КОАКСИАЛЬНЫЙ СВЧ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
COAXIAL SHF SWITCH

Устройство  относится к области СВЧ техники и может быть использовано для формирования импульсного СВЧ сигнала регулируемой длительности и амплитуды, улучшения параметров уже сформированных СВЧ сигналов, например уменьшения фронтов, защиты элементов схемы, например приемника СВЧ сигналов.
Известен СВЧ выключатель, применяемый для формирования импульсных СВЧ сигналов регулируемой длительности и амплитуды, улучшения параметров уже сформированных СВЧ сигналов [1; 2, с.48] - аналог. Выключатель содержит отрезок прямоугольного волновода, поперек которого установлена резонансная диафрагма. Диафрагма представляет собой плоский фланец с узкой резонансной щелью, в центре которой установлены управляющие P-I-N-диоды. При подаче запирающего напряжения на P-I-N-диоды выключатель пропускает СВЧ сигнал, при подаче прямого тока - отражает. В соответствии со схемным решением и режимом работы устройство является волноводным СВЧ выключателем инверсного типа.
Известен коаксиальный СВЧ выключатель, содержащий коммутируемый с помощью P-I-N-диодов отрезок коаксиальной линии, в которой параллельно линии в зазор между внешним и внутренним проводником встроены управляющие P-I-N-диоды [2, с.51] - прототип. Устройство является коаксиальным выключателем инверсного типа - при подаче запирающего напряжения на диоды СВЧ выключатель пропускает СВЧ сигнал, при подаче прямого тока - отражает.
В таком выключателе при пропускании СВЧ сигнала на диоды приложено суммарное напряжение: СВЧ напряжение и управляющее напряжение. Этот режим для диодов является наиболее напряженным, и время его действия необходимо минимизировать. Например, для улучшения формы СВЧ сигналов за счет уменьшения фронтов уже сформированных импульсов целесообразно суммарное напряжение на диоды подавать только в рабочие отрезки времени - относительно короткие промежутки фронта и спада импульса. Такой режим работы диодов реализуется в выключателе прямого типа, в котором при подаче запирающего напряжения на диоды выключатель отражает СВЧ сигнал, при подаче прямого тока - пропускает.
Однако устройство-прототип [2, с.51] является выключателем инверсного типа, и в нем при формировании сигналов суммарное напряжение приложено к диодам в течение всего СВЧ импульса.
Выключатель инверсного типа может быть трансформирован в выключатель прямого типа путем изменения СВЧ схемы устройства. С этой целью в линию передачи встраиваются трансформирующие четвертьволновые шлейфы, в которые устанавливаются управляющие элементы - P-I-N-диоды [2, с.31].
Однако коаксиальная линия содержит внешний и внутренний проводники, что усложняет установку на ней трансформирующих шлейфов. По этой причине трансформирующие шлейфы для целей обеспечения прямого режима в коаксиальных выключателях не используются.
В СВЧ технике при разработке коммутирующих устройств широкое применение нашла схема с последовательным включением управляющих диодов в линию, например, в микрополосковых выключателях малого уровня мощности [2, с.46]. Такая схема является схемой прямого типа: СВЧ сигнал проходит выключатель при подаче прямого тока на диоды и не проходит при подаче запирающего управляющего напряжения.
Однако в коаксиальной линии последовательное включение P-I-N-диодов не применяется, поскольку при установке диодов в разрыв внутреннего проводника линии возникают трудности при подаче управляющего напряжения на диоды, а при разрыве внешнего проводника возникает излучение в окружающее пространство, что не приемлемо при высоком уровне СВЧ мощности.
Задачей изобретения является разработка коаксиального СВЧ выключателя прямого типа, позволяющего пропускать СВЧ сигнал при подаче прямого тока на диоды, отражать при подаче запирающего напряжения, при этом обеспечить малые потери в режиме пропускания и большой коэффициент переходного ослабления в режиме отражения, за счет конструкции выключателя.
Поставленная задача решается предложенным вариантом выполнения коаксиального СВЧ выключателя прямого типа с последовательным включением управляющих диодов в линию.
Коаксиальный СВЧ выключатель содержит отрезок коаксиальной линии, внешний проводник которой разорван кольцевым зазором, и расположенный соосно с ней резонатор тороидального типа с кольцевым емкостным зазором. Емкостный зазор резонатора совмещен с кольцевым зазором внешнего проводника коаксиальной линии, и в указанном зазоре соосно линии установлено проводящее кольцо. В образовавшиеся зазоры с двух сторон кольца равномерно по кругу встроены P-I-N-диоды, включенные навстречу друг другу так, что один вывод каждого диода, например катод, подсоединен к кольцу, а другой - к внешнему проводнику линии; к кольцу подсоединен управляющий электрод, выведенный наружу через боковую стенку тороидального резонатора в плоскости его симметрии. В соответствии со схемным решением предлагаемое устройство является коаксиальным СВЧ выключателем прямого типа с последовательным включением управляющих диодов в линию.
Заявленный коаксиальный СВЧ выключатель прямого типа обладает высокой пробойной прочностью, малыми СВЧ потерями в режиме пропускания, большим коэффициентом переходного ослабления в режиме отражения и по своим параметрам превосходит аналог - волноводный выключатель инверсного типа, что подтверждается результатами сопоставления с указанным выключателем, выполненным с применением таких же управляющих диодов.
На чертеже представлена схема заявленного коаксиального СВЧ выключателя прямого типа.
а
б
Выключатель содержит отрезок коаксиальной линии 1-2, внешний проводник которой разрезан кольцевым зазором 3, соосно расположенный с линией резонатор тороидального типа 4 с кольцевым емкостным зазором, совмещенным с кольцевым зазором 3 линии. В зазор 3 коаксиальной линии (и, соответственно, емкостный зазор тороидального резонатора) встроено соосно проводящее кольцо 5. В образовавшиеся зазоры с двух сторон кольца одноименными выводами навстречу друг другу установлены P-I-N-диоды 6. Управляющий электрод 7 подсоединен к кольцу 5 и выведен через боковую стенку тороидального резонатора 4 в плоскости его симметрии. Вход  и выход  коаксиальной линии 1-2 служат для подсоединения выключателя к СВЧ тракту.
Выключатель работает следующим образом.
а
а
б
СВЧ сигнал на выключатель подается от генератора на вход  коаксиальной линии. При подаче через управляющий электрод 7 на P-I-N-диоды 6 запирающего напряжения сопротивление диодов велико, и внешний проводник коаксиальной линии, разорванный кольцевым зазором 3, представляет сопротивление для СВЧ токов. В этом режиме СВЧ мощность не проходит с входа  коаксиальной линии на выход  - выключатель отражает поступающий от генератора СВЧ сигнал. Коэффициент отражения выключателя и, соответственно, коэффициент переходного ослабления повышается с увеличением сопротивления кольцевого зазора.
Тороидальный резонатор 4 служит для повышения сопротивления кольцевого зазора в режиме отражения, а также предотвращения излучения СВЧ мощности в окружающее пространство. Размеры резонатора выбираются такими, что его резонансная частота с учетом емкости P-I-N-диодов при подаче запирающего напряжения совпадает с частотой передаваемого СВЧ сигнала. За счет этого повышается сопротивление зазора для СВЧ токов и, следовательно, коэффициент отражения и коэффициент переходного ослабления.
При подаче тока на P-I-N-диоды 6 через управляющий электрод 7 сопротивление диодов становится относительно небольшим, они замыкают кольцевой зазор 3 внешнего проводника коаксиальной линии 1-2, и СВЧ сигнал практически без отражений и потерь проходит выключатель. В этом режиме кольцевой емкостный зазор тороидального резонатора 4 также замкнут P-I-N-диодами 6, и указанный резонатор практически не влияет на характер прохождения СВЧ сигнала через выключатель.
Было проведено сопоставление характеристик предлагаемого устройства, схема которого приведена на чертеже, и волноводного выключателя инверсного типа, данные по которому взяты из [1], в импульсном режиме работы. Длительность импульсов составляла 5 мкс, скважность 1000. В обоих устройствах использовались одинаковые P-I-N-диоды типа 2А-507. При этом на диоды подавались как одинаковые запирающие напряжения (100 В), так и одинаковые прямые токи (50 мА на диод). В заявленном устройстве измерялся коэффициент переходного ослабления в режиме отражения (т.е. при подаче на P-I-N-диоды запирающего напряжения) и в режиме пропускания (т.е. при подаче на P-I-N-диоды прямого тока), при различных уровнях СВЧ мощности. В устройстве [1] режиму прохождения СВЧ сигнала соответствовала подача запирающего напряжения на P-I-N-диоды, режиму отражения - подача прямого тока. Результаты измерений и данных из [1] приведены в таблице.
СВЧ схема, принцип действия заявленного устройства и проведенные эксперименты, результаты которых отражены в таблице, подтверждают, что предлагаемый коаксиальный СВЧ выключатель является выключателем прямого типа - отражает СВЧ сигнал при подаче запирающего напряжения на управляющие P-I-N - диоды и пропускает при подаче прямого тока, при этом, по сравнению с волноводным выключателем инверсного типа, имеет меньший коэффициент переходного ослабления в режиме пропускания СВЧ сигнала и больший коэффициент переходного ослабления в режиме отражения.
[1] Богомолов А.С., Закутов Е.М., Шеболаев И.В., Черноусов Ю.Д. Установка инициирования быстрых радиационно-химических процессов. ПТЭ, №2, 1983, с.210.
[2] А.В. Вайсблат. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. М.: Радио и связь. 1987 г.