СЕЛЕКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ НА ВСТРЕЧНЫХ СТЕРЖНЯХ
SELECTIVE PROTECTION DEVICE ON RECIPROCAL RODS

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) для защиты от пробоя каскадов приемного тракта как диодный ограничитель высокого уровня мощности, с частотной селекцией входного сигнала, обладающий небольшими потерями в полосе пропускания при слабом входном сигнале и обеспечивающий высокое затухание на входе последующего приемного устройства в режиме большого сигнала и в режиме приема вне полосы пропускания.
Известно микрополосковое защитное устройство (ЗУ) [1], содержащее диэлектрическую подложку, на которую нанесены микрополосковые проводники двух резонаторов, связанных между собой электромагнитно. Управляющим элементом устройства является замкнутый полосковый проводник из пленки высокотемпературного сверхпроводника в форме прямоугольной рамки, расположенный в области максимума высокочастотного магнитного поля между микрополосковыми резонаторами. При слабом входном сигнале связь между резонаторами осуществляется через сверхпроводящий элемент, и устройство работает как полосно-пропускающий фильтр (ППФ) с малыми потерями, а при сильном входном сигнале плотность тока в сверхпроводящем элементе превышает критическую, и связь с резонаторами разрывается, устройство работает на отражение.
Недостатком такого устройства является его сложность из-за наличия экзотического и дорогостоящего элемента - высокотемпературного сверхпроводника.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому устройству защиты является «Диодный ограничитель мощности СВЧ сигнала» [2], содержащий входную и выходную линии передачи, между которыми расположены каскадно соединенные системы микрополосковых линий (МПЛ), шунтированные ограничительными диодами. Системы МПЛ выполняются в виде резонатора на связанных МПЛ, при этом каждая линия шунтирована по крайней мере одним ограничительным диодом, установленным на расстоянии, близком к четверти длины волны от одного из концов резонатора. Ограничительные диоды переходят в режим ограничения при высоком уровне мощности на входе вне зависимости от наличия сигнала управления. Таким образом, повышение уровня максимально допустимой мощности (в непрерывном режиме до нескольких десятков ватт) достигается за счет построения входной ступени на основе проходного резонатора на нескольких связанных микрополосковых линиях.
Недостатками такого устройства являются:
1. Слабые селективные свойства конструкции, состоящей всего из одного резонатора. Современное построение РЭА требует большого уровня затухания сигнала вне полосы пропускания для выполнения условий электромагнитной совместимости.
2. Отсутствие регулировки резонансного контура по частоте и коэффициенту стоячей волны (КСВ).
3. Высокая чувствительность электрических параметров к технологическим допускам на ширину МПЛ, зазоры связи между МПЛ и длину резонатора, приводящая при отсутствии регулировки к плохой воспроизводимости параметров.
4. Максимальная допустимая мощность ограничена не только возможностями диодов, но и предельной плотностью тока в МПЛ.
Предлагаемое изобретение сочетает в себе возможности и преимущества обычных ЗУ и обычных полосовых фильтров, являясь по сути совершенно новым устройством.
Техническим результатом изобретения является повышение максимально допустимой мощности входного сигнала и улучшение селективных свойств устройства защиты при плавной регулировке по частоте и по КСВ в режиме приема.
Для этого устройство защиты выполняется на базе ППФ на встречных стержнях, спроектированного по методу [3], путем включения СВЧ ограничительных диодов на крайних резонаторах, соединенных кондуктивно с входом и выходом устройства, причем диоды включены попарно и симметрично относительно точки присоединения кондуктивного отвода, а разомкнутые концы связанных резонаторов имеют переменную емкостную связь с корпусом, выполненную в виде подстроечных винтов.
На фигуре приведен общий вид одного из вариантов конструкции заявляемого устройства защиты.
Устройство защиты содержит, по меньшей мере, три полосковых (стержневых) резонатора 1 с параллельной электромагнитной связью, включенных встречно, короткозамкнутых на одном конце и разомкнутых на другом, образуя емкостную связь резонаторов с корпусом. Крайние резонаторы соединены с входом и выходом устройства с помощью кондуктивных линий связи 2. В крайние резонаторы 1 включены относительно корпуса СВЧ ограничительные диоды 3 по 2N (где N=1, 2, 3…) симметрично относительно точки присоединения кондуктивной линии связи в непосредственной близости между собой, образуя синфазное и равноамплитудное подключение к входу и выходу устройства. Резонаторы и кондуктивная линия связи размещены в заземленном корпусе 4, снабженном высокочастотными коаксиальными соединителями 5 и подстроечными винтами 6. Резонаторы и линии связи выполнены на объемных воздушных симметричных полосковых линиях, резонаторы имеют длину, близкую к четверти длины волны на средней частоте рабочего диапазона. С целью уменьшения активных (омических) потерь резонаторы, кондуктивная линия связи и внутренняя поверхность корпуса выполнены из материала с высокой проводимостью (латунь, покрытая серебром).
Устройство защиты работает следующим образом.
При большом уровне мощности на входе устройства защиты СВЧ диоды 3 открываются (режим ограничения) и своим малым сопротивлением (~1 Ом) закорачивают резонатор на корпус, отражая всю падающую мощность обратно на вход. Вторая пара СВЧ диодов служит только для увеличения отражения сигнала в полосе пропускания. Порог срабатывания устройства защиты по уровню входной непрерывной мощности составляет менее 5 мВт, просачивающаяся мощность составляет не более 30 мВт. Верхний предел входной непрерывной мощности, которую способно ограничивать заявляемое устройство защиты, 240-250 Вт. Увеличение количества диодов позволяет увеличить максимально допустимую мощность входного сигнала.
0
0
0
При поступлении мощности малого уровня (режим приема) на вход одного из ВЧ соединителей 5 СВЧ диоды 3 закрыты, и устройство работает как обычный ППФ на встречных стержнях. Средняя частота полосы пропускания фильтра определяется длиной среднего резонатора, равной λ/4, где λ - длина волны в полосковой линии на средней частоте диапазона. Настройка устройства защиты осуществляется с помощью подстроечных винтов 6. Изменяя величину емкостной связи среднего резонатора с корпусом винтом 6, можно сдвигать всю полосу пропускания фильтра вверх или вниз относительно заданной частоты f. Подстроечными винтами крайних резонаторов фильтр настраивается по КСВ, обеспечивая одновременно симметричность амплитудно-частотной характеристики.
Увеличение числа резонаторов увеличивает затухание вне полосы пропускания, однако приводит к росту омических потерь в полосе пропускания.
Фильтр на встречно-стержневых резонаторах, как более высокодобротных по сравнению с микрополосковыми резонаторами, имеет (на малом сигнале) меньшие вносимые потери в полосе пропускания и большее затухание за пределами полосы пропускания, выдерживает бóльшую входную мощность и, благодаря особенностям конструкции, легко настраивается с помощью подстроечных элементов по частоте и КСВ.
Включение СВЧ диодов в крайние резонаторы увеличивает их электрическую длину, поэтому для компенсации этого эффекта необходимо укоротить резонаторы (т.е. уменьшить их геометрическую длину на этапе предварительной регулировки) либо уменьшить подстроечную емкость.
Величину изменения электрической длины резонаторов можно вычислить с помощью [4], с.113, по формуле:
p
0
д
п
end
Δθ=arctgZωC; С=С+С+C,
д
где С - емкость включенных в резонатор диодов;
п
С - емкость, образованная подстроечным винтом;
end
C - эквивалентная емкость разомкнутого конца резонатора;
p
0
Δθ - изменение электрической длины, равное 2πΔL/λ;
p
p
Z - волновое сопротивление резонатора. Величина Z для средних и особенно узких полос пропускания близка к сопротивлению нагрузки (50 Ом);
0
λ - длина волны на средней частоте диапазона;
p
ΔL - изменение геометрической длины резонатора за счет емкости С;
0
0
0
ω=2πf, f - средняя частота диапазона.
д
Если СВЧ диоды включаются в крайние резонаторы после настройки фильтра на заданную частоту, то при коррекции электрической длины резонаторов учитывается только емкость диодов С.
С помощью линий связи 2 и соединителей 5 осуществляется связь крайних резонаторов с внешними цепями. Точка подключения линий связи 2 к крайним резонаторам определяет величину коэффициента связи и степень согласования с внешней нагрузкой. Расстояние от кондуктивной линии связи до точки заземления крайнего резонатора может быть вычислено по методу [5].
Для конкретной технической реализации заявляемого устройства дециметрового диапазона были применены мощные ограничительные диоды 2А557А аА0.339.642 ТУ (корпусного типа).
ср.
Применение устройства защиты на встречно-стержневых резонаторах, совмещающего в себе функции обычного ЗУ и ППФ, для защиты от пробоя последующих каскадов приемного тракта, с одновременным формированием полосы допустимых частот с помощью ППФ, позволило обеспечить малые потери (не более 1,5 дБ) в полосе пропускания, большое затухание сигнала вне полосы приема (более 30 дБ), плавную регулировку по КСВ (не более 1,3) и частоте подстроечными винтами с последующим их механическим стопорением и большое значение допустимой входной мощности (Р до 250 Вт, или примерно 60 Вт на один диод).
Использованная литература
1. Патент №2395872 по заявке №2009124163/09 от 24.06.2009. Б.А.Беляев и др. «Микрополосковое защитное устройство», H01P 1/04, H01P 1/212.
2. Патент №2258278 по заявке №2003125468/09 от 18.03.2003. Шаповалова В.В., Ильичев Н.В., Калина В.Г. «Диодный ограничитель мощности СВЧ сигнала», H01P 1/22.
3. Д.Л.Матей, Л.Янг, Е.М.Т.Джонс. «Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи», пер. с англ. под ред. Л.В.Алексеева и Ф.В.Кушнира. М., «Связь», 1972 г., т.2, с.97-102.
4. С.И.Баскаков. «Радиотехнические цепи с распределенными параметрами». М., «Высшая школа», 1980, с.111-114.
5. Е.Д.Лоткова. «Расчет микрополосковых фильтров на связанных линиях». - Журнал «Радиотехника», 1987, №3, с.30.