Волноводный выключатель

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в коммутаторах, фазовращателях, аттенюаторах и других регулирующих СВЧ устройствах. Технический результат - расширение рабочей полосы частот при уменьшении абсолютной величины прямых потерь и увеличении абсолютной величины обратных потерь, а также уменьшение напряжения, переключающего p-i-n диоды. Волноводный выключатель содержит размещенную в поперечном сечении волновода резонансную решетку с установленными в ней p-i-n диодами. Резонансная решетка выполнена на диафрагме из N щелей с установленными в каждой из них p-i-n диодами, включенными между собой параллельно по СВЧ току.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в коммутаторах, фазовращателях, аттенюаторах и других регулирующих СВЧ устройствах.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является волноводный выключатель (см. Алыбин B.F. Предельные параметры твердотельных выключателей на волноводной резонансной решетке // Радиотехника, 1982. том XXV. - №10. - С.77-82), выбранный в качестве прототипа. Известное устройство содержит размещенную в поперечном сечении волновода резонансную решетку с установленными в ней p-i-n диодами. При этом резонансная решетка выполнена из стержней с p-i-n диодами на концах.

Устройство-прототип имеет большое напряжение, переключающее p-i-n диоды при подаче прямого или обратного смещения, вследствие их параллельно-последовательного включения по переключающему напряжению. Конструкция выключателя, при которой p-i-n диоды включены на концах стержней, образующих резонансную решетку, полностью исключает возможность его настройки на необходимый диапазон рабочих частот, который определяется длиной стержней и параметрами эквивалентной схемы p-i-n диодов, включенных на их концах, в двух устойчивых состояниях при подаче прямого или обратного напряжения смещения. При этом предельно достижимые прямые потери составляют величину 0,5 дБ, а обратные потери составляют величину 15 дБ при ширине полосы рабочих частот не более 15,8%, что является недостатком устройства-прототипа.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание волноводного выключателя, обеспечивающего расширение рабочей полосы частот при уменьшении абсолютной величины

прямых потерь и увеличении абсолютной величины обратных потерь, а также уменьшение напряжения, переключающего p-i-n диоды.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в волноводном выключателе, содержащем так же, как и в прототипе, размещенную в поперечном сечении волновода резонансную решетку с установленными в ней p-i-n диодами, в отличие от прототипа, резонансная решетка выполнена на диафрагме из N щелей с установленными в каждой из них p-i-n диодами, включенными между собой параллельно по СВЧ току.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 и фиг.2 схематично изображены два варианта предлагаемого волноводного выключателя. На фиг.1 показан двухщелевой выключатель с количеством щелей N=2, а на фиг.2 - четырехщелевой выключатель с количеством щелей N=4. На фиг.3 показана схема включения p-i-n диодов в щель. На фиг.4 показана эквивалентная схема резонансной решетки для выключателя, находящегося в режиме пропускания при подаче обратного напряжения смещения на p-i-n диоды.

Предлагаемый волноводный выключатель (фиг.1 и фиг.2) содержит размещенную в поперечном сечении волновода 1 резонансную решетку с установленными в ней p-i-n диодами. Резонансная решетка выполнена на диафрагме 2 из N щелей 3 с установленными в каждой из них p-i-n диодами 4, включенными между собой параллельно по СВЧ току. На фиг.1 и фиг.2 схематично показаны волновод 1 с размерами поперечного сечения а×b, в поперечном сечении которого размещена диафрагма 2, в которой прорезаны N щелей 3 с установленными в них p-i-n диодами 4.

На фиг.3 показана схема включения p-i-n диодов 4 в щель 3 с развязкой по напряжению переключения диодов и по СВЧ току. Напряжение переключения p-i-n диодов подключено к выводу 5.

Волноводный выключатель работает следующим образом.

В открытом состоянии, когда на выводы 5 подается отрицательное напряжение смещения, эквивалентная схема диода представляет собой

последовательно соединенные индуктивность L _g и емкость C_g (см. фиг.4). Диоды 4 включаются в прорезанную в диафрагме 2 щель 3 на расстоянии l₁/2 от центра поперечного сечения волновода 1.

Если в диафрагме 2 прорезана только одна щель, то отношение обратных и прямых потерь, а также ширина полосы рабочего диапазона частот определяются только коэффициентом качества переключательного p-i-n диода. Прямые потери при этом будут тем больше, чем больше индуктивность L_g при обратном смещении.

Щель 3 образует короткозамкнутую щелевую линию с волновым сопротивлением Z_c1, которая совместно с диодами 4, включенными на расстоянии l₁ /2 от центра поперечного сечения волновода 1 создает параллельный резонансный контур, включенный в линию, эквивалентную волноводу, с волновым сопротивлением Z_c.

При смещении резонансной частоты контура выше центральной частоты рабочего диапазона длину l_щ щели 3 увеличивают, что уменьшает резонансную частоту контура. Таким образом осуществляют подстройку резонансной частоты контура.

Если в диафрагме 2 прорезаны две щели 3, то за счет взаимной связи М по СВЧ полю между этими щелями создается дополнительный резонанс и если этот дополнительный резонанс происходит на частоте, отличающейся от резонансной частоты контура, образованного щелью 3 и p-i-n диодами с обратным смещением, то полоса рабочих частот, в которой прямые потери минимальны, увеличивается.

Появление новых щелей 3 в диафрагме 2 увеличивает число резонансных частот за счет появления дополнительных взаимных связей по СВЧ полям между всеми N щелями 3, что увеличивает полосу рабочих частот, в которой прямые потери будут минимальны. Уменьшение расстояния между щелями b₁ до величины, сравнимой с шириной щели b_щ, позволяет уменьшить абсолютное значение прямых потерь до 0,05-0,1 дБ.

При подаче прямого напряжения смещения на p-i-n диоды происходит закорачивание щелей 3 по СВЧ току в местах включения диодов 4. Резонансная решетка разбивается на 3N запредельных волноводов, в которых СВЧ волна затухает при распространении, при этом СВЧ поле отражается от поверхности диафрагмы.

При выборе расстояния между диодами в щели в соответствии с выражением 0,1l₁/_o0,25, (где _о - длина волны рабочего диапазона), величина обратных потерь достигает величины не менее 20 дБ.

Макетные испытания предлагаемого волноводного выключателя с использованием p-i-n диодов типа 2А508А1 подтвердили, что за счет, выполнения резонансной решетки, размещенной в поперечном сечении волновода, на диафрагме из N щелей с установленными в каждой из них p-i-n диодами, включенными между собой параллельно по СВЧ току, достигается расширение рабочей полосы частот до 20-30% при уменьшении абсолютной величины прямых потерь до 0,05-0,1 дБ и увеличении абсолютной величины обратных потерь до 20 дБ. При этом величина прямого напряжения - не более (+1 В), а обратного напряжения смещения - от 0 до (-12) В.

Волноводный выключатель, содержащий размещенную в поперечном сечении волновода резонансную решетку с установленными в ней p-i-n диодами, отличающийся тем, что резонансная решетка выполнена на диафрагме из N щелей с установленными в каждой из них p-i-n диодами, включенными между собой параллельно по СВЧ току.