Свч-коммутатор

 

Использование: аттенюаторы, модуляторы и переключатели в приемопередающих СВЧ-трактах радиолокационных и радионавигационных систем. Сущность изобретения: СВЧ-коммутатор содержит отрезок симметричной полосковой линии передачи , резонансные входное и выходное окна и диафрагмы, выполненные в виде трубки, соединяющей внутренний и внешний проводники отрезка линии передачи, внутри трубки соосно размещены штырь и встречный штырь с образованием между их концами разрядного промежутка, при этом штырь, ближайший к выходному резонансному окну, выполнен полым и в его полости размещена пластина из оптического материала , через которую на размещенный на ней фотокатод направлено излучение лазера . 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 01 P 1/10

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4797537/09 (22) 28.02.90 (46) 23.01.93. Бюл. ¹ 3 (71) Н овосиби рский электротехнический институт (72) М.Я.Воронин и А.Н.Поспелов (56) Авторское свидетельство СССР

N 1739404, кл, Н 0) Р 1/10, 1989.

Резонансные разрядники антенных переключателей, / Под ред. проф. И.В.Лебедева. М.: Советское радио, 1976, с. 152-156. (54) СВЧ-КОММУТАТОР (57) Использование: аттенюаторы, модуляторы и переключатели в приемопередающих СВЧ-трактах радиолокационных и

Изобретение относится к опторадиотехнике, в частности к электрооптическим коммутирующим СВЧ-устройствам, и может быть использовано как элемент волноводных аттенюаторов, модуляторов или переключателей при разработке сверхмощных широкополосных приемопередающих трактов СВЧ энергии, работающих в режиме импульсной модуляции и предназначенных для навигационных и радиолокационных систем наземного и бортового базирования, а также для целей коммутации в мощных и с верх мощн ых С В Ч устройствах.

Известен СВЧ-коммутатор, выполненный в виде отрезка прямоугольного волновода, имеющего длину 3/4 Л и размеры попереч-,ого сечения — стандартные для рабочей частоты и моды Н>о. Каждый резонансный промежуток состоит из двух индуктивных диафрагм и двух емкостных ко„„ЯЦ„„1790018 А1 радионавигационных систем. Сущность изобретения: СВЧ-коммутатор содержит отрезок симметричной полосковой линии передачи, резонансные входное и выходное окна и диафрагмы, выполненные в виде трубки, соединяющей внутренний и внешний проводники отрезка линии передачи, внутри трубки соосно размещены штырь и встречный штырь с образованием между их концами разрядного промежутка, йри этом штырь, ближайший к выходному резонансному окну, выполнен полым и в его полости размещена пластина из оптического материала, через которую на размещенный на ней фотокатод направлено излучение лазера. 1 з.п, ф-лы, 2 ил. нусав, расположенных навстречу друг друг в середине широких стенок волновода, где напряженность электрического поля максимальна. Такое устройство представляет собой паласовой фильтр с четвертьволно- сО выми связями, состоящий из четырех резо- С) нансных элементов; двух резонансных разрядных промежутков и двух вакуум-гер° вюзи метичных резонансных окон связи. Полость волновода заполнена аргоном с примесью паров воды, водорода и т,п. при давлении от нескольких единиц до нескольких десятков мм рт.ст. В ближайшем к выходному окну а первом емкостном конусе выполнена сквозное осевое отверстие для подключения управляющего элемента, выполненного в виде лазера, в котором герметично установлена. перегородка из материала, прозрачного для луча лазера и на которую со стороны полости конуса нанесен фотокатод, например.

1790018

30 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, и разрядный промежуток между остриями имеет величину около 0,2 мм; кроме того, торцы отрезка коаксиальной линии 40 представляют собой резонансные окна, которые, для снижения электрической прочности, выполнены в виде двух металлических секторов, размещенных в одной плоскости поперечного сечения коаксиальной линии; 45 при этом один из металлических секторов— емкостный, представляющий собой пластину — соединен с внутренним проводником коаксиальной линии и отделен от внешнего проводника узким зазором, а второй металлический сектор — индуктйвный стержень— соединен с внутренним и внешним проводниками коаксиальной линии; при этом все резонансныеузл ы размещены на отрезке 3/4 Л с интервалом Л/4, и соотношения между диаметрами проводников коаксиальной линии стандартные для рабочей частоты и моды

ТЕМ-волны. Герметичность входного и выходного окон обеспечивают керамические сурьмяно-цезиевый вишнево-красного цвета сенсибилизированный кислородом. Второй, ближайший к выходному окну, конус выполнен цельнометаллическим, Управление в данном устройстве осуществляется с помощью лазера и может быть независимым (B зависимости от заданного режима) от уровня СВЧ мощности, а ионизация в рабочем зазоре, благодаря внешнему фотоэффекту, возникает под действием луча лазера через прозрачную перегородку на фотокатод, Однако указанный коммутатор, обладая высоким быстродействием и способностью управлять высоким уровнем проходной мощности ТЕ-волны, не обеспечивает управление ТЕМ-волной.

Известен коммутатор конструктивно сложнее предыдущего, что и обусловило его недостатки, снижающие быстродействие.

Известен СВЧ-коммутатор ТЕМ-волны — широкополосный коаксиальный резонансный разрядник защиты приемника, в котором применено резонансное окно для коаксиальных разрядников, содер>кащий герметичный отрезок коаксиальной линии, в который с целью расширения рабочей полосы частот введены резонансныедиафрагмы, образованные полой металлической трубкой, соединяющей внутренний и наружный проводники коаксиальной линии, и металлическим стержнем, один конец

25 шайбы, расположенные в непосредственной близости от емкостного диска. Настройка диафрагм в резонанс осуществляется взаимным перемещением штырей внутри трубки, Ответный стержень, заполняющий трубку, в ближайшей к выходному окну диафрагме, выполнен полым, а в полости аксиально размещен электрод вспомогательного разряда. Однако описанное устройство не обладает достаточным быстродействием из-за наличия внутри полости волновода электрода вспомогательного разряда с высоким постоянным напряжением и в результате отсутствия управления, независимого от высокочастотного поля, т.к. при этом разряд возникает при достижении СВЧ-полем некоторого порогового уровня. Кроме того, коаксиальный волновод позволяет пропускать уровень мощности

ТЕМ волны приблизительно s 1,5 раза меньший по сравнению с симметричной полосковой линией (СПЛ). Указанные недостатки снижают уровень управляемой СВЧ мощности и быстродействие СВЧ-коммутатора

ТЕМ волны.

Цель изобретения — повышение уровня управляемой СВЧ мощности и повышение быстродействия. Это повышает качество

РЭС, улучшает их характеристики — дальность действия, разрешающую способность, быстродействие и т,п.

Повышение уровня управляемой СВЧмощности достигается тем, что в СВЧ-коммутаторе, содержащем отрезок линии передачи ТЕМ-волны,на концах которого установлены герметичные керамические вставки и размещенные рядом с ними входное и выходное резонансные окна, каждое из которых выполнено в виде металлической пластины, укрепленной на внутреннем проводнике отрезка линии передачи и расположенной перпендикулярно его продольной оси симметрии, причем в металлической пластине выполнен вырез, в котором размещен индуктивный стержень, гальванически соединенный с внутренним и внешним проводниками отрезка линии передачи, на четвертьволновом расстоянии одна от другой и от входного и выходного резонансных окон в отрезок линии передачи включены резонансные диафрагмы, выполненные в виде трубки, соединяющей внутренний и внешний проводники отрезка линии передачи, внутри которой соосно размещены штырь и встречный штырь с образованием между их концами разрядного промежутка, при этом штырь резонансной диафрагмы, ближайшей к выходному резонансному окну, выполнен полым и в его полости размещен источник вспомогательного разряда, — отре1790018

35

55 зок линии передачи выполнен в виде отрезка симметричной полосковой линии передачи, а металлическая пластина выполнена прямоугольной, причем, ее длинные стороны параллельны поверхности внутреннего проводника отрезка симметричной полосковой линии передачи, а вырез — перпендикулярен ей, В СВЧ-коммутаторе с целью повышения быстродействия источник вспомогательного разряда выполнен в виде фотокатода, размещенного на пластине из оптического материала, через которую на фотокатод направлено излучение лазера, На фиг. 1 представлен продольный разрез конструкции СВЧ-коммутатора; на фиг.

2 — разрез А-А на фиг. 1.

СВЧ-коммутатор содержит внутренний проводник 1 СПЛ с косыми срезами выводов для удобства сварки или пайки соединения с внутренним проводником СПЛ, прозрачные для СВЧ сигнала вставки 2 окон, обеспечивающие герметичность СВЧкоммутатора, внешние проводники — крышки 3 корпуса отрезка СПЛ, конструкция которых выполнена с учетом сопряжения с трактом СПЛ, боковые стенки 4 корпуса отрезка СПЛ, причем они могут быть выполнены как из металла, так и из материала прозрачного для СВЧ-поля (стекло, керамика); емкостные пластины 5 с загнутыми под прямым углом кромками для создания необходимой величины емкости, индуктивные стержни 6, перемыкающие проводники

СПЛ и помещенные в вырезах емкостных пластин 5 с противоположных сторон внутреннего проводника 1 СПЛ; трубки 7, штыри

8, создающие емкость; штыри 9, заполняющие трубку 7 по диаметру и образующие разрядный промежуток со штырями 8; полость 10 в "выходном" штыре; герметичную, и роз рачную для луча лазера перегородку 11 с нанесенным на нее со стороны полости волновода фотокатодом 12, отверстия с резьбой для крепления корпуса, лазер 14, Конкретное выполнение СВЧ-коммутатора может быть следующее, Отрезок СПЛ с торцов герметизируют с помощью керамических вставок 2(при этом может быть использован сплав Н47Д5), толщину которых выбирают исходя из соображений технологичности и прочности, а материал — из соображений минимальных потерь (применяемый в аналогах) в данном рабочем диапазоне частот (сапфир, поликор в миллиметровом диапазоне; керамика 22ХС в дециметровом диапазоне и т.п.). Если расстояние между крышками 3 корпуса СВЧ-коммутатора (отрезка СПЛ) — d, то расстояние от внутреннего проводника 1 отрезка СПЛ до боковых стенок 4 должно быть не меньше d. Kopnyc

СВЧ-коммутатора может быть выполнен цельнометаллическим с помощью сварных соединений аргоно-дуговой сваркой и т.п., с помощью болтовых соединений — при этом необходимо предусмотреть герметизирующие прокладки. Материалом корпуса может служить латунь, ковар с серебрением внутренних поверхностей и т.п. Кроме того, бо,ковые стенки 4 корпуса, как и герметизирующие окна 2, могут быть выполнены из керамики или стекла и составлять с окнами 2 одно целое. При этом внешние проводники 3 СПЛ (крышки корпуса) крепятся к боковым стенкам 4 и к окнам 2 посредством клеевого соединения, болтового, высокочастотной пайки на воздухе и т.п. По периметру крышек 3 может быть, например с помощью фрезерования, выполнена ступенька, а с внутренней стороны крышки тракта СПЛ, в котором используется СВЧкоммутатор, по периметру выреза в ней, под корпус СВЧ-коммутатора, выполнена аналогичная ступенька. В результате такого конструктивного решения обеспечивается надежное электромагнитное сочленение

СВЧ-коммутатора с трактом СПЛ. Для предотвращения утечки электромагнитной энергии возможно применить проводящие уплотняющие прокладки (свинец, медь).

Внутренний проводник 1 (материал и покрытие его такие же, как для корпуса) выступает наружу из герметизирующих вставок 2 на расстояние, зависящее от технологичности соединения его с трактом СПЛ, — 5-20 мм или более, а на его концах для удобства сочленения могут быть выполнены срезы под углом; сочленение осуществляется с помощью сварки или пайки. Из полости СВЧкоммутатора откачивается воздух и она заполняется типовой рабочей смесью, например аргона или криптона и паров воды при давлении от нескольких единиц до нескольких десятков мм рт.ст. С внутренней стороны (в рабочей полости), в непосредственной близости от вставок 2, на проводнике 1 закреплены емкостные прямоугольные пластины 5, выполненные, например, из ковара, покрытого серебром. Края пластин 5, параллельные крышкам 3, загнуты под прямым углом, и ширина загнутой части должна быть много меньше длины волны в волноводе (длина волны должна превышать ширину не менее, чем B 20 раз) и должна обеспечивать необходимую емкость. Толщина пластин 5 выбирается минимальной и из соображений прочности и долговечности: от долей мм до нескольких мм, Расстояние от пластин 5 до крышек 3 выбирается из условия пробивной напряженности электриче1790018 ского поля: для используемых газовых наполнений — 200-500 В/см. Кратчайшее расстояние от проводника 1 до края пластины

5 параллельного стенке 4, выбирается не меньшим, чем ширина внутреннего проводника 1, Соответственно середине проводника 1 и с одной его стороны в пластине 5, параллельно стенке 4 выполнена прорезь, в которую помещен индуктивный стержень 6, выполненный также из посеребренного ковара, перемыкающий внешний 3 и внутренний 1 проводники СПЛ. Диаметр стержня 6 вдвое Меньше ширины прорези и составляет около 15 — 257ь от ширины проводника 1, На четвертьволновом расстоянии друг от друга и от емкостных пластин 5 в проводнике 1 выполнены отверстия, а соосно каждому из них укреплены трубки 7, например из нер>кавеющей стали или посеребренного ковара, перемыкающие внешний 3 и внутренний 1 проводники СПЛ с одной стороны от проводника 1. С противоположной стороны проводника 1 соосно трубкам 7 в них введены заостренные штыри 8, например, из нержавеющей стали, диаметр которых меньше (рассчитывается из условия создания необходимой емкости и индуктивности резонансной диафрагмы) внутреннего диаметра трубки 7 и которые соединены с крышкой 3, Металлические трубки 7 и штыри 8 образуют конденсаторы, а вместе с тем — резонансные диафрагмы (трубка 7 — индуктивность). Настройка коммутатора производится перемещением штырей 8 внутри трубок 7. Для облегчения зажигания разряда, со стороны крышки 3, в трубки 7 введены встречные заостренные штыри 9, например из нержавеющей стали, полностью заполняющие по внутреннему диаметрутрубки 7.

Взаимное расположение штырей 8 и 9 выбирается так, чтобы при резонансе промежуток между остриями составлял около 0,2 мм(0,1 — 0,3 мм). Причем ближайший к выходному окну 2 стержень 9 выполнен полым, а его полость 10 на некотором расстоянии от заостренного конца (выбирается исходя из рабочей частоты, условия защищенности фотокатода 12 от воздействия разряда и плазмы) герметично перекрыта прозрачной для луча лазера перегородкой 11, на которую со стороны полости коммутатора нанесен фотокатод 12, например, сурьмяно-цезиевый, В качестве управляющего элемента, воздействующего на фотокатод 12, вне корпуса СВЧ-коммутатора размещен лазер 14 так, что оптическая ось его луча совмещена с продольной осью симметрии полого штыря 9, СВЧ-коммутатор работает следующим образом, 5

При подаче на вход большого уровня мощности СВЧ-сигнала, порядка нескольких единиц или десятков киловатт, он работает как полосовой фильтр. При включении лазера 14 и при некотором пороговом уровне проходной мощности из фотокатода 12 под действием луча лазера 14 испускаются электроны, создавая такой уровень ионизации в разрядном зазоре между стержнями 8 и 9 (последний — полый), что в первый момент времени между вершинами их возникает СВЧ разряд, затем разряд перебрасывается на другую пару штырей 8 и 9 — ближайшую к входному окну, поскольку она оказывается в пучности стоячей волны напряжения закороченного (разрядом первой пары) четвертьволнового отрезка СПЛ, Наконец, разряд перебрасывается на входную и может возникнуть на выходной резонансной диафрагме; при этом он горит между кромкой емкостных пластин 5 и крышками 3, закорачивая входное окно (и выходное), Время установления разряда составляет менее 10 с, Общая изоляция, создаваемая резонансными окнами и разрядными промежутками между штырями

8 и 9, составляет около 100 дБ, При выключении лазера 14 поток фотоэлектронов прекращается и происходит деионизация, Время восстановления составляет менее 1 мкс. Далее СВЧ-коммутатор вновь работает как обычный полосовой фильтр. В СВЧ-коммутаторе мощность зажигания может быть достигнута значительно меньше 1 Вт (коаксиальный СВЧ-коммутатор — 1 — 5 Вт), СВЧкоммутатор выполнен на основе отрезка

СПЛ, что позволяет применять его в устройствах, выполненных на основе отрезков

СПЛ, а также открывает возможностьуправлять — коммутировать, модулировать и т,п.— уровнями мощности ТЕМ волны, значительно превышающими (в 1,5 раза) типовые в устройствах-аналогах, Как известно СПЛ способна пропускать мощность в 1,5 раза большую, чем коаксиальная линия. СВЧкоммутатор может найти применение при разработке мощных радиопередающих средств радиолокации и радионавигации, работающих как в непрерывном, так и в импульсном режимах, а также при создании радиоэлектронных средств, работающих s режиме кодоимпульсной модуляции, Он может применяться во всех диапазонах частот, в которых используются тракты передачи

СВЧ энергии на основе СПЛ, а также другие виды линий передачи, использующие ТЕМ волну, При его применении могут быть получены следующие характеристики коммутации; потери в открытом состоянии менее 0,5 дБ; общая изоляция до 100 дБ; уровень про1790018

10 ходной мощности до нескольких десятков ло 10% и более; время переключения менее (сотен) кВт; полоса пропускания частот око- 1 мкс; КСВН вЂ” около 1,3.

Формула изобретения

1. СВЧ-коммутатор, содержащий отрезок линии передачи ТЕМ-волны, на концах которого установлены герметичные керамические вставки и размещенные рядом с ними входное и выходное резонансные окна, каждое из которых выполнено в виде металлической пластины, укрепленной на внутреннем проводнике отрезка линии передачи и расположенной перпендикулярно его продольной оси симметрии, причем в металлической пластине выполнен вырез, в котором размещен индуктивный стержень, гальванически соединенный с внутренним и внешним проводниками отрезка линии передачи, на четвертьволновом расстоянии одна от другой и от входного и выходного резонансных окон в отрезок линии передачи включены резонансные диафрагмы, выполненные в виде трубки, соединяющей внутренний и внешний проводники отрезка линии передачи, внутри которой соосно раз5 мещены штырь и встречный штырь с образованием между их концами разрядного промежутка, при этом штырь резонансной диафрагмы, ближайшей к выходному резонансному окну, выполнен полым и в его

10 полости размещен источник вспомогательного разряда, отличающийся тем, что, с целью повышения уровня СВЧ-мощности, отрезок линии передачи выполнен в виде отрезка симметричной полосковой линии

15 передачи, а металлическая пластина выполнена прямоугольной, причем ее длинные стороны параллельны поверхности внутреннего проводника отрезка симметричной полосковой линии передачи, а вырез пер20 пендикулярен ей.

2. СВЧ-коммутатор по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения быстродействия, источник вспомогательного разряда выполнен в виде фотокатода, 25 размещенного на пластине из оптического материала, через которую на фотокатод направлено излучение лазера.

1790018

7 б

Фик 2

30

40

50

Редактор Т.Шагова

Заказ 351 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

I ! (!

Составитель А.Поспелов

Техред М.Моргентал Корректор A,Îáðó÷àð