МИКРОПОЛОСКОВОЕ ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО
MICROSTRIP PROTECTIVE DEVICE

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для защиты радиоприемных устройств, в частности, приемников радиолокационных станций от воздействия электромагнитных колебаний большой мощности.
Известно микрополосковое защитное устройство [А.Б.Козырев. Эффект быстрого переключения сверхпроводниковых пленок и возможности его использования в СВЧ-микроэлектронике. Соровский образовательный журнал, т.8, №1, 2004, с.93-100], содержащее диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую нанесены полосковые проводники, образующие микрополосковые резонаторы, связанные между собой электромагнитно. Резонансные элементы, так же как и заземляемое покрытие на обратной стороне подложки, выполнены из пленки материала, обладающего высокотемпературной сверхпроводимостью. Так как потери СВЧ-сигнала в таких пленках в сверхпроводящем состоянии очень малы, то коэффициент передачи в полосе пропускания устройства близок к единице. Под действием мощного электромагнитного импульса микрополосковые элементы переходят из сверхпроводящего состояния в нормальное, и амплитудно-частотная характеристика устройства изменяется, обеспечивая ослабление выходного сигнала по сравнению с входным.
Недостатком данного защитного устройства является малая предельно допустимая мощность СВЧ-колебаний, с которой оно может работать без выхода из строя. Это связано с недостаточно большим значением поверхностного сопротивления пленки из материала, обладающего высокотемпературной сверхпроводимостью, в нормальном состоянии. Что приводит, как показывают расчеты, к практически полному поглощению микрополосковыми резонаторами и выделению в виде тепла энергии принимаемой электромагнитной волны, а это может стать причиной разрушения, в первую очередь, названных резонансных элементов устройства.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является микрополосковое защитное устройство [Б.А.Беляев, Н.А.Дрокин, А.А.Лексиков, A.M.Сержантов, М.А.Конов, В.Н.Хахалкин, Ю.В.Шапотковский, Патент РФ №2340046, опубл. 27.11.2008 Бюл. №33 (прототип)], отличающееся от вышеописанного тем, что его заземляемое основание и полосковые проводники выполнены металлическими, а между полосковыми проводниками резонаторов на поверхности подложки или над этими проводниками без гальванического контакта с ними расположена пленка из материала, обладающего высокотемпературной сверхпроводимостью, при этом указанные резонаторы выполнены с возможностью взаимной компенсации электрической и магнитной связи между ними на центральной частоте рабочей полосы устройства при нормальном состоянии указанной пленки. В данном устройстве в закрытом состоянии значительно большая, по сравнению с первым аналогом, доля мощности электромагнитной волны отражается от входа, а не поглощается им, что повышает предельно допустимую мощность СВЧ-колебаний, с которой оно может работать без выхода из строя.
2
Недостатком данного защитного устройства является то, что для обеспечения в нем широких, более 1%, относительных полос рабочих частот необходимо применять сравнительно большое количество материала из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП), и, как следствие, для понижения порога срабатывания применять большие по величине смещающие токи. Оценки показывают, что, например, для пленки ВТСП YBaCuO сечением 1×0.001 мм критический ток превышает 10 А.
Техническим результатом при использовании изобретения является увеличение относительной ширины полосы рабочих частот устройства и снижение порога его срабатывания в закрытое состояние.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом микрополосковом защитном устройстве, содержащем диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую нанесены полосковые проводники, образующие микрополосковые резонаторы, связанные между собой электромагнитно, а между полосковыми проводниками резонаторов на поверхности подложки или над этими проводниками без гальванического контакта с ними расположена пленка из материала, обладающего высокотемпературной сверхпроводимостью, при этом указанные резонаторы выполнены с взаимной компенсацией электрической и магнитной связи между ними на центральной частоте рабочей полосы устройства при нормальном состоянии указанной пленки, новым является то, что пленка образует замкнутый полосковый проводник.
Отличия от наиболее близкого аналога заключаются в том, что пленка выполнена не сплошной, а образует замкнутый полосковый проводник, например, в виде круглого или овального кольца, прямоугольной или иной формы рамки.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
- фиг.1 и 2 - конструкция защитного устройства с вариантами размещения управляющего элемента (полоскового проводника в форме рамки из пленки ВТСП) соответственно между проводниками резонаторов непосредственно на подложке и над проводниками резонаторов;
- фиг.3 - примеры топологии замкнутого полоскового проводника управляющего элемента устройства;
- фиг.4 - конфигурация высокочастотных токов и полей в режиме пропускания устройства;
- фиг.5 - частотные характеристики коэффициента передачи конкретной реализации устройства, демонстрирующие его работоспособность, для двух состояний ВТСП пленочного полоскового проводника управляющего элемента - сверхпроводящего и нормального;
- фиг.6-9 - варианты топологии полосковых проводников резонаторов устройства и размещения управляющего элемента.
Предлагаемое защитное устройство содержит диэлектрическую подложку 1 (фиг.1 и 2), на одну сторону которой нанесено заземляемое основание 2, а на вторую нанесены полосковые металлические проводники резонаторов 3. Выбор формы резонаторов в виде гантели обусловлен условием возможности реализации различия по знаку и равенства по модулю коэффициентов индуктивного и емкостного взаимодействия между резонаторами на резонансной частоте [Б.А.Беляев, Н.В.Лалетин, А.А.Лексиков. Коэффициенты связи нерегулярных микрополосковых резонаторов и частотно-селективные свойства двухзвенной секции на их основе. «Радиотехника и электроника», т.47, №1, 2002, с.14-23]. Физически это означает, что в такой структуре коэффициент связи резонаторов на резонансных частотах равен нулю, и на этих частотах практически вся мощность отражается от входа. Между резонаторами в области максимума высокочастотного магнитного поля расположен управляющий элемент, представляющий собой замкнутый полосковый проводник 4 из пленки высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП). Управляющий элемент может быть выполнен либо непосредственно на подложке (фиг.1), либо на собственной подложке и располагаться над проводниками резонаторов на некоторой, исключающей с ними гальванический контакт высоте (фиг.2).
Замкнутый полосковый проводник управляющего элемента может быть выполнен в форме круглого или овального кольца, либо прямоугольной рамки, либо рамки какой-либо иной формы. На фиг.3 приведено несколько примеров топологии замкнутого полоскового проводника.
Устройство имеет два режима работы. В первом из них, режиме пропускания, когда управляющий элемент находится в сверхпроводящем состоянии и его поверхностное сопротивление мало, высокочастотные магнитные поля входного резонатора наводят в рамке высокочастотные токи, которые, в свою очередь генерируют высокочастотные магнитные поля, индуцирующие высокочастотные токи в выходном резонаторе (см. фиг.4, где белыми стрелками изображены токи в резонаторах, черными - токи в рамке управляющего элемента, штрихованными линиями - силовые линии высокочастотного магнитного поля). Благодаря этому нарушается компенсация магнитного (индуктивного) и электрического (емкостного) взаимодействий между резонаторами, и коэффициент связи между ними становится отличным от нуля на величину, определяемую конкретными параметрами рамки. В результате устройство в этом режиме работает как полосно-пропускающий фильтр с малыми вносимыми потерями, ширина полосы пропускания которого определяется взаимодействием, обеспечиваемым управляющим элементом, т.е. конкретными геометрическими параметрами рамки. Во втором режиме, запертом, когда ВТСП пленка управляющего элемента находится в нормальном состоянии, ее поверхностное сопротивление велико, причем настолько, что компенсация коэффициентов индуктивного и емкостного взаимодействий им практически не нарушается, и полный коэффициент связи между резонаторами близок к нулю. Очевидно, что в этом случае практически вся мощность отражается от входа устройства.
Устройство работает следующим образом. При температурах ниже фазового перехода ВТСП пленки в сверхпроводящее состояние и невысоких уровнях мощности сигнала на входе устройства плотность тока, индуцируемого в рамке управляющего элемента, не превышает критического значения, и поверхностное сопротивление материала рамки мало. В этом случае управляющий элемент обеспечивает необходимый коэффициент связи между резонаторами, благодаря чему устройство работает в режиме полосно-пропускающего фильтра с малыми вносимыми потерями. При увеличении мощности на входе устройства до пороговой плотность тока, индуцируемого в рамке, превышает критическое для ВТСП значение, поверхностное сопротивление пленочного проводника возрастает скачком на несколько порядков вследствие перехода его в нормальное состояние. В этом случае коэффициент связи, обеспечиваемый управляющим элементом, близок к нулю, и коэффициент передачи устройства в полосе рабочих частот также очень мал, причем в основном благодаря тому, что практически вся СВЧ мощность отражается от входа.
На фиг.5 приведены амплитудно-частотные характеристики макета устройства для двух режимов работы: полосно-пропускающего фильтра (сплошная линия) и запертого (точки). Из фиг.5 следует, что относительная ширина полосы рабочих частот устройства равна почти 20% при вносимых потерях менее 1 дБ, а подавление в запертом состоянии не менее 30 дБ. При этом потери на отражение в режиме пропускания и запертом режиме составили менее -14 дБ и более -0.5 дБ соответственно, что свидетельствует о том, что почти 90% мощности отражается от входа устройства в запертом режиме. Следует отметить, что относительная ширина полосы рабочих частот в предлагаемом устройстве как минимум в четыре раза больше, чем в устройстве-прототипе.
2
3
Конструктивные параметры макета устройства были следующими. Подложка из поликора (ε=9.8) толщиной 0.5 мм. Ширина низкоомных участков нерегулярных проводников резонаторов 2.0 мм, высокоомных 0.6 мм. Длины этих участков одинаковые, при полной длине резонаторов 15.6 мм. Величина зазора между низкоомными участками 0.36 мм. Управляющий элемент представлял собой рамку с внешними размерами 5.2×2.5 мм и шириной образующей 0.1 мм, сформированную химическим травлением ВТСП пленки YbaCuO толщиной 1 мкм, осажденной на сапфировую подложку. Зазор между проводниками резонаторов и управляющим элементом примерно 0.05 мм. Макет устройства был изготовлен в корпусе-экране с внутренними размерами 20×8×6 мм. Ширина пленочного сверхпроводника управляющего элемента в данном случае более чем на порядок меньше, чем в устройстве-прототипе, поэтому очевидно, что критическая плотность тока наводится в нем меньшими по напряженности полями, а следовательно, и порог срабатывания в этом случае меньше. Кроме того, для понижения порога срабатывания в данном случае требуются и меньшие по силе смещающие токи.
Кроме резонаторов в форме гантели можно использовать в устройстве резонаторы в форме шпильки, на основе которых можно так же реализовывать двухзвенные структуры с компенсацией индуктивного и емкостного взаимодействий между резонаторами [Б.А.Беляев, A.M.Сержантов. Исследование коэффициентов связи шпильковых резонаторов. «Радиотехника и электроника», т.49, №1, 2004, с.24-31] и, следовательно, разрабатывать микрополосковые устройства на вышеописанном принципе. На фиг.6-9 приведены примеры реализации устройств защиты на основе резонаторов в форме шпильки с теми же обозначениями, что и на фиг.1 и 2. На фиг.6 и 8 управляющий элемент - пленочный ВТСП полосковый проводник - выполнен непосредственно на подложке устройства, а фиг.7 и 9 - на собственной подложке и расположен над проводниками резонаторов на расстоянии от них, исключающем гальванический контакт с ними.
Благодаря использованию управляющего элемента не в виде сплошной ВТСП пленки, в виде рамки из этого же материала достигается значительно большая величина связи между резонаторами устройства в режиме пропускания, что позволяет реализовывать более широкие рабочие полосы устройства. Кроме того, при прочих равных условиях, в таком управляющем элементе при работе устройства наводится больший по плотности высокочастотный ток, что снижает его порог срабатывания.