Модулятор свч

 

Использование: в опторадиотехнике, в частности в электрооптических модуляторах СВЧ. Сущность изобретения: в модуляторе СВЧ, содержащем волновод с установленным поперек фоточувствительным вкладышем и управляющий источник, в качестве управляющего источника выбран лазер, а углы между входной и выходной гранями вкладыша и плоскостью, ортогональной электрическим силовым линиям электромагнитной волны, и длину вкладыша выбирают в соответствии с приведенными соотношениями. 1 ил.

Изобретение относится к опторадиотехнике, к управляемым модуляторам сверхвысокой частоты (СВЧ), и может быть использовано для модулирования СВЧ и более высокочастотной электромагнитной волны в волноводе, в особенности в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн, при разработке передатчиков и приемников радиолокационных станций, радиометров и других радиоэлектронных средств.

Изобретение решает проблему управления модулятором СВЧ с помощью лазера, значительного улучшения характеристик модулятора, а также миниатюризации, модулирования электромагнитной волны вплоть до середины ультрафиолетового диапазона длин волн.

Известен модулятор, работающий в миллиметровом (ММВ) и субмиллиметровом диапазонах длин волн и содержащий либо газоразрядную лампу, либо ферритовый элемент, либо ферритовый циркулятор с использованием эффекта Фарадея, либо переключатель на полупроводниковых (п/п) диодах [1] Однако указанный модулятор не позволяет достичь величины подавления паразитного сигнала более 35 дБ, т.е. не обладает достаточной глубинной модуляции.

Известен также волноводный модулятор, состоящий из тройника в плоскости Е на волноводе прямоугольного сечения, внутри которого установлен п/п управляющий элемент, выполненный в виде пластинки из прозрачного диэлектрика с нанесенным на одну из ее поверхностей фоточувствительным п/п слоем, установленной в центре тройника под углом 45^о к оси волновода и касающейся его стенок, а управление энергией СВЧ осуществляется световым излучением, которое направлено на пластинку через отверстие в узкой стенке волноводного тройника [2] Указанный модулятор не обладает достаточной глубиной модуляции, высоким быстродействием, имеет большие потери СВЧ-энергии в режиме свободного пропускания сигнала.

Кроме того, известно фотоуправляемое СВЧ-устройство на основе п/п вставок в регулярной волноведущей линии, представляющее собой п/п пластину, полностью перекрывающую поперечное сечение прямоугольного волновода, с толщиной кратной λ/2, где λ длина волны в волноводе, заполненном п/п; при этом п/п пластина (фотопроводящий слой) помещена в состав резонансной диэлектрической слоистой системы типа полосового фильтра перед п/п пластиной и за ней на одинаковых расстояниях друг от друга аналогично размещены по три диэлектрические пластины; избыточная фотопроводимость создается облучением п/п пластины светом через отверстие в широкой стенке волновода. При использовании в качестве п/п кремния (σ) 0,006 см/м удельная электропроводность в темноте) в волноводе сечением 23х10 мм² и при интенсивности светового облучения 10 мВт ослабление сигнала составляет 10 дБ, а при отсутствии облучения 0,3 дБ [3] Однако описанное устройство весьма узкополосно, обладает большими потерями СВЧ-энергии в режиме свободного прохождения сигнала и небольшим его ослаблением в режиме заграждения, не позволяет работать на больших мощностях СВЧ, весьма сложно в изготовлении и настройке.

Целью изобретения является расширение диапазона частот модулируемых сигналов, увеличение глубины модуляции, увеличение рабочей полосы частот, увеличение мощности модулируемого сигнала, уменьшение ослабления в режиме максимального пропускания и увеличение его в режиме максимального заграждения.

Это достигается тем, что в известном модуляторе СВЧ, содержащем волновод с установленным поперек него фоточувствительным вкладышем и управляющий источник, который установлен вне волновода и оптически связан с фоточувствительным вкладышем через выполненное в стенке волновода отверстие, оптическая ось которого проходит через вкладыш, управляющий источник выполнен в виде лазера с рассеивающей линзой, установленной в отверстии в стенке волновода, а углы ϕиΨ между соответственно входной и выходной гранями вкладыша и плоскостью, ортогональной электрическим силовым линиям электромагнитной волны, и длину l расстояние между ближайшими проекциями ребер входной и выходной граней вкладыша на плоскость, проходящую через его продольную ось, определяют из следующих соотношений: =sh(b·ctgΨ)·[ch(b·ctgϕ)× ×sh(l)+sh(b·ctgϕ)·ch(l)/ /+ch(b·ctgΨ)[ch(b·ctgϕ)× ×ch(l)+sh(b·ctgϕ)·sh(l)/] (1) ={sh(b·ctgΨ)·[sh(b·ctgϕ)× ×sh(l)/+ch(b·ctgϕ)·ch(l)]/+
+ch(b·ctgΨ)·[sh(b·ctgϕ)·ch(l)/
/+ch(b·ctgϕ)·sh(l)/] (2)
=+sh(b·ctgϕ)·[ch(b·ctgΨ)×
×ch(l)+sh(b·ctgΨ)·sh(l)/
/]+ch(b·ctgϕ)·[sh(b·ctgΨ)×
×ch(l)+ch(b·ctgΨ)·sh(l)]/ (3)
=sh(b·ctgΨ)·[sh(b·ctgϕ)×
×ch(l)/+ch(b·ctgϕ)·sh(l)/]+
+ch(b·ctgΨ)·[sh(b·ctgϕ)·sh(l)/
/+ch(b·ctgϕ)·ch(l)] (4) где , , , соответствующие коэффициенты классической матрицы передачи;
= [(/)²+1]/2 коэффициент распространения электромагнитной волны в волноводе на участке, где размещена выходная грань вкладыша;
то же, что , но для волновода, заполненного веществом вкладыша;
то же, что , но для незаполненного волновода;
B размер узкой стенки волновода;
=[(/)²+1]/2 то же, что , но для входной грани;
= [(/)²+1] /2 характеристическое сопротивление волновода на участке, где размещена входная грань вкладыша;
то же, что , но для незаполненного волновода;
то же, что но для волновода, заполненного веществом вкладыша;
=[(/W₂)²+1]/2 то же, что , но для выходной грани.

Заявителю не известны аналоги и другие технические решения, использующие лазер с рассеивающей линзой, установленной в стенке волновода, и для которых описан выбор длины l, углов ϕиΨ фоточувствительного вкладыша, используя соотношения (1), (2), (3), (4), полученные на основе выражений для , , , которые позволяют получить для моды Н₁₀ в полосе частот 1,25 λ_кр 2 λ_кр (и большей), где λ_кр критическая частота для прямоугольного металлического волновода, ослабление до 0,00001 дБ и более 100 дБ во время действия лазера при соответствующем выборе вещества вкладыша.

Таким образом, предлагаемое решение удовлетворяет критерию "существенные отличия".

На чертеже изображен общий вид предлагаемого модулятора СВЧ с разрезами.

Модулятор СВЧ содержит волновод 1, фоточувствительный вкладыш 2 (указан размер l), входная грань 3 которого выполнена под углом ϕ к плоскости, ортогональной электрическим силовым линиям электромагнитной волны, а выходная его грань 4 под углом Ψ к той же плоскости, рассеивающую линзу 5, которая введена в отверстие в волноводе 1, оптическая ось которого проходит через вкладыш 2, отрезок круглого волновода 6, являющийся запредельным волноводом для волны в волноводе 1 и припаянный снаружи волновода 1 соосно отверстию с линзой 5, и лазер 7 управляющий источник.

Исполнение конкретного устройства модулятора СВЧ может быть следующее. В прямоугольный металлический волновод 1, например, сечением 2,4 х 1,2 мм с воздушным заполнением помещают алмазный вкладыш 2. Входную грань 3 фоточувствительного вкладыша 2 необходимо выполнить под углом к широкой (узкой) стенке волновода 1 для моды волны Н₁₀ равным ϕ58^о,6, а выходную грань 4 под углом равным Ψ 33^о либо ϕ 33^о, Ψ= 58^о,6 или ϕ Ψ= 33^о. Величину l вкладыша 2 выбирают при этом равной 0 мм. Возможно определение ϕ, Ψ, l производить с помощью ЭВМ. анализируя выражение для ослабления
α= 8,686·Re[ln + Данное выражение для ослабления проверено экспериментально.

Напротив вкладыша 2 вне волновода 1 устанавливают рентгеновский лазер 7 так, чтобы его излучение засвечивало непосредственно через стенку волновода 1 фоточувствительный вкладыш 2 (алмаз) полностью.

Алмаз выбран в качестве материала вкладыша 2 постольку, поскольку он обладает рядом уникальных свойств и в том числе является п/п (сравнительно большая часть всех алмазов) при облучении рентгеновскими или γ-лучами, а также электронами, что позволяет воздействовать на него непосредственно через стенку волновода 1. При этом исходные параметры алмаза могут быть следующие: tg δ 0,01, σ= 0,2 см/м, ε= 5,68, где tg δ тангенс угла диэлектрических (магнитных) потерь, ε относительная диэлектрическая проницаемость.

Модулятор СВЧ работает следующим образом.

В момент времени, когда лазер 7 выключен, электромагнитная волна распространяется в волноводе 1, проходя через вкладыш 2. При включении лазера 7 его излучение возбуждает фотопроводимость, увеличивая σ, либо способствует возрастанию (нагрев, например) величины tg δ вещества вкладыша 2. При этом прохождение волны Н₁₀ в волноводе 1 через вкладыш 2 прекращается. При выключении лазера 7, значение σ или (и) tg δ уменьшается, вещество вкладыша 2 приходит в исходное состояние и прохождение электромагнитной волны в волноводе 1 возобновляется. Модуляция осуществляется благодаря изменению мощности, длительности, периодичности, частоты, поляризации и т.д. излучения лазера 7.

Для создания широкополосных устройств необходимо выбирать вещество вкладыша 2 со сравнительно стабильными свойствами в диапазоне частот (ε, tg δ, σ). Типичный пример кремний. Кроме того, выражения для , получаются следующим образом. Полагаем, что характеристическое сопротивление и характеристическое сопротивление волновода, заполненного фоточувствительным вкладышем, соотносятся как
=/ тогда экстремальная величина
=/ и
= Поскольку границы раздела между средами в отрезке волновода представляют собой линейные функции вида
=k то из определения дифференциала следует, что
d= d На основании свойства инвариантности формы дифференциала полагаем, что функция является и производной самой себя, так как существуют выражения и для функции, и для ее производной по независимой переменной, т. е.

d/d= тогда
d= d Преобразуем полученное выражение, заменяя и d на основании выше изложенного, получим
d=d Из последних двух выражений следует, что
d=d принимая во внимание, что
d=d получаем
d=d Интегрируя это выражение, получим
= d+ (5) Характеристическое сопротивление на участке волновода с вкладышем , соответствующее функции , представим в виде интегральной суммы, представляющей собой сумму двух интегральных сумм, соответствующих интервалу изменения от 0 до 1 и от 1 до /, учтем, что на интервале изменения от 0 до 1 физически этого изменения нет и =1, таким образом
+= +=+ (6) где i и j номер элементарной площади, а приращение Х. Поскольку левые части выражений (5) ти (6) тождественно равны
≡ то тождественно равны и их правые части:
d+ + Переходя к обозначениям определенного интеграла, учтя, что __→ 0 и принимая во внимание пределы изменения от 1 до /, запишем:
= d+ (8)
Производя интегрирование выражения (8) и преобразования, получим
= ((/)²+1)/2 (9) Соответственно изменяя предыдущие рассуждения и "двигаясь" вдоль направления распространения волны в волноводе 1, получим аналогичные выражения для , и .

Изобретение в принципе позволяет модулировать сигнал не только в СВЧ-диапазоне, субмиллиметровом диапазоне, но и на более высоких частотах, в металлических и диэлектрических, в односвязных и неодносвязных волноводах (прямоугольном, эллиптическом и т.д.) бесконтактным способом с помощью луча лазера. При этом достигается увеличение глубины подавления паразитного сигнала (глубины развязки входа с выходом) до 100 дБ и более. При свободном прохождении СВЧ-сигнала (лазер выключен) ослабление составляет величину от 0,00001 до 0,2 дБ (в примере с алмазом 0,09 дБ при tg δ 0,01 и σ 0,2 см/м; подавление сигнала не хуже 65 дБ при tg δ 0,01 и σ 400 см/м). Таким образом, достигается увеличение глубины модуляции.

Изобретение позволяет осуществлять амплитудную и фазовую модуляции, многие виды импульсной модуляции сигнала и т.п. повысить надежность модулятора, упростить его конструкцию, расширить его полосу пропускания, повысить уровень модулируемой мощности, управлять модулятором с помощью лазера, достигнуть практически идеальной развязки между модулирующим и модулируемым сигналами, снизить инерционность и повысить быстродействие и снизить стоимость модулятора. Кроме того, предлагаемый модулятор СВЧ практически не требует настройки.

Формула изобретения

МОДУЛЯТОР СВЧ, содержащий волновод с установленным поперек него фоточувствительным вкладышем и управляющий источник, который установлен вне волновода и оптически связан с фоточувствительным вкладышем через выполненное в стенке волновода отверстие, оптическая ось которого проходит через вкладыш, отличающийся тем, что управляющий источник выполнен в виде лазера с рассеивающей линзой, установленной в отверстии в стенке волновода, а углы ϕ и Ψ между соответственно входной и выходной гранями вкладыша и плоскостью, ортогональной электрическим силовым линиям электромагнитной волны, и длину l - расстояние между ближайшими проекциями ребер входной и выходной граней вкладыша на плоскость, проходящую через его продольную ось, определяют из соотношений













где - соответствующие коэффициенты классической матрицы передачи;
- коэффициент распространения электромагнитной волны в волноводе на участке, где размещена выходная грань вкладыша;
- то же, для волновода, заполненного веществом вкладыша;
- то же для незаполненного волновода;
b - размер узкой стенки волновода,
- то же, что γ₃, но для входной грани;
- характеристическое сопротивление волновода на участке, где размещена входная грань вкладыша;
- то же для незаполненного волновода;
- то же для волновода, заполненного веществом вкладыша;
- то же, что но для выходной грани.

РИСУНКИ

Рисунок 1