Свч-коммутатор

 

Использование: в аттенюаторах, модуляторах и выключателях для широкополосных передающих трактов радиолокационных станций. Сущность изобретения: в отрезке прямоугольного волновода размещены входная и выходная щелевые диафрагмы, а также индуктивные диафрагмы, в каждой из которых помещены соосно и попарно емкостные конусы в индуктивной диафрагме, ближайшей к выходной щелевой диафрагме . Один емкостный конус выполнен неусеченным , а другой -усеченным со сквозным осевым отверстием, ось которого совпадает с оптической осью лазера, причем в осевом отверстии герметично установлена перегородка из материала, прозрачного для излучения лазера, и на ней размещен фотокатод. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (si)s Н 01 Р 1/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4749242/09 (22) 11.10.89 (46) 07.06.92..Бюл, М 21 (71) Новосибирский электротехнический институт (72) М.Я.Воронин и А.Н.Поспелов (53) 621.372,852 (088,8) (56) Клич С,М. Проектирование СВЧ-устройств радиолокационных приемников.—

М.: Сов. радио, 1973, с.43.

Авторское свидетельство СССР

N 1596402, кл. Н 01 P 1/10, 1988, (54) СВЧ-КОММУТАТОР (57) Использование: в аттенюаторах, модуляторах и выключателяхдля широкополосных

Изобретение относится к опторадиотехнике, в частности к электрооптическим коммутирующим устройствам (ЭОКУ), и может быть использовано в качестве элемента волноводных аттенюаторов, модуляторов или выключателей и ри разработке сверхмощных широкополосных радиопередающих трактов в РЛС, работающих в режиме импульсной модуляции и предназначенных для навигационных и радиолокационных систем наземного и бортового базирования, Известен коммутатор-разрядник СВЧдиапазона, выполненный в виде отрезка прямоугольного волновода, имеющего длину 3/4 А, и размеры поперечного сечения— стандартные для рабочей частоты и моды

Н10. Каждый резонансный промежуток состоит из двух индуктивных диафрагм и двух емкостных конусов, расположенных навстречу один другому в середине широких передающих трактов радиолокационных станций. Сущность изобретения: в отрезке прямоугольного волновода размещены входная и выходная щелевые диафрагмы, а также индуктивные диафрагмы, в каждой из которых помещены соосно и попарно емкостные конусы в индуктивной диафрагме, ближайшей к выходной щелевой диафрагме. Один емкостный конус выполнен неусеченным, а другой — усеченным со сквозным осевым отверстием, ось которого совпадает с оптической осью лазера, причем в осевом отверстии герметично установлена перегородка из материала, прозрачного для излучения лазера, и на ней размещен фотокатод. 2 ил, стенок волновода, где напряженность электрического поля максимальна, По существу 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 4Ъ заполнена аргоном с примесью паров воды, () водорода и т.п. при давлении от нескольких Д, единиц до нескольких десятков мм рт.ст.

При этом по крайней мере к одному из конусов — электроду поджига, подведено высокое напряжение, При воздействии CBЧ электрического поля высокого уровня в разряднике возникает СВЧ-разряд в газе, в результате чего входное сопротивление устройства резко изменяется, а вносимое, или затухание для проходящего через него мощного сигнала, резко возрастет. Причем

1739404 первым возникает СВЧ-разряд между конусами, где расположен электрод поджига, затем разряд перебрасывается на первую пару конусов, поскольку она оказывается в пучности стоячей волны закороченного (разрядом второй пары) четвертьволнового отрЕзка волновода. Далее при нарастании мощности импульса СВЧ-сигнала возникает разряд на входном окне, и высокая проводимость плазмы разряда практически закорачивает входное окно, Однако указанное устройство из-за отсутствия управления, независимо,от высокочастотного поля, ограничено в быстродействии.

Кроме того, наличие высокого напряжения предъявляет жесткие требования в целом ко всей конструкции разрядника.

Известен также коаксиальный резонансный разрядник защиты приемника, в котором применено резонансное окно для коаксиальных разрядников, содержащий герметичный отрезок коаксиальной линии, в когорой с целью расширения рабочей полосы частот введены резонансные диафрагмы, образованные полой металлической трубкой, соединяющей внутренний и наружный пооводники 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, 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 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 внутренними и внешними проводниками коаксиальной линии, при этом все резонансные узлы размещены на отрезке 3/4/ с интервалом ф4.

Коаксиальный разрядник работает аналогичным образом, как и коммутатор-разрядник СВЧ-диапазона. Также эти два устройства обладают идентичными недостатками, Однако энергия пика и просачивающаяся мощность оказываются значительно больше, чем у волноводного разрядника.

Кроме того, известен коммутатор СВЧ, в котором управляющий элемент выполнен в виде лазера, а в прилежащем к лазеру

55 конусе выполнено сквозное осевое отверстие, при этом в противоположном от лазера конусе выполнено несквозное осевое отверстие в виде цилиндра и так, что оптическая ось лазера совпадает с осями отверстий, при этом дно цилиндра покрыто пленкой фотокатода (окись цезия}. Управление в данном устройстве осуществляется с помощью лазера, а ионизация в рабочем объеме — благодаря внешнему фотоэффекту, возникающему при действии луча лазера на поверхность пленки фотокатода (окиси цезия).

Однако известное устройство обладает сравнительно большой мощностью зажигания разряда; обуславливающей большое время срабатывания, большие энергию пика и просачивающуюся мощность вследствие сравнительно низкой начальной концентрации электронов в разрядном зазоре из-за вынужденно необходимой формы электродов, сопряженных с лазером, в виде их осей, так как чем больше начальная концентрация электронов в разрядном зазоре, тем больше скорость нарастания электронной концентрации и ниже мощность зажигания, которая зависит от геометрии электродов и величины разрядного зазора, и минимальна, если разряд происходит между заостренным и плоским электродами. Кроме того, энергия пика и просачивающаяся мощность, как и мощность зажигания, зависят от начальной концентрации электронов и ее распределения в разрядном зазоре и в конце концов определяют время срабатывания, Известное устройство обладает сравнительно большим временем восстановления вследствие большой ширины разрядного зазора, так как сужение разрядного промежутка позволяет уменьшить время восстановления, а его сужение становится максимально возможным при форме одного из электродов, сопряженных с лазером, в виде неусеченного конуса, Указанное устройство обладает сравнительно большой энергией пика. Указанные недостатки снижают быстродействие СВЧ-коммутатора.

Цель изобретения — повышение быстродействия.

Цель достигается тем, что в СВЧ-коммутаторе, содержащем лазер, фотокатод и отрезок прямоугольного волновода, на концах которого установлены соответственно вход-. ная и выходная щелевые диафрагмы, а на четвертьволновом расстоянии от них и одна от другой установлены индуктивные диафрагмы, в каждую из которых помещены соосно и попарно включенные емкостные конусы, при этом один из конусов, размещенный в индуктивной диафрагме, ближайшей к выходной щелевой диафрагме, 1739404 выполнен усеченным со сквозным осевым отверстием, ось которого совпадает с оптической осью лазера, емкостные конусы, размещенные в остальных индуктивных диафрагмах, также выполнены усеченными, другой конус, размещенный в индуктивной диафрагме, ближайщей к выходной щелевой диафрагме, выполнен неусеченным, à B сквозном осевом отверстии герметично установлена перегородка из материала, прозрачного для излучения лазера, и на ней со стороны обращенной к вершине усеченного конуса, размещен фотокатод.

На фиг.1 приведена конструкция предлагаемого СВЧ-коммутатора; на фиг.2 — разрез А — А на фиг,1, СВЧ-коммутатор содержит волновод 1 и расположенные в HGM на четвертьволновом расстоянии одна от другой щелевые диафрагмы 2 и индуктивные диафрагмы 3 с помещенными в последние соосно и попарно включенными емкостными конусами 4, при этом управляющий элемент выполнен в виде лазера 5, его оптическая ось совпадает с осью отверстия, выполненного вдоль оси вращения конусов 4, причем противоположный от лазера конус — неусеченный, а отверстие в конусе с лазером в основании конуса перекрыто прозрачной для луча лазера перегородкой 6, на которой со стороны полости коммутатора размещен фотокатод 7.

Это может быть сурьмяно-цезиевый вишнево-красного цвета сенсибилизирован ный кислородом фотокатод.

СВЧ-коммутатор работает следующим образом.

В отсутствие мошности коммутатор представляет собой волноводный полосовой фильтр, причем в отличие от обычных волноводных фильтров предлагаемый представляет собой вакуум-герметичную резонансную структуру, заполненную газом, главным образом аргоном с примесью паров воды, водорода, хлора и т.п., при низком давлении (от единиц до нескольких десятков мм рт.ст. в зависимости от рабочей частоты). Добротность каждой пары конусов 4, каждая из которых настраивается при помощи индуктивной диафрагмы 3, определяется зазором между конусами и размерами диафрагм, и обычно составляет около 4. На обоих фланцах волновода прорезаны щели

2 (их добротность равна половине добротности конусов 4), являющиеся нагрузкой биноминального фильтра и увеличивающие полосу пропускания частот. Емкость конусов 4 составляет порядка 10 пФ. Конусы 4 изготавливают из ковара, а для улучшения дегазации служит покрытие радием или применяется наконечник из нержавеющей

55 стали. При отсутствии сигнала начальная ионизация внутри коммутатора должна составлять не менее 10 электронов/см .

При подаче на вход СВЧ-коммутатора большого уровня мощности, порядка нескольких десятков или сатен киловатт, он продолжает работать как полосовой фильтр на выходе СВЧ-тракта мощного передатчика.

При включении лазера 5 и при некотором пороговом значении проходной мощности фотокатод 7 под действием луча лазера испускает электроны, создавая такой уровень ионизации в структуре, что между вершинами ближайшей к выходному окну пары конусов 4 возникает СВЧ-разряд. Затем разряд перебрасывается на первую (левую на фиг.1) пару конусов 4, поскольку она оказывается в пучности стоячей волны напряжения, закороченного (разрядом второй пары) четвертьволнового отрезка волнавода 1 (сопротивления разрядных промежутков при возникновении разряда в них близки к нулю). Наконец, разряд перебрасывается на входную щель 2, причем высокая проводимость плазмы этого разряда практически закорачивает окна. Время установления разряда составляет менее 10 с.

Общая изоляция, создаваемая окнами 2 и разрядными промежутками между конусами 4, составляет около 100 дБ.

При выключении лазера 5 поток вторичных электронов прекращается и происходит деионизация. Время восстановления составляет значительно меньше 1 мкс. Затем

СВЧ-коммутатор вновь работает как обычныЙ ГОлОсОВОЙ фильтр, В предлагаемом СВЧ-коммутаторе время срабатывания меньше, чем в известном, так как благодаря возможности изготовления остроконечного и лишенного открытой полости противоположного лазеру 5 конуса

4, хотя при необходимости этот конус 4 может быть выполнен усеченным, стало возможным повысить уровень начальной концентрации электронов в разрядном промежутке, что приводит к значительному снижению мощности зажигания разряда после включения лазера и уменьшению энергии пика на величину до 107ь, а также просачивающейся мощности в целом, После окончания действия высокочастотного сигнала в известном коммутаторе происходит восстановление его фильтрующих свойств, которое протекает в течение времени восстановления. В предлагаемом

СВЧ-коммутаторе время восстановления уменьшено за счет уменьшения ширины разрядного зазора благодаря изготовлению противоположного лазеру 5 конуса 4 цель1739404

50

55 нометаллическим (умен ьшен ие активной поверхности исключением внутренней полости — ее поверхности, ближайшей к лазеру

5) и неусеченным.

В СВЧ-коммутаторе может быть использована сурьмяно-цезиевая .(С$з$Ь) вишнево-красная сенсибилизированная кислородом пленка фотокатода 7 (может также использоваться пленка многощелочного композита Sb — К вЂ” Na или Sb — К вЂ” Na — Cs), нанесенная на подложку-перегородку 6, выполненную из материала прозрачного для луча лазера 5 (из того же стекла, из которого сделаны входное и выходное окна 2), обладающего чувствительностью в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, Квантовый выход эммитера С$з$Ь рекордно высок, высока стабильность его эмиссии, технология изготовления проста; максимальная чувствительность соответствует вишнево-красной окраске пленки в проходящем свете; при сенсибилизации кислородом его чувствительность возрастает в два раза; нормальная толщина его пленки около

1500 А.

СВЧ-коммутатор, управляемый с помощьюю лазера ИЛ П Н-208 Б, имеет следующие технические характеристики: потери в открытом состоянии менее 1 дБ, общая изоляция около 100 дБ, уровень проходной мощности 10 — 100 кВт, диапазон рабочих частот 3 — 30 ГГц и выше, относительная полоса пропускания частот около 10% и более, время переключения менее 1 мкс, КСВН около

1,3, габариты на частоте 10 ГГц 70х50х50 мм, на частоте 3 ГГц — 80х70х70 мм, СВЧ-коммутатор может найти применение при разработке мощных радиопередающих средств радиолокации и радионавигации, работающих как в непрерывном, так и в им5 пульсном режимах, а также при создании радиоэлектронных средств в режиме кодоимпул ьсной модуляции, Формула изобретения

СВЧ-коммутатор, содержащий лазер, фотокатод и отрезок прямоугольного волновода, на концах которого установлены соответственно входная и выходная щелевые

15 диафрагмы, а на четвертьволновом расстоянии от них и одна от другой установлены индуктивные диафрагмы, в каждую из которых помещены соосно и попарно включенные емкостные конусы, при этом один из

20 конусов, размещенный в индуктивной диафрагме, ближайшей к выходной щелевой диафрагме, выполнен усеченным со сквозным осевым отверстием, ось которого совпадает с оптической осью лазера, емкостные кону25 сы, размещенные в остальных индуктивных диафрагмах, также выполнены усеченными, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, другой конус, размещенный в индуктивной диафрагме;

30 ближайшей к выходной щелевой диафрагме, выполнен неусеченным, а в сквозном осевом отверстии герметично установлена перегородка из материала, прозрачного для излучения лазера, и на ней со стороны, об35 ращенной к вершине усеченного конуса, размещен фотокатод, 1739404