Свч-коммутатор

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИХЕСПУБЛИК 9) П 1)5 Н 01 Р 1/10 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ кий ных пе- Лебеде 2 - 156. модуляередаюнных АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Н овосиби рский зле ктротехн ичеститут(56) Авторское свидетельство СССРМ 1739404, кл, Н 01 Р 1/10, 1989.Резонансные разрядники антереключателей, / Под ред. проф. И.Вва. М.: Советское радио, 1976, с. 15(57) Использование: аттенюаторы,торы и переключатели в приемопщих СВЧ-трактах радиолокаци 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 сверхмощных СВЧ 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 1 о. Каждый резонансный промежуток состоит из двух индуктивных диафрагм и двух емкостных корадионавигационных 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. нусов, расположенных навстречу друг друг в середине широких стенок волновода, где напряженность электрического поля максимальна. 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 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 первом емкостном конусе выполнено 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.30 которого соединен с наружным проводником коаксиальной линии, а другой введен вуказанную металлическую трубку, причемдля уменьшения электрической прочности З 5конец металлического стержня заострен, ав полую часть трубки введен остроконечныйвинт, и разрядный промежуток между остриями имеет величину около 0,2 мм; крометого, торцы отрезка коаксиальной линии 40представляют собой резонансные окна, которые, для снижения электрической прочности, выполнены в виде двух металлическихсекторов, размещенных в одной плоскостипоперечного сечения коаксиальной линии; 45при этом один из металлических секторов -емкостный, представляющий собой пластину - соединен с внутренним проводникомкоаксиальной линии и отделен от внешнегопроводника узким зазором, а второй металлический сектор - индуктйвный стержень -соединен с внутренним и внешним проводниками коаксиальной линии; при этом всерезонансныеузл ы размещены на отрезке 3/4 Лс интервалом Л/4, и соотношения между диаметрами проводников коаксиальной линиистандартные для рабочей частоты и модыТЕМ-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 (в зависимости от заданного режима) от уровня СВЧ мощности, а ионизация врабочем зазоре, благодаря внешнему фото- эффекту, 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, содеркащий герметичный отрезок коаксиальной линии, в который с целью расширения рабочей полосы частот введены резонансныедиафрагмы, образованные полой металлическойтрубкой, соединяющей внутренний и наружный проводники коаксиальной линии, и металлическим стержнем, один конец 10 15 20 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 в 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 СВЧ- мощности 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, - отре 179001810 15 20 25 30 35 40 45 50 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 СВЧ- коммутатора, 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, прозрачную 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 Н 47 Д 5), 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 22 ХС в дециметровом диапазоне и т.п,). Если расстояние между кры ш ками 3 корпуса С В Ч-коммутатора (отрезка СПЛ) - б, то расстояние от внутреннего проводника 1 отрезка СПЛ до боковых стенок 4 должно быть не меньше б. Корпус 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 СВЧ- коммутатора 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 в 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 электриче 1790018ского 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 б, выполненный также из посеребренного ковара, перемыкающий внешний 3 и внутренний 1 проводники СПЛ. Диаметр стержня б вдвое Меньше ширины прорези и составляет около 15 - 25 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 укрепленытрубки 7, например из неркавеющей 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 фото- катод 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 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 10с, 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), СВЧ- коммутатор 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. СВЧ- коммутатор 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 в 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 О и более; время переключения менее(сотен) кВт; полоса пропускания частот око мкс; КСВН - 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 раз 5 мещены штырь и встречный штырь с образованием между их концами разрядногопромежутка, при этом штырь резонанснойдиафрагмы, ближайшей к выходному резонансному окну, выполнен полым и в его10 полости размещен источник вспомогательного разряда, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения уровня СВЧ-мощности,отрезок линии передачи выполнен в видеотрезка симметричной полосковой линии15 передачи, а металлическая пластина выполнена прямоугольной, причем ее длинныестороны параллельны поверхности внутреннего проводника отрезка симметричнойполосковой линии передачи, а вырез пер 20 пендикулярен ей.2. СВЧ-коммутатор по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышениябыстродействия, источник вспомогательного разряда выполнен в виде фотокатода,25 размещенного на пластине из оптическогоматериала, через которую на фотокатод направлено излучение лазера,1790018 25 30 35 40 45 50 Редактор Т.Шагова Заказ 351 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 2 4