Сверхвысокочастотный выключатель
MICROWAVE SWITCH

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и, в частности, к микрополосковым линиям передачи, в которых установлены полупроводниковые диоды, предназначенным для защиты линии от СВЧ сигналов большой мощности. Принцип работы выключателя основан на различии характеристик полупроводниковых диодов при подаче на них прямого или обратного смещения.
Известно полосковое устройство, состоящее из линии передачи и p-i-n диодов, один конец которых заземлен, а другой через ответвитель связан с линией. Развязка между цепями подачи смещения на диоды и СВЧ трактом осуществляется посредством проходных фильтров, образованных четвертьволновыми отрезками полосковых линий с сильной электромагнитной связью (см. Устройство электронного управления лучом фазированных антенных решеток. "Зарубежная радиоэлектроника", №1, 1976 г., стр. 68).
Недостатком данного устройства является сложность его конструкции и недостаточно высокая коммутируемая мощность, технологические трудности при микрополосковом исполнении, так как для обеспечения сильной электромагнитной связи между четвертьволновыми отрезками линии необходимо обеспечить зазор между ними, не превышающий нескольких десятков микрон, что ограничивает применение таких устройств при импульсных мощностях в линии более 1 кВт (низкая электрическая прочность зазора на пробой). Результаты экспериментальных исследований такого устройства показывают, что допустимая максимальная импульсная падающая мощность в согласованном тракте не более 1,0 кВт.
Известен микрополосковый 4-канальный переключатель на p-i-n диодах (Вопросы специальной радиоэлектроники. Серия общетехническая (ОТ), выпуск 12, 1973 г.).
Для развязки в цепи питания применены навесные индуктивности и емкости. Паразитные параметры навесных элементов ограничивают применение переключателя на частотах, превышающих 3,0 Гц, сужают полосу частот, вносят большие потери в режиме пропускания. Применяемая в переключателе навесная емкость, типа К10-9-100 пф (пригодная для включения в микрополосковые устройства) имеет допустимое напряжение, не превышающее 25 В, что значительно снижает допустимую импульсную мощность СВЧ сигнала. Экспериментальные данные показывают, что полоса рабочих частот переключателя составляет 150 мГц, а потери в режиме пропускания 1,5 дБ.
Для заграждения пути постоянного тока п/п диодов в устройствах СВЧ можно применять устройство, выполненное на отрезках линии передачи (см. пат. США №3805198, пат. Японии №52-32938, пат. ФРГ №2352712). Однако использование таких устройств ограничено низким уровнем допустимой импульсной мощности, с одной стороны, и сложностью технологического изготовления - с другой стороны.
Известно также СВЧ устройство, выбранное за прототип, состоящее из микрополосковой линии передачи, полупроводниковых диодов, установленных в линии, и цепи подачи смещения на диоды (см. пат. США №3768050, 1973 г., H01p 3/08). Полупроводниковый диод включен одним концом в линию передачи, а другим на площадку, имеющую емкостную связь с металлической заземленной пластиной. Емкостная связь позволяет осуществить подачу на п/п диод прямого или обратного смещения от источника питания. Обратный вывод цепи подачи смещения выполнен в виде низкочастотного фильтра, подключенного к линии передачи.
В режиме прямого смещения полупроводниковый диод представляет собой малое сопротивление, и тем самым происходит замыкание СВЧ сигнала через емкостную связь на металлическую пластину. При этом СВЧ сигнал на выходе выключателя будет ослаблен. В режиме обратного смещения диод имеет большое сопротивление и СВЧ сигнал проходит на выход выключателя. Параметры выключателя в режиме прямого и обратного смещения определяются типом полупроводникового диода и конструкцией выключателя.
Недостатком прототипа является сравнительно небольшая как средняя, так и импульсная мощности СВЧ сигнала, которую может коммутировать полупроводниковый диод, гальванически не связан с заземленной металлической пластиной, что значительно ограничивает условия охлаждения диода. Кроме этого в такой конструкции могут быть применены только бескорпусные полупроводниковые диоды, например p-i-n диоды, известные типы которых не обладают большим допустимым обратным напряжением, что снижает допустимую импульсную мощность СВЧ сигнала.
Целью предлагаемого изобретения является создание СВЧ полупроводникового выключателя на большие уровни мощности в серийно-способном простом микрополосковом исполнении. Поставленная цель достигается тем, что в выключателе, содержащем микрополосковую линию передачи, полупроводниковые диоды подключены одним концом к линии, а другим непосредственно к металлической заземленной пластине, при этом в качестве развязки между цепью подачи смещения на диоды и линией предлагаются конструкции, выполненные на отрезках микрополосковой линии, связанных продольной щелью. Такое выполнение приводит к тому, что в режиме прямого смещения полупроводниковые диоды рассеивают тепловую энергию, выделяемую в них при коммутации СВЧ мощности непосредственно на металлическую заземленную пластину, что значительно улучшает охлаждение полупроводниковой структуры, а тем самым дает возможность повысить коммутируемую среднюю мощность. Кроме того, такое исполнение выключателя повысило допустимую импульсную мощность СВЧ сигнала, позволило свести к минимуму потери сигнала в нем в режиме пропускания, а также упростить технологию изготовления конструкции для заграждения пути постоянного тока, по сравнению с устройствами, описанными выше.
На чертеже изображена конструкция микрополоскового выключателя выполненная, например, на p-i-n диодах 1, количество которых может быть в общем произвольным. P-i-n диоды подключены одним концом к линии 2, а другим концом непосредственно к металлической заземленной пластине 3, расположенной на обратной стороне диэлектрической подложки микрополосковой линии. Линия 2 разорвана, концы ее 4 и 5 (шлейфы) длиной λ/4 загнуты под углом меньше 45° вниз относительно продольной оси .
На расстоянии S=0,3÷0,8 мм от линии 2 размещены продолжения входной 6 и выходной 7 линии, концы которой 8 и 9 (шлейфы) длиной λ/4 отогнуты под углом меньше 45° вверх от продольной оси .
В металлической заземленной пластине 3 в месте изгиба четвертьволновых отрезков вдоль оси бб и вв выполнены щели 10 и 11 длиной λ/2.
Подача смещения на p-i-n диоды от источника питания осуществляется через низкочастотный фильтр 12, выполненный на отрезках линии.
Устройство работает следующим образом: на вход подается СВЧ сигнал, который возбуждает между металлической заземленной пластиной в микрополосковой линии 6 ТЕМ-волну. Разомкнутый четвертьволновой шлейф 8 создает короткое замыкание для волны вблизи поперечной оси симметрии щелевого полуволнового резонатора 10, благодаря чему последний возбуждается и, в свою очередь, возбуждает ТЕМ волну в разомкнутом шлейфе 4, а затем в микрополосковой линии 2.
Аналогичные процессы возникают в шлейфах 5, 9 и полуволновом щелевом резонаторе 11. При подаче обратного напряжения на p-i-n диоды (последние обладают большим сопротивлением), микрополосковая линия практически не шунтируется и СВЧ сигнал проходит со входа на выход с малыми потерями.
При подаче на диоды прямого смещения диоды открываются, сопротивление их равняется 0,5÷1 Ом, поэтому они шунтируют линию передачи.
Коммутирующий СВЧ сигнал большой мощности отражается к генератору в плоскости включения I диода (частично в плоскости включения II диода). Благодаря тому, что один конец p-i-n диода непосредственно соединен с металлической заземленной пластиной, созданы хорошие условия для отвода в окружающее пространство рассеиваемой на диоде мощности СВЧ сигнала.
Эти условия можно еще больше улучшить, если к этому же концу диода гальванически подсоединить радиатор, выполненный из материала, обладающего высокой теплопроводностью.
Таким образом, в предлагаемом авторами выключателе, выполненном, например, на p-i-n диодах типа 2А509 (первый вариант) и на диодах 2А523А (второй вариант), средняя коммутируемая мощность СВЧ сигнала была увеличена до 30 Вт, что превышает аналогичный показатель в известных микрополосковых выключателях в (3÷10 раз).
При этом проявляется еще очень важный эффект - увеличение коммутируемой импульсной мощности СВЧ сигнала.
Это достигается тем, что зазор S может варьироваться в широких пределах (0,3-0,8 мм), так как при этом основное условие возбуждения щелевого резонатора - нахождение входа разомкнутых шлейфов 8, 9 в максимуме - напряжение поля стоячей волны щелевого резонатора практически не изменяется.
В предлагаемом устройстве зазор S был выбран равным 0,4 мм, исходя из допустимой импульсной мощности СВЧ сигнала
имп.раб.
имп.пробивной
P = 2÷2,5 кВт; Р = 4 кВт.
Допустимая мощность СВЧ сигнала для щелевой линии шириной 0,4 мм примерно соответствует этой цифре.
Допустимая импульсная мощность для известных микрополосковых конструкций выключателя не превышает 700 Вт. Экспериментальные исследования выключателя показали, что потери в режиме пропускания ≤0,5 дБ, потери в режиме запирания при суммарном токе 100 мА через оба p-i-n диода ≥30 дБ, полоса частот ≥400 МГц, быстродействие ≤0,5 мкс для первого варианта и ≤2,5 мкс для второго варианта.
Таким образом, подключение диода непосредственно к металлической заземленной пластине в совокупности с предлагаемой новой конструкцией заграждения пути постоянного тока дает основной эффект: увеличение коммутируемой мощности в микрополосковом полупроводниковом выключателе СВЧ сигнала в (3÷10 раз).
Кроме улучшения параметров весьма важным достоинством предлагаемого устройства является простота технологии его изготовления, соответственно, малая стоимость, так как в конструкции нет связанных микрополосковых линий с малыми зазорами между полосками, которые трудновыполнимы (например, если применять конструкции, предлагаемые в пат. США №3805198 и пат. Японии №52-32938).
Нет необходимости применять сложную технологию напыления (например, как предложенные в пат. ФРГ №2352712).