Коммутирующее устройство

 

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для работы в ограничительных и переключающих устройствах на линиях коаксиального или полоскового типа. Техническим результатом является увеличение потерь в режиме запирания. Коммутирующее устройство содержит отрезок симметричной линии передачи, в плоскости поперечного сечения которой установлена металлическая диафрагма. В центре диафрагмы выполнено отверстие, а симметрично относительно ее горизонтальной оси выполнены две щели. В каждую щель на определенном участке включено одинаковое количество p-i-n диодов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относятся к области радиотехники СВЧ и предназначено для работы в ограничительных и переключающих устройствах, применяемых в линиях коаксиального или полоскового типа.

При разработке мощных СВЧ-устройств, таких как переключатели, коммутаторы, фазовращатели, широкое применение нашли полупроводниковые p-i-n диоды.

Для обеспечения их надежной работы на высоком уровне мощности необходимо применение многодиодных модулей, в которых диода находились бы в одинаковых тепловых, электрических условиях по отношению друг к другу.

С точки зрения конструктивного исполнения расположение диодов должно быть симметричным относительно выбранного центра щели или диафрагмы.

По результатам проведенного патентного поиска, а также поиска по отечественной и зарубежной литературе аналогичным по функциональному назначению предложенному устройству является коммутирующий модуль, описанный в [1], позволяющий размещать большое количество диодов в сечениях волноводных линий.

Это устройство содержит металлическую диафрагму, в которой выполнены первая и вторая емкостные щели и рабочая щель, с установленными в ней двумя n-i-p-i-n элементами, расположенными симметрично относительно резонансного окна с емкостным выступом.

К его недостаткам следует отнести небольшую полосу частот (несколько десятков МГц), в которой потери запирания имеют максимально возможную величину при достижении последовательного резонанса, образованного индуктивностью резонансного окна и емкостной проводимостью первой и второй емкостных щелей, так как точная настройка в резонанс на средней частоте диапазона не позволяет получить большие потери запирания в широкой полосе частот (сотни мегагерц).

Известно также устройство [2], выполненное в виде металлической диафрагмы с несколькими параллельными щелями, в которых установлены полупроводниковые структуры, например n-i-p-i-n диоды.

Этому устройству присущи следующие недостатки:

малая полоса частот в режиме запирания;

из-за различного расположения щелей по сечению диафрагмы диоды находятся в неодинаковых условиях по тепловым и электрическим характеристикам.

Диоды в крайних щелях находятся под большим уровнем мощности, чем диоды в центральной щели, отсюда ненадежная работа устройства на высоком уровне мощности.

Наиболее близким по технической сущности является устройство [3], принятое за прототип, содержащее металлическую диафрагму, в которой выполнена рабочая щель с установленным в ней n-i-p-i-n элементом.

Недостатками известного устройства являются малые потери в режиме запирания и небольшая мощность коммутации, что обусловлено расположением рабочей щели в диафрагме, не позволяющим включать большое количество диодов (n≥10) в максимум электрического поля, находящегося в центре рабочей щели.

Таким образом, всем рассмотренным устройствам свойственны следующие недостатки:

малые потери запирания в широкой полосе частот;

небольшой уровень мощности, который можно коммутировать с помощью этих устройств;

невозможность применения этих устройств в коаксиальных или полосковых линиях.

Целью изобретения является увеличение потерь в режиме запирания в устройствах коммутации высокого уровня мощности, применяемых в коаксиальных или симметричных полосковых линиях.

Дополнительной целью изобретения является увеличение диапазона частот в режиме запирания и повышение надежности работы диодов.

Первая поставленная цель достигается тем, что в известный коммутирующий модуль, принятый за прототип, содержащий металлическую диафрагму, рабочую щель с установленным в ней диодами, введена вторая рабочая щель, с установленными в ней таким же количеством диодов и разделенных между собой двумя индуктивными перемычками, причем обе щели, расположенные аксиально и симметрично относительно центра диафрагмы, продолжены вдоль одной из осей ее симметрии, при этом в качестве диодов применены переключательные p-i-n диоды с большим быстродействием.

Дополнительно поставленная цель достигается введением по центру диафрагмы отверстия, позволяющего при подключении диафрагмы к внутреннему проводнику коаксиальной линии размещать p-i-n диоды на равных расстояних от поверхности этого проводника.

Указанное введение двух рабочих щелей, расположенных аксиально и симметрично относительно центра диафрагмы, является существенным отличием и в известных технических решениях не обнаружено, что подтверждает существенность отличия предлагаемого технического решения.

Указанного введения дополнительного отверстия в центре металлической диафрагмы в известных технических решениях не обнаружено, что подтверждает существенность отличия и второго предлагаемого технического решения.

Сущность изобретения будет более понятной из следующего описания и прилагаемых к нему чертежей.

На фиг.1 изображена конструкция прототипа;

на фиг.2 - конструкция заявляемого устройства по п.1 и п.2 формулы изобретения;

на фиг.3 - эквивалентная схема устройства в режиме пропускания;

на фиг.4 - эквивалентная схема устройства в режиме запирания.

Коммутирующее устройство содержит металлическую диафрагму 1, первую 2 и вторую 4 рабочие щели, расположенные аксиально и симметрично относительно оси диафрагмы 0-0, размещенные в щелях диоды 3, отверстие 5, расположенное в центре диафрагмы, и две индуктивные перемычки 6, размещенных в щелях, продолженных вдоль оси 0-0.

Коммутирующий модуль на p-i-n диодах работает следующим образом.

Диодный модуль работает без внешнего источника управления в режиме ограничения мощности.

При небольших ее входных уровнях (порядка единиц милливатт), падающих на модуль, диоды 3 первой 2 и второй 4 рабочих щелей обесточены и представляют собой параллельно соединенные между собой емкости.

Используется параллельный резонанс эквивалентной схемы, образованной суммарной емкостью p-i-n диодов и индуктивностью перемычек 6 металлической диафрагмы 1 (режим пропускания).

При подаче на вход модуля высокого уровня мощности (ВУМ) диоды первой и второй рабочих щелей открываются и закорачивают линию передачи по всему периметру обоих рабочих щелей диафрагмы. Точная настройка в резонанс на средней частоте диапазона в режиме пропускания производится путем регулировки длины одной из щелей, продолженных вдоль оси симметрии диафрагмы (изменение длины индуктивной перемычки).

В настройке в резонанс в режиме запирания нет необходимости, так как из-за большого количества симметрично подключенных диодов к линии передачи (коаксиальной или полосковой) общая суммарная индуктивность мала, а ее эквивалентное сопротивление имеет небольшую величину.

Малая величина индуктивного сопротивления диодов дает возможность устройству работать в широкой полосе частот, а небольшое суммарное сопротивление открытых диодов иметь большие потери в режиме запирания. Включение двух индуктивных перемычек, разделяющих диоды на две одинаковые группы, улучшает токовое распределение диодов в режиме высокого уровня мощности и повышает надежность в работе. Таким образом, в режимах пропускания и запирания используется всего один настроечный элемент, что также повышает надежность в работе и упрощает конструкцию устройства.

Предлагаемый коммутирующий модуль в дециметровом диапазоне длин волн, выполненный на p-i-n диодах типа 2А509Б, позволяет получить потери в режиме запирания 25-27 дБ, КСВН на средней частоте диапазона 1,05 и потери в режиме пропускания 0,5-0,6 дБ при мощности в линии Р_под.ср=1 кВт.

Общее количество диодов, которое необходимо установить в коммутирующий модуль для заданной средней падающей мощности Р_пад.ср расчитывается по формуле 8.8, указанной в литературе [4].

Примерный расчет

Р_пад.ср=1·10 ³ Вт Р ср.диода=1 Вт при Т=100°С. Диод 2А509Б(А) ТТ3.360.055ТУZ _o - волновое сопротивление линии r+_д=1 омР _пад.ср - заданная средняя мощность в линии Z_o=50 Ом Р ср.д - мощность, рассеивающая на диоде (указана в ТУ на диод). r+_д - сопротивление открытого диода  п - число диодов =9 шт. 

Берем n=10 шт.

Предлагаемое устройство может быть использовано и в симметричной полосковой линии. Сущность изобретения при этом не измениться, так как и в этом случае диоды будут располагаться симметрично относительно центральной оси полосковой линии.

Изменится только конфигурация рабочих щелей: вместо аксиальной она станет прямоугольной, где по широким сторонам щелей будут располагаться диоды, а индуктивные перемычки располагаться в щелях, продолженных вдоль узкой стороны прямоугольника. Центральное отверстие диафрагмы должно стать прямоугольным по форме полосковой линии.

Проведенные механические испытания показали, что выходов из строя блоков, содержащих это устройство, по причине поломки диодов, не наблюдалось.

Коммутирующий модуль из латуни ЛС59-1 ГОСТ 2060-73, диоды типа 2А509Б ТТЗ.360.055 ТУ. Крепление модуля в блоке с помощью фланцев.

Источники информации

1. Коммутирующий модуль, авт.св. № 1107195, МКИ Н 01 Р 1/15.

2. Коммутирующий модуль, авт.св. № 535635, МКИ Н 01 Р 1/15.

3. СВЧ-устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет. Под редакцией И.В.Мальского и Б.В.Сестрорецкого. М.: Советское радио, 1969 г., с.540 (прототип).

4. Микроэлектронные устройства СВЧ. Н.Т.Бова, Ю.Г.Ефремов, В.В.Конин и др. К.Техника, 1984 г., с.163.

Формула изобретения

1. Коммутирующее устройство, содержащее отрезок симметричной линии передачи, в плоскости поперечного сечения которой включены pin-диоды, отличающееся тем, что, с целью увеличения потерь в режиме запирания, введена металлическая диафрагма, установленная в поперечной плоскости отрезка симметричной линии передачи и в центре которой выполнено отверстие, а симметрично относительно ее горизонтальной оси в металлической диафрагме выполнены две щели, при этом каждая щель имеет первый участок, продольная ось которого расположена на одинаковом расстоянии от ближайшего края отверстия, и второй участок, продольная ось которого параллельна горизонтальной оси симметрии отрезка симметричной линии передачи, а p-i-n диоды включены в обе щели и их количество в каждой из щелей выбрано одинаковым.

2. Коммутирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона частот, p-i-n диоды включены в щели на первых участках.

РИСУНКИ