B показаны варианты использования различных источников света.
На Фиг. 7A–7C показаны различные варианты исполнения запредельного волновода с оптически–прозрачным элементом.
На Фиг. 8–11 показаны различные варианты исполнения переключателя на основе нескольких печатных плат.
Следует понимать, что фигуры могут быть представлены схематично и не в масштабе и предназначены, главным образом, для улучшения понимания настоящего изобретения.
Подробное описание
На Фиг. 1A–1C показаны виды сбоку, сверху и в перспективе оптически–управляемого переключателя (также далее в настоящем документе может называться ключом) согласно настоящему изобретению. В частности, изображен фотопроводящий элемент (PE) 1, монтированный на печатной плате (PCB) 2. PCB 2 состоит из верхнего металлизированного слоя 3, слоя 4 диэлектрика и нижнего металлизированного слоя 5. Вдоль изображенного отрезка PCB 2 на некотором расстоянии от PE 1 расположены параллельные ряды металлизированных переходных отверстий 7, которые формируют собой границы (боковые стенки) SIW–волновода. Расстояние между рядами отверстий выбирается исходя из ограничений по ширине волновода и должно быть более половины рабочей длины волны с учетом диэлектрического заполнения волновода. В показанной на Фиг. 1A–1C структуре также имеется первый РЧ порт 8 и второй РЧ порт 9. Расстояние между металлизированными переходными отверстиями 7 должно быть <λ/10 (меньше одной десятой длины волны, соответствующей верхней частоте диапазона), что практически полностью подавляет паразитное излучение вне реализованного волновода. Примерно посередине между стенками волновода в PCB 2 расположено закорачивающее переходное металлизированное отверстие (VIA) 6. VIA 6 имеет непосредственный контакт с нижним слоем 5, но не контактирует напрямую с верхним металлизированным слоем 3 печатной платы PCB 2 и отделено от него диэлектрическим зазором 10. PE 1 соединяет между собой закорачивающее VIA 6 и верхний слой 3. В предпочтительном варианте осуществления PE 1 полностью закрывает собой диэлектрический зазор 10.
Когда на PE 1 падает свет, PE 1 находится в проводящем состоянии, и тем самым закорачивающее отверстие 6 становится активным, закорачивая верхний слой 3 на нижний слой 5. Токи, протекающие по стенкам волновода через закорачивающее VIA 6, замыкают металлизированные слои 3 и 5, образуя замкнутый контур. В результате ЭМ–сигнал, поступающий в SIW на первый порт 8, отражается в точке расположения PE 1 и закорачивающего VIA 6 и практически не поступает на второй порт 9.
Когда на PE 1 не падает свет, PE 1 находится в диэлектрическом состоянии, закорачивающее VIA 6 неактивно, и ЭМ–сигнал, поступающий в SIW через первый порт 8 с некоторыми потерями проходит в порт 9. Часть потерь ЭМ сигнала может определяться потерями на излучение через диэлектрический зазор 10 и PE 1 так как фотопроводящие материалы, используемые для PE 1, обычно имеют относительно высокую диэлектрическую проницаемость, что создает условия для излучения диэлектрического зазора 10 как для кольцевого излучателя. Во избежание такого паразитного излучения на печатной плате PCB 2 вокруг диэлектрического зазора 10 и PE 1 сформирован запредельный волновод 11, образованный проводящими стенками, выступающими над верхним слоем 3 печатной платы PCB 2 и плотно прилегающими к нему. Верхняя часть запредельного волновода 11 выполнена таким образом, чтобы обеспечивать управление PE 1 – например, имеет отверстие для пропускания света или для заведения в полость волновода 11 самого источника света частично или полностью и при необходимости для заведения элементов управления источником света. Внутренние размеры запредельного волновода 11 заданы таким образом, чтобы блокировать излучение через PE 1. Блокировка паразитного излучения также означает экранированность системы от внешних ЭМ воздействий. Все вместе это облегчает задачу согласования PE 1 с SIW волноводом, т.е. минимизацию потерь сигнала, связанными с его отражением от неоднородностей PE 1, металлизированного отверстия 6 и зазора 10. В данном случае необходимо подобрать размеры площадки металлизированного переходного отверстия 6 и диэлектрического зазора 10, чтобы скомпенсировать реактивность собственной емкости PE 1, с учетом индуктивности самого металлизированного отверстия 6. Тогда ЭМ сигнал, поступающий на порт 8, с минимальными потерями поступает на порт 9.
Для целей настоящего изобретения применимы различные внешние и внутренние формы запредельного волновода. Например, внутреннее поперечное сечение может быть прямоугольным, круглым или иметь иную форму. Внешняя форма может быть прямоугольной, квадратной, цилиндрической или иной. Внутренние углы при необходимости могут быть скруглены. Внутренняя полость запредельного волновода может быть пустой или может быть заполнена диэлектрическим материалом.
В зависимости от формы запредельного волновода выполняются и расчеты его внутренних размеров, необходимых для предотвращения паразитного излучения.
При этом высота h стенок запредельного волновода, считая от поверхности PE, должна превышать четверть критической длины волны для этого волновода (Λ), h>Λ/4. В данном случае Λ должна соответствовать верхней рабочей частоте переключателя. В случае, если волновод заполнен диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ɛ, критической длиной волны считается значение 
.
На Фиг. 2 показаны результаты моделирования зависимости мощности, излучаемой через PE 1 от высоты запредельного волновода. Соответствующие результаты для удобства также сведены в нижеследующую Таблицу 1.
Таблица 1
| Высота запредельного волновода (h) | Излученная мощность, % |
| – | 23,8 |
| Λ/8 | 13,2 |
| Λ/4 | 5 |
| Λ/2 | 0,5 |
| 3Λ/4 | 0,1 |
| Λ | 0,01 |
Как видно из графика и таблицы, при значениях h>Λ/4 рассеиваемая мощность становится приемлемой для практического применения. Чем больше высота, тем меньше рассеиваемая мощность. Точное значение высоты задается исходя из компромисса между размером переключателя и величиной потерь в зависимости от требований конкретного применения.
Что касается остальных размеров, то если запредельный волновод имеет в сечении, например, форму прямоугольника размерами a×b (см. Фиг. 1B), эти размеры задаются исходя из следующего соотношения:
где m, n – индексы распространяющейся моды.
Для прямоугольного волновода преобладающей модой (модой с наибольшей длиной волны) является H10 , для которой характерно соотношение a>b. Следовательно, критическая длина волны запредельного волновода равна 2a, то есть a=Λ/2. Таким образом, размер a должен быть меньше половины длины волны (a<λ/2), которая соответствует верхней рабочей частоте переключателя, чтобы обеспечить эффект блокирования паразитного излучения на этой частоте. Если запредельный волновод заполнен диэлектриком, необходимо также учитывать вышеуказанное значение .
Если запредельный волновод имеет в сечении, например, круглую форму (является цилиндрическим) с радиусом a, то радиус задается исходя из следующих соотношений:
для критической волны мод Hmn,
для критической волны мод Emn.
Для круглого волновода преобладающими модами являются H11 и E01. Таким образом, размер a должен быть меньше длины волны (a<λ), которая соответствует верхней рабочей частоте переключателя, чтобы обеспечить эффект блокирования паразитного излучения на этой частоте. Если запредельный волновод заполнен диэлектриком, необходимо также учитывать вышеуказанное значение . Например, это возможно, когда в качестве источника света используется оптоволокно, и оно заведено внутрь волновода. В этом случае диэлектрическая проницаемость ɛ (в качестве примера, у оптоволокна она может быть равна 5) должна учитываться при выборе размера a.
PE 1 и закорачивающее VIA 6 вместе с запредельным волноводом 11 и отрезком SIW–волновода играют роль оптически управляемого переключателя, работающего на основе эффекта фотопроводимости. В открытом состоянии переключателя (когда PE выключен, а ЭМ–волна должна проходить без потерь на выходной порт) запредельный волновод стабилизирует импеданс переключателя и согласует между собой входной и выходной порты. Подтверждением этого служит график, показанный на Фиг. 3, демонстрирующий результаты моделирования коэффициента отражения переключателя на частотах 76–82 ГГц.
Пунктирная линия на Фиг. 3 показывает контрольный уровень –15 дБ, выше которого переключатель становится неоптимальным из–за плохого согласования. Как можно видеть, без запредельного волновода (верхняя сплошная линия) коэффициент отражения находится в пределах от –7 до –11 дБ, что неприемлемо для практического применения. В отличие от этого, предложенный переключатель с запредельным волноводом (нижняя сплошная линия) имеет коэффициент отражения ниже –15 дБ в полосе частот 76,4..81 ГГц (темная область) с минимумом ниже –20 дБ в центре полосы частот, что позволяет говорить об улучшенном согласовании в широкой полосе частот.
Далее на Фиг. 4A–4B показано распределение мощности сигнала в области переключателя в открытом состоянии. Как видно на Фиг. 4A, при отсутствии запредельного волновода входной и выходной порты рассогласованы, более 25% мощности излучается в свободное пространство через фотопроводящий элемент. В отличие от этого, на Фиг. 4B, которая иллюстрирует настоящее изобретение с запредельным волноводом, видно, что входной и выходной порты согласованы, почти вся мощность сигнала поступает в выходной порт, проходя через SIW–волновод, и лишь небольшая часть мощности, менее 4%, излучается. Это является подтверждением того, что запредельный волновод подавляет паразитное излучение, уменьшая потери в переключателе.
График на Фиг. 5 демонстрирует результаты моделирования коэффициента передачи переключателя на частотах 76–82 ГГц. Пунктирная линия на Фиг. 5 показывает контрольный уровень –1,5 дБ, ниже которого переключатель становится не оптимальным из–за слишком больших потерь. Как можно видеть, без запредельного волновода (нижняя сплошная линия) коэффициент передачи (коэффициент потерь S12) находится в области –3 дБ, что соответствует потерям на паразитное излучение более 25%, и это неприемлемо для практического применения. В отличие от этого, предложенный переключатель с запредельным волноводом (верхняя сплошная линия) имеет во всей указанной полосе частот коэффициент передачи выше –1,4 дБ (темная область) с минимумом около –1,1 дБ в центре полосы частот, что позволяет говорить об уменьшенных потерях. Потери на излучение при этом составляют менее 4% в широкой полосе частот.
Таким образом, на частотах свыше 40 ГГц такой переключатель обладает уменьшенными потерями и улучшенным согласованием и не подвержен интерференционному влиянию внешних компонентов, поэтому может проводить больше мощности. Проводящие стенки запредельного волновода позволяют эффективно отводить тепло от источника света. Отсутствие паразитного излучения и нагрева улучшают управление переключателем, уменьшают требуемое энергопотребление источника света и улучшают изоляцию между состояниями открытым и закрытым состояниями переключателя, защищают источник света от перегрева и продлевают его срок службы.
Более того, схемы питания/управления такого переключателя изолированы от РЧ тракта. Характеристиками переключателя можно управлять с помощью изменения мощности подаваемого света. Кроме того, такой переключатель можно без труда интегрировать в любом требуемом месте SIW–волновода. Также он имеет относительную широкую рабочую полосу частот.
Далее в настоящем документе будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения. Следует понимать, что изобретение не ограничивается этими вариантами, и специалисты в данной области смогут получить иные варианты осуществления, руководствуясь изложенными здесь принципами создания высокочастотного переключателя.
Как упоминалось выше, верхняя часть запредельного волновода 11 выполнена таким образом, чтобы обеспечивать управление PE 1 – например, имеет отверстие для пропускания света или для заведения в полость волновода 11 самого источника света частично или полностью и при необходимости для заведения элементов управления источником света. В качестве источника света для переключателя может быть использован любой подходящий источник – например, светодиод (LED) 13, помещенный внутрь запредельного волновода или расположенный за его пределами (например, закрепленный на его верхней поверхности – Фиг. 6A), лазерный диод с оптоволокном 14, заведенные или не заведенные внутрь запредельного волновода (Фиг. 6B), поверхностно–излучающий лазер с вертикальным резонатором (или просто вертикально–излучающий лазер, VCSEL) и т.д. В качестве материала для PE могут быть выбраны различные типы полупроводников, например, кремний, арсенид галлия–индия и другие. В частности, для управления кремниевым PE наиболее эффективным является источник света инфракрасного диапазона с длиной волны 940 нм. Таким образом, для данного переключателя удобно использовать обычный инфракрасный светодиод.
Согласно одному из вариантов осуществления, в верхней части запредельного волновода 11 выше упомянутой высоты стенок h может быть выполнена секция 12 для размещения (позиционирования и/или закрепления) источника света (см., например, Фиг. 1A). Форма и размеры этой секции задаются в соответствии с требованиями конкретного применения. Например, внешние стенки секции 12 могут повторять геометрию внешних стенок нижележащей основной части запредельного волновода, а внутренние стенки могут быть подобраны так, чтобы удобно и надежно закрепить светодиод 13, как показано на Фиг. 6A (снаружи секции 12) или на Фиг. 1A (внутри секции 12), или оптоволокно 14, как показано на Фиг. 6B (в круглом отверстии между стенками секции 12). Материал стенок секции 12 также выбирается произвольно – в предпочтительных вариантах он может быть отводящим тепло (чтобы улучшить теплоотвод от источника света и повысить тем самым связанные с этим вышеупомянутые характеристики переключателя) и/или быть таким же, как материал стенок нижележащей основной части запредельного волновода (тем самым, обеспечивая упрощение конструкции и изготовления).
Согласно одному из вариантов осуществления, приблизительно на высоте h~Λ/4 над PE 1 на верхней поверхности запредельного волновода 11 или в области над основной частью запредельного волновода 11 (в зависимости от его исполнения) может быть размещен оптически–прозрачный элемент 15, выполненный в виде проводящей сетки, закрывающей собой отверстие для пропускания света. Форма сетки может быть произвольной, но размер ячеек должен быть много меньше Λ×Λ, и в таком случае оптически–прозрачный элемент 15 представляет собой отражающую поверхность для волн, распространяющихся в волноводе. Оптически–прозрачный элемент 15 может быть как самостоятельным элементом, так и может быть выполнен на поверхности источника света, обращенной к PE 1. При этом элемент 15 должен быть в достаточной мере тонким и оптически–прозрачным, чтобы избежать потерь света от источника света.
На Фиг. 7A–7C показаны различные варианты исполнения запредельного волновода 11 с оптически–прозрачным элементом 15. На Фиг. 7A изображен прямоугольный запредельный волновод 11 с размерами внутреннего сечения, выбранными исходя из вышеописанных соотношений с учетом критической длины волны. На его поверхности размещен оптически–прозрачный элемент 15 с крупной сеткой (менее Λ×Λ). В этом случае излучаемая мощность составляет не более 1%. На Фиг. 7B изображен тот же самый запредельный волновод 11, но оптически–прозрачный элемент 15 имеет уже значительно более мелкую сетку. Моделирование такого варианта исполнения демонстрирует результат, при котором излучаемая мощность составляет уже не более 0,001%. На Фиг. 7C изображен запредельный волновод 11, имеющий несколько большие размеры внутреннего сечения, чем задано вышеописанными соотношениями. Тем не менее, даже такое неточное следование размерам внутренней полости запредельного волновода не оказывает существенного негативного влияния из–за наличия оптически–прозрачного элемента 15 (здесь он имеет уже сетку с размером ячеек меньше, чем на Фиг. 7A, и больше, чем на Фиг. 7B) – излучаемая мощность составляет не более 1,2%. Соответственно, размеры волновода для соблюдения условия запредельности могут неточно соблюдаться при изготовлении либо не соблюдаться вообще из–за требований конкретного применения (например, если в чуть более широкую полость легче поместить светодиод, не увеличивая высоту запредельного волновода установкой секции 12).
Таким образом, за счет оптически–прозрачного элемента обеспечивается более эффективное подавление паразитного излучения через запредельный волновод даже при небольшой его высоте, увеличивается ширина рабочей полосы частот, снижаются требования к качеству изготовления запредельного волновода и к соблюдению условия запредельности в целом. Также обеспечивается возможность регулировать характеристики переключателя, добиваясь компромисса между размером ячеек и прозрачностью элемента 15.
Выше описывался вариант, в котором запредельный волновод выполнен в виде единого отдельного элемента со сплошными стенками, установленного на SIW–волновод. Настоящее изобретение предусматривает также и другие варианты исполнения. В частности, запредельный волновод, как и SIW–волновод, может быть выполнен на основе одной или нескольких однослойных или многослойных печатных плат. Это делает конструкцию простой и полностью основанной на печатных платах. В случае если для изготовления запредельного волновода применяется одна печатная плата, ее толщина должна соответствовать высоте h.
Если применяется несколько наложенных друг на друга печатных плат, то с их помощью удобно сформировать секцию 12 для размещения источника света, задавая размер соответствующего отверстия в каждой из плат, как показано, например, на Фиг. 8–11. Так, на Фиг. 8, 9 и 11 изображены варианты, где источником света является светодиод 13, и он размещен в пределах секции 12, сформированной из верхней печатной платы, имеющей большее отверстие, чем отверстие в нижележащей плате, образующей основную часть запредельного волновода. На Фиг. 10 изображен вариант, где источником света является оптоволокно 14, и оно закреплено в секции 12, сформированной из верхней печатной платы, имеющей меньшее отверстие, чем отверстие в нижележащей плате, образующей основную часть запредельного волновода.
С учетом того, что стенки запредельного волновода должны быть проводящими, все слои образующих его печатных плат тоже должны быть проводящими. Для этой цели могут применяться платы с проводящей подложкой 16 (либо просто набор проводящих листовых элементов), как показано на Фиг. 8, и тогда такие платы (или наборы) целиком выполняют роль стенок запредельного волновода. В другом варианте подложки печатных плат могут быть выполнены из диэлектрика 17, а стенки запредельного волновода могут быть образованы рядами переходных металлизированных отверстий (VIA) 18, соединяющих между собой проводящие слои этих плат, как показано на Фиг. 9–11. Расстояние между этими VIA 18 должно быть таким, чтобы не пропускать через стенки волны, распространяющиеся в волноводе. Для случая на Фиг. 9–11 диэлектрический материал подложки плат, образующих запредельный волновод, не имеет какого–либо существенного значения, поскольку он фактически располагается за пределами внутренней стенки этого волновода, поэтому могут использоваться любые традиционные печатные платы – например, с подложкой из стеклотекстолита FR4. Это упрощает и удешевляет конструкцию.
Для увеличения надежности фиксации источника света могут быть использованы крепежные средства– например, эпоксидный клей 19, как показано на Фиг. 10. При необходимости для увеличения надежности всей конструкции, удобства транспортировки и эксплуатации весь запредельный волновод, включая при необходимости все его полости, или весь переключатель, включая SIW–волновод и запредельный волновод, могут быть выполнены в одном корпусе на основе проводящего или диэлектрического материала – например, тоже могут быть залиты эпоксидным клеем 19, как показано на Фиг. 11. Также для создания корпуса и увеличения прочности и экранирования по всему периметру переключателя во всех слоях печатных плат могут быть выполнены электрически связанные между собой ряды VIA. Такой переключатель может служить готовым SMD–компонентом 101 (чип–компонентом, компонентом для поверхностного монтажа), который можно использовать в высокочастотных трактах устройств передачи сигналов – например, устанавливать на другие печатные платы 200, содержащие фидерные линии и антенны на основе SIW–волноводов 201, как показано на Фиг. 11.
Следует понимать, что в настоящем документе показаны принцип построения и базовые примеры оптически–управляемого переключателя мм–диапазона на основе SIW–волновода с применением запредельного волновода. Специалист в данной области техники, используя данные принципы, сможет получить и другие варианты осуществления изобретения, не прикладывая творческих усилий.
Применение
Оптически–управляемые переключатели на основе фотопроводящих элементов и SIW–волновода с применением запредельного волновода и созданные с их использованием полосковые линии, циркуляторы, фазовращатели, переключатели и антенны с адаптивным формированием диаграммы направленности согласно настоящему изобретению можно использовать в электронных устройствах, в которых требуется управление ВЧ–сигналами, например, в миллиметровом диапазоне для сетей мобильной связи перспективных стандартов 5G, 6G и WiGig, для различных датчиков, для сетей Wi–Fi, для беспроводной передачи энергии, в том числе на большие расстояния, для систем «умный дом» и иных адаптивных к мм–диапазону интеллектуальных систем, для автомобильной навигации, для Интернета вещей (IoT), беспроводной зарядки и т.д.
Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.
В одном варианте осуществления элементы/блоки предложенного оптически–управляемого переключателя находятся в общем корпусе, размещены на одной раме/конструкции/печатной плате и связаны друг с другом конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.
Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.
Конструктивное исполнение элементов предложенного устройства является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы устройства могут быть выполнены из любого подходящего материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках, литье по выплавляемой модели, наращивание кристаллов. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.
1. Оптически–управляемый переключатель, содержащий:
SIW–волновод (волновод со штырьевыми стенками, реализованный в печатной плате), содержащий:
– расположенные на его концах между стенками первый и второй порты для ввода и вывода электромагнитной волны, и
– закорачивающее металлизированное отверстие, электрически соединенное с нижней стенкой SIW–волновода и отделенное от верхней стенки SIW–волновода диэлектрическим зазором;
фотопроводящий элемент, расположенный на верхней стенке SIW–волновода и электрически соединенный с закорачивающим отверстием и с верхней стенкой SIW–волновода, причем фотопроводящий элемент имеет состояние диэлектрика и состояние проводника в зависимости от состояния управляющего светового потока; и
запредельный волновод, сформированный вокруг диэлектрического зазора и фотопроводящего элемента, образованный проводящими стенками, выступающими от верхней стенки SIW–волновода, и выполненный с возможностью обеспечивать управление фотопроводящим элементом от источника света и блокировать паразитное излучение волны, проходящей в SIW–волноводе, через диэлектрический зазор и фотопроводящий элемент.
2. Оптически–управляемый переключатель по п. 1, в котором высота стенок запредельного волновода, считая от поверхности фотопроводящего элемента, больше или равна четверти критической длины волны для запредельного волновода.
3. Оптически–управляемый переключатель по п. 1, в котором запредельный волновод имеет в сечении форму прямоугольника размерами a×b, при этом a больше b и при этом a меньше половины критической длины волны для запредельного волновода.
4. Оптически–управляемый переключатель по п. 1, в котором запредельный волновод имеет в сечении форму круга с радиусом a, при этом a меньше критической длины волны для запредельного волновода.
5. Оптически–управляемый переключатель по п. 1, дополнительно содержащий на уровне, обеспечивающем блокирование паразитного излучения:
оптически–прозрачный элемент, выполненный в виде проводящей сетки, закрывающей собой всю область, обеспечивающую управление фотопроводящим элементом от источника света,
при этом размер ячеек сетки составляет много менее критической длины волны для запредельного волновода.
6. Оптически–управляемый переключатель по любому из пп. 2–5, в котором:
внутренняя полость запредельного волновода является пустой, при этом критической длиной волны является критическая длина волны для запредельного волновода с воздушным заполнением, которая соответствует верхней рабочей частоте переключателя; или
внутренняя полость запредельного волновода заполнена диэлектрическим материалом, при этом критической длиной волны является упомянутая критическая длина волны для запредельного волновода с воздушным заполнением, деленная на квадратный корень диэлектрической проницаемости материала, заполняющего полость запредельного волновода.
7. Оптически–управляемый переключатель по п. 1, в котором SIW–волновод дополнительно содержит:
печатную плату, содержащую верхний и нижний проводящие слои, образующие верхнюю и нижнюю стенки SIW–волновода, и слой диэлектрика между ними,
по меньшей мере два ряда переходных металлизированных отверстий, электрически соединенных с верхним и нижним проводящими слоями печатной платы и образующих боковые стенки SIW–волновода, причем соседние отверстия в ряду расположены друг от друга на расстоянии менее одной десятой доли длины волны для электромагнитной волны, которая подается в переключатель, причем расстояние между рядами составляет более половины рабочей длины волны, распространяющейся в волноводе с учетом диэлектрического заполнения.
8. Оптически–управляемый переключатель по п. 1, дополнительно содержащий:
источник света, выполненный с возможностью подачи света на фотопроводящий элемент.
9. Оптически–управляемый переключатель по п. 5, дополнительно содержащий:
источник света, выполненный с возможностью подачи света на фотопроводящий элемент,
при этом оптически–прозрачный элемент выполнен на поверхности источника света, обращенной к фотопроводящему элементу.
10. Оптически–управляемый переключатель по любому из пп. 8, 9, в котором запредельный волновод дополнительно содержит секцию для размещения источника света, расположенную выше уровня, обеспечивающего блокирование паразитного излучения.
11. Оптически–управляемый переключатель по п. 1, в котором запредельный волновод выполнен на основе одной или нескольких однослойных или многослойных печатных плат.
12. Оптически–управляемый переключатель по п. 11, в котором все слои печатных плат, образующих запредельный волновод, в том числе их подложки, являются проводящими.
13. Оптически–управляемый переключатель по п. 11, в котором подложки печатных плат, образующих запредельный волновод, выполнены из диэлектрика, а стенки запредельного волновода образованы рядами переходных металлизированных отверстий, соединяющих между собой проводящие слои этих плат.
14. Оптически–управляемый переключатель по п. 11, в котором по всему периметру переключателя во всех слоях печатных плат выполнены электрически связанные между собой ряды переходных металлизированных отверстий.
15. Оптически–управляемый переключатель по п. 1, в котором весь переключатель, включая SIW–волновод и запредельный волновод, выполнен в едином корпусе на основе проводящего или диэлектрического материала.
