СВЧ-РЕГУЛИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ НА ОСНОВЕ МИКРОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ

Полезная модель относится к области радиотехники, а именно к технике сверхвысоких частот (СВЧ), в частности к СВЧ устройствам, в особенности к микрополосковым электрически управляемым регулирующим элементам.
Электронные управляемые СВЧ устройства на полупроводниковых диодах составляют новый класс коммутационных устройств, использование которых дает возможность построения целого ряда современных СВЧ устройств обладающих высоким быстродействием, компактностью, малой массой и продолжительным сроком службы.
Причем при разработке устройств СВЧ (дециметрового и сантиметрового диапазонов) возникает задача создания конструкций с малыми габаритами (компактных), повышенной надежностью и высокой технологичностью конструкции с простыми цепями управления полупроводниковыми диодами - желательно с одной цепью питания, обеспечивающей хорошую развязку
устройства управления от СВЧ тракта и не вносящей в него дополнительных потерь.
Известен СВЧ переключатель (см. AC SU №231643 МПК Н01Р 01/00, 1968), содержащий экранирующую пластину с диэлектрической подложкой, на которой расположен отрезок входной линии передачи, закороченный на одном конце, с размещением в обе стороны от него двух четвертьволновых отрезков выходных линий передачи, концы которых подключены соответственно через конденсатор (емкость) и полупроводниковые приборы к экранирующей пластине.
Известное техническое решение обладает очень узкой рабочей полосой частот.
Известно полупроводниковое управляющее устройство (см. AC SU №525383 МПК Н01Р 01/22, от 1974), содержащее центральный микрополосковый проводник и экран на металлизированной диэлектрической подставке, причем первый электрод полупроводникового прибора соединен с центральным микрополосковым проводником, а второй с внешней металлизированной стороной (площадкой), к которой подключено устройство управления, причем контактная площадка образует вместе с экраном подложки конструктивный конденсатор для развязки цепей питания от СВЧ, цепь короткозамыкателя выполнена обычным способом.
Элемент обладает низким быстродействием из-за наличия конструктивной емкости в месте крепления подставки держателя полупроводникового прибора, так как эта емкость выполняется достаточно большой для обеспечения развязки цепей управления СВЧ сигнала, что существенно ухудшает быстродействие.
Известен гибридный микрополосковый схемный модуль (см. патент US №3500428 НПК 343-854, от 10.03.1970), включающий диэлектрическую подложку, центральный проводник микрополосковой линии, цепь короткозамыкателя и полупроводниковые диоды, связанные с устройством управления посредством системы микрополосковых проводников,
выполненных из высокоомных соединительных отрезков и низкоомных развязывающих шлейфов, подключенных через емкость к земле.
пр
0
В известном техническом решении в качестве основного регулирующего элемента используется полупроводниковый диод, однако наличие микрополосковых высокоомных проводников (Z=(70-110)Ом), имеющих, при ширине (0,05-0,15) мм, незнаяительное сечение, затрудняет пропускание большого тока во время переходных процессов при переключении диода, где Z - волновое сопротивление линии передачи. Величина этих токов достигает во время переходных процессов при использовании pin-диодов порядка одного или более ампера. Высокоомные шлейфы служат для обеспечения развязки между СВЧ трактом и устройством управления, выполняются широким проводником до одного и более миллиметров. Емкость этого проводника вместе с конденсатором (емкостью) является достаточно большой величиной, не позволяющей реализовать время переключения меньше (40-50) нс, даже при использовании быстродействующий pin-диодов с малым накоплением заряда.
Кроме того, значительное ухудшение быстродействия связано и с цепью короткозамыкателя.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является Microstrip phase shifter having switchable path lengths (см. патент US №3568105 НКИ 333-31, от 02.03.1971), содержащий полупроводниковые диоды, размещенные в разрыве центральной микрополосковой линии (МПЛ), один конец которой подключен со стороны одного электрода диода к устройству управления через четвертьволновый отрезок МПЛ, второй конец которого связан со стороны второго электрода диода через конденсатор (емкость) с корпусом.
Основным недостатком известного решения является ограничение быстродействия из-за наличия достаточно большой емкости в цепи управления для обеспечения развязки между СВЧ трактом и устройством управления и сложность изготовления.
Техническим результатом полезной модели является упрощение технологии изготовления и повышение быстродействия устройства при обеспечении высокой развязки цепей управления от СВЧ тракта.
Технический результат достигается за счет того, что в СВЧ регулирующий элемент на основе МПЛ, содержащий металлическое основание, на котором с одной стороны крепится плата устройства управления, а с другой стороны крепится экранной стороной микрополосковая плата с центральным проводником МПЛ, имеющим любую конфигурацию (в том числе образующую схемные элементы любой сложности, например: отрезок регулярной МПЛ, короткозамкнутый шлейф, гибридное соединение вообще, направленный шлейфовый ответвитель в частности и т.п.), и один либо несколько полупроводниковых диодов, соединенных контактами одной полярности с центральным проводником МПЛ, а контактами другой полярности через экран с металлическим основанием, причем введен низкоомный микрополосковый полуволновой шлейф, один конец которого присоединен к центральному проводнику МПЛ, другой конец разомкнут, а средняя точка расположена на краю платы и соединена с выходом устройством управления проводником минимально возможной длины, проходящим по торцу платы и через сквозное отверстие в металлическом основании и плате устройства управления.
Сущностью предлагаемого технического решения является повышение быстродействия СВЧ регулирующего элемента на основе МПЛ за счет уменьшения емкости и индуктивности с возможностью использования микрополосковых проводников большого сечения и минимальной длины при увеличении развязки устройств управления от СВЧ тракта без использования дополнительных фильтрующих элементов, снижающих быстродействие устройства, путем формирования режима холостого хода в месте подключения цепи управления (низкоомного полуволнового шлейфа) к центральному проводнику МПЛ и режима короткого замыкания в месте крепления соединительного проводника. Упрощение технологии изготовления происходит за счет того, что низкоомный шлейф проходит около торца платы.
Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые позволяют успешно реализовать поставленную цель.
Сущность предлагаемого решения будет понятна из следующего описания и приложенного к нему графического материала.
На фиг.1, 2 и 3 изображены различные варианты исполнения СВЧ регулирующего элемента с центральным проводником МПЛ в виде следующих схемных элементов соответственно: регулярного проводника; короткозамкнутого полуволнового шлейфа; шлейфового направленного ответвителя с пререходным ослаблением - 3 дБ.
СВЧ регулирующий элемент на основе МПЛ, содержит:
1 - микропосковая плата;
2 - диэлектрическая подложка;
3 - центральный проводник МПЛ;
4 - экран МПЛ;
5 - регулярный проводник МПЛ;
6 - участок центрального проводника МПЛ;
7 - полупроводниковый диод;
8 - металлический держатель;
9 - плата устройства управления;
10 - металлическое основание;
11 - низкоомный полуволновой шлейф;
12 - короткозамкнутый полуволновой шлейф;
13 - шлейфовый направленный ответвитель с переходным ослаблением 3 дБ;
14 - отверстие в микровполосковой плате;
15 - отверстие в плате устройства управления;
16 - сквозное отверстие;
17 - перемычки из проволоки или фольги;
18 - проводник для подачи на микрополосковую плату управляющего сигнала из устройства управления;
19 - гермоввод;
20 - углубление в металлическом основании;
21 - СВЧ порт.
Поскольку далее описываются взаимные СВЧ устройства, при их рассмотрении любой из двух СВЧ портов можно считать входным, тогда другой СВЧ порт следует считать выходным.
Примеры реализации предложенного технического решения.
На фиг.1 на микропосковой плате 1, с двумя СВЧ портами 21, диэлектрической подложкой 2, экраном МПЛ 4 и центральным проводником МПЛ 3, к его участку 6 выполненному в виде регулярного проводника МПЛ 5 одним концом подключен низкоомный полуволновой шлейф 11, разомкнутый на втором конце, в его среднюю точку, расположенную на краю микрополосковой платы 1, подается управляющий сигнал, поступающий с выхода платы устройства управления 9 через первую перемычку 17, контакт установленного в металлическом основании 10 гермоввода 19, проходящий через отверстие в плате устройства управления 15 с одной стороны и около торца микрополосковой платы 1 с другой стороны, и вторую перемычку 17, далее этот сигнал проходит через низкоомный полуволновой шлейф по регулярному проводнику МПЛ 5 на подключенный к нему широкий конец Т-образного металлического держателя 8, входящего узким концом в отверстие в микрополосковой плате 14, где к нему присоединен одним контактом полупроводниковый диод 7, другой контакт которого и третья перемычка 17, соединяющая его с экраном МПЛ 4, входят в углубление 20 металлического основания 10, к которому прижата микрополосковая плата 1 так, что экран МПЛ 4 и металлическое основание 10 электрически соединены.
На фиг.2 на микропосковой плате 1, с двумя СВЧ портами 21, диэлектрической подложкой 2, центральным проводником МПЛ 3 и экраном МПЛ 4, выполнен регулярный проводник МПЛ 5, к которому одним концом подключен низкоомный полуволновой шлейф 11, разомкнутый на втором конце, в его среднюю точку, расположенную на краю микрополосковой
платы 1, подается управляющий сигнал, который поступает с выхода платы устройства управления 9, через проводник 18, проходящий через сквозное отверстие 16, около торца микрополосковой платы 1 и через вторую перемычку 17, далее этот сигнал подается через низкоомный полуволновой шлейф 11 и регулярный проводник МПЛ 5 на подключенный к нему один конец третьей перемычки 17, второй конец которой соединен с одним контактом полупроводникового диода 7, подключенного другим контактом к одному концу участка центрального проводника МПЛ 6, выполненного в виде короткозамкнутого полуволнового шлейфа с короткозамыкателем, выполненным четвертой перемычкой 17, конец которой соединенный с экраном МПЛ 4 располагается в углублении 20 в металлическом основании 10.
На фиг.3 на микропосковой плате 1, с двумя СВЧ портами 21, диэлектрической подложкой 2, экраном МПЛ 4 и центральным проводником МПЛ 3 его участок 6 выполнен в виде шлейфового направленного ответвителя с переходным ослаблением - 3 дБ, к его первому плечу присоединен левый регулярный проводник МПЛ 5, к четвертому плечу - правый регулярный проводник МПЛ 5, ко второму и третьему плечам - широкие концы соответственно левого и правого Г-образных металлических держателей 8, узкий конец каждого из которых входит в свое отверстие в микрополосковой плате 14, где к нему присоединен одним контактом полупроводниковый диод 7, другой контакт которого и перемычка 17, соединяющая его с экраном МПЛ 4, входят в углубление 20 металлического основания 10, к которому прижата микрополосковая плата 1 так, что экран МПЛ 4 и металлическое основание 10 электрически соединены, к середине проводника МПЛ заключенного между вторым и третьим плечами шлейфового направленного ответвителя присоединен одним концом полуволновой шлейф 11, разомкнутый на другом конце, в его среднюю точку, расположенную на краю микрополосковой платы 1, подается управляющий сигнал, поступающий с выхода платы устройства управления 9 через проводник 18, проходящий через сквозное отверстие 16 около торца микрополосковой платы 1.
Устройство работает следующим образом.
Напряжение смещения полупроводниковых диодов подается в среднюю точку полуволнового разомкнутого шлейфа, где организован режим короткого замыкания (КЗ), так как эта точка находится на расстоянии λ/4 от разомкнутого конца шлейфа, то есть от точки холостого хода (XX). При запирающем напряжении смещения, СВЧ сигнал распространяется от одного СВЧ порта к другому так, что на выходе схемы регистрируются некоторые начальные значения его амплитуды и фазы. При отпирающем напряжении смещения полупроводниковые диоды открываются и замыкают центральный проводник МПЛ на экран МПЛ. В точке установки полупроводникового диода создается режим КЗ, и условия распространения СВЧ волны соответствующим образом изменяются: в схемах аттенюаторов фиг.1 и 2 волна, в идеальном случае, полностью отражается от точки КЗ и не попадает в выходной СВЧ порт; в схеме отражательного фазовращателя 0-π с гибридным соединением фиг.3 режим отражения от точек XX во втором и третьем плечах шлейфового направленного ответвителя изменяется на режим отражения от точек КЗ так, что фаза сигнала в выходном СВЧ порту изменяется на 180°. В схемах аттенюаторов с реальными физическими параметрами ослабление СВЧ сигнала принимает некоторое конечное значение, величина которого зависит от конкретной технической реализации.
Технико-экономическим эффектом полезной модели является упрощение технологии изготовления и повышение быстродействия устройства при обеспечении хорошей развязки цепей управления от СВЧ тракта без использования дополнительных фильтрующих элементов и уменьшение длительности фронтов импульсов в 1,5 раза (например, при использовании pin-диодов 2А543А-5).