Защитное устройство СВЧ

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использована в качестве защитного устройства на входе приемных каналов электронной аппаратуры для защиты от сигналов высокого уровня СВЧ мощности, а также сигналов с частотами вне рабочей полосы пропускания (внеполосных помех).
Одними из основных элементов входной части приемников СВЧ являются устройства защиты (УЗ) от высокого уровня мощности входного сигнала и полосно-пропускающий фильтр (ППФ), обеспечивающий защиту от внеполосных помех (см., например, Л.Г. Гассанов и др. Твердотельные устройства СВЧ в Технике связи. - М.: "Радио и связь", 1988 г., с. 51, 142). Известны многочисленные конструктивные варианты таких устройств, в том числе УЗ на основе полупроводниковых управляющих элементов, преимущественно диодов, и ППФ, выполненных на связанных резонаторах в виде отрезков квазисимметричных (симметричных) линий передачи. В комплексе оба этих устройства, включенных последовательно в приемный тракт, имеют достаточно большие габариты, что является существенным недостатком при современных жестких требованиях к массогабаритным параметрам радиоэлектронных устройств различного назначения.
Указанный недостаток частично устраняется в устройствах, сочетающих в себе функции УЗ и ППФ (см. пат. РФ №2395872 «Микрополосковое защитное устройство»; пат. РФ №2258278 «Диодный ограничитель мощности СВЧ»; пат. РФ №2456719 «Селективное устройство защиты на встречных стержнях»).
К таким устройствам относится и наиболее близкое к заявляемому защитное устройство, известное из публикации Lee W. Cross Design of microwave Front-End Narrowband Filter and Limiter Components // A dissertation submitted to the Graduate Faculty as partial fulfillment of the requirements for the Doctor of Philosophy Degree in Engineering, 2013, c. 102.
Упомянутое выше устройство выполнено в виде микрополоскового фильтра на трех шпилечных полуволновых резонаторах U-образной формы, свободные концы в одном или всех резонаторах соединены через газоразрядный ограничительный элемент (plasma limited element).
Основным недостатком известного устройства являются большие габариты, обусловленные использованием газоразрядного ограничительного элемента с размерами (4,6×4,6×2) мм, разработанного для использования на частотах ~ 870 МГц. Очевидно, что с ростом рабочей частоты размеры ограничительного элемента будут становиться определяющими для габаритов защитного устройства в целом, которое при длине волны СВЧ-колебаний менее 9 мм будет невозможно реализовать.
Кроме того, известное устройство может выполнять свою основную функцию лишь условно, так как порог срабатывания режима ограничения начинается с входной мощности СВЧ сигнала 28-29 dbm, что существенно выше допустимого уровня для известных входных малошумящих усилителей (приемников). Также следует отметить значительное увеличение потерь фильтра при установке на него газоразрядного устройства (~ 1,7 дБ) и достаточно большое время переключения состояний вкл./выкл. (порядка нескольких микросекунд).
Техническим эффектом, на достижение которого направлена патентуемая полезная модель, является снижение массогабаритных параметров устройства.
Этот эффект достигается тем, что в защитном устройстве СВЧ, выполненном в виде микрополоскового полосового фильтра на полуволновых резонаторах шпилечного типа U-образной формы, в одном или нескольких резонаторах которого между участками центрального проводника, противолежащими относительно его середины, установлен ограничительный элемент, в качестве ограничительного элемента использован p-i-n диод.
Управляющий элемент установлен преимущественно в выходном резонаторе (резонаторах) фильтра.
Предлагаемое решение поясняется чертежами. На фиг. 1а представлено схематичное изображение одной из возможных реализаций входного защитного устройства, где 1 - центральный проводник одного из шпилечных резонаторов полосно-пропускающего фильтра, Д1 - управляющий элемент, преимущественно p-i-n диод.
Устройство работает следующим образом. При отсутствии мощного сигнала диод Д1 представляет собой большое сопротивление и не оказывает влияние на характеристики фильтра. При поступлении сигнала большой мощности диод Д2 открывается (прямой ток замыкается через центральный проводник 1) и закорачивает часть резонатора, в силу чего собственная (резонансная) частота последнего перестраивается, и прохождение сигнала через него на рабочей частоте (частоте приема) резко уменьшается.
Очевидно, что максимальная величина подавления мощности сигнала в предлагаемом устройстве при использовании одного диода в одном резонаторе имеет конечную величину. Экспериментально установлено, что в этом случае она может достигать 40 дБ. Для увеличения подавления может быть использован дополнительный диод (Д2 на фиг. 1б). В этом случае уровень максимально допустимой мощности входного сигнала автоматически повышается.
Дополнительный диод (Д3 на фиг. 1в) может быть также установлен в другом резонаторе фильтра. При необходимости можно использовать оба варианта включения дополнительных диодов одновременно.
Поскольку диод является нелинейным элементом, то при наличии внеполосных помех на нем могут, возникать паразитные гармоники, попадающие в рабочий диапазон частот. Поэтому предпочтительно диоды устанавливать в выходных резонаторах фильтра, используя селекцию сигналов его входными резонаторами.
Примеры реализации.
1. Разработан и изготовлен полосно-пропускающий фильтр шпилечного типа, состоящий из пяти резонаторов на подложке из поликора, предназначенный для работы в диапазоне 3 ГГц, с полосой пропускания 400 мГц. В его четвертом по счету от входа резонаторе между противолежащими участками центрального проводника на расстоянии ~λ/6 от его середины включен диод MA4L032-134. (фиг. 1а).
При уровне входного сигнала ~ 200 Вт (τ≈30 мксек, Q=10) подавление сигнала возросло на 32 дБ от исходного уровня потерь фильтра при слабом сигнале (~ 1 дБ).
2. Разработан и изготовлен полосно-пропускающий фильтр, аналогичный описанному в примере 1. В том же резонаторе, что и в примере 1, установлены два диода MA4L032-134 между точками на расстоянии λ/6 и λ/8 от середины резонатора (фиг. 1б). При той же мощности входного сигнала подавление увеличилось до ~ 37 дБ.
3. Разработан и изготовлен полосно-пропускающий фильтр, аналогичный описанному в примерах 1, 2. В соседних, четвертом и пятом, резонаторах фильтра установлены диоды MA4L032-134 между точками, расположенными на расстоянии ~ λ/8 от середины резонатора (фиг. 1в). Подавление при той же мощности входного сигнала возросло до ~ 47 дБ. Мощность выходного сигнала составила ~ 4 мВт.
Следовательно, в заявляемом устройстве достаточно двух диодов (вместо трех газоразрядных элементов в прототипе), чтобы обеспечить уровень подавления до 50 дБ и более (при соответствующем положении диодов в резонаторах). При этом уровень выходного сигнала составляет ~ 4 мВт, что существенно ниже, чем у устройства-прототипа, при сопоставимой мощности входного сигнала.
Таким образом, предлагаемое устройство защиты является ограничителем мощности - преселектором, эффективно выполняющим функции последних, в т.ч. обеспечивающим повышенную защиту от внеполосных помех. Очевидно, что при использовании в заявляемой конструкции газоразрядного ограничительного элемента габариты защитного устройства значительно возрастут.