РЕЗОНАНСНЫЙ ВОЛНОВОДНЫЙ РАЗРЯДНИК ЗАЩИТЫ ПРИЁМНИКА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛЯ РАБОТЫ В ЖЁСТКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ

Полезная модель относится к радиоэлектронике и может использоваться в радиолокации, аппаратуре связи и телекоммуникаций.
В настоящее время в миллиметровом диапазоне с целью повышения информативности радиотехнических комплексов начинают широко применяться жесткие электрические режимы, в частности режим с повышенной длительностью импульса от нескольких микросекунд и более, вместо применявшихся ранее длительностей до 1 мкс. При этом для переключения антенны радиолокатора из режима передачи в режим приема используются традиционные конструкции антенных переключателей, в которых для защиты приемников используются защитные устройства на базе резонансных разрядников и полупроводниковых диодов (Ропий А.И., Старик A.M., Шутов К.К. «Сверхвысокочастотные защитные устройства», изд. «Сов. радио», Москва, 1993, стр. 10-11).
Применение полупроводниковых защитных устройств при работе с повышенной длительностью импульса в миллиметровом диапазоне (особенно при больших величинах импульсной мощности) практически исключается, так как невозможно обеспечить эффективный теплоотвод от полупроводниковой структуры, что приводит к чрезмерному перегреву диодов и выходу их из строя.
Поэтому единственной альтернативой для разработки устройств защиты приемника, предназначенных для работы при повышенной длительности импульса в миллиметровом диапазоне, является применение газоразрядных приборов СВЧ или резонансных разрядников.
Упрощенная конструкция резонансного разрядника защиты приемника волноводного типа приведена на фиг. 1 (Резонансные разрядники антенных переключателей», под ред. И.В. Лебедева, изд. «Сов. радио», Москва, 1976, стр. 27).
Разрядник представляет собой отрезок волновода 2 с герметизирующими резонансными окнами связи 1, наполненный разреженным газом 3, внутри которого размещены металлические резонансные диафрагмы 4, 5 с зазорами в виде конусов для облегчения зажигания разряда.
В режиме передачи мощности в антенну разряд, возникающий на внутренней поверхности входного окна, практически эквивалентен металлической поверхности, закорачивающей вход разрядника.
В режиме приема разрядник имеет плоскую частотную характеристику полосно-пропускающего фильтра.
Недостатком такой конструкции при работе с повышенной длительностью СВЧ импульса является невозможность обеспечить требуемую долговечность из-за роста потерь в режиме приема в процессе работы.
Эффект увеличения потерь объясняется следующим.
В момент зажигания разряда в конусном зазоре входное окно находится в максимуме СВЧ поля, так как оно расположено на расстоянии четверти длины волны от конусного зазора, что способствует возникновению («зажиганию») разряда на входном окне разрядника с внутренней стороны, и делает разряд более интенсивным. В этом разряде выделяется практически вся рассеиваемся мощность.
Основным деградирующим процессом, ограничивающим долговечность разрядника, является вызываемое разрядом распыление металла с контура металлической поверхности самого окна и попадание частиц металла на диэлектрическую поверхность входного окна. Этот эффект тем сильнее, чем больше длительность импульса и входная импульсная мощность.
Это приводит к увеличению потерь пропускания разрядника в режиме приема сигнала, что резко снижает его долговечность. Наиболее сильно это проявляется в миллиметровом диапазоне, где геометрические размеры резонансных окон связи малы.
Экспериментальная проверка работоспособности резонансного разрядника 8 мм диапазона, выполненного согласно фиг.1, при длительности импульса 10 мкс показала, что уже через 150 часов наработки потери в режиме приема возрастают с 0,5 до 1,5 дБ, что недопустимо, так как увеличивается коэффициент шума приемника и, соответственно, уменьшается дальность действия РЛС.
Аналоги заявленной полезной модели не известны.
Целью данной полезной модели является увеличение долговечности резонансных разрядников защиты приемника миллиметрового диапазона, предназначенных для работы в жестких электрических режимах, в частности для работы при повышенной длительности СВЧ импульса.
Поставленная цель достигается тем, что волноводный резонансный разрядник, содержащий отрезок волновода с герметизирующими резонансными окнами связи, наполненный разреженным газом, металлические резонансные диафрагмы, электрические расстояния между которыми равны четверти длины волны в волноводе, соответствующей центральной частоте рабочего диапазона, отличается тем, что металлические резонансные диафрагмы выполнены без конусных зазоров, например, в виде прямоугольной щели, а электрическое расстояние между входным резонансным окном и первой по ходу мощности металлической резонансной диафрагмой равно половине указанной выше длины волны в волноводе.
Упрощенная конструкция резонансного разрядника согласно предлагаемой полезной модели приведена на фиг. 2, а, б.
Предлагаемая полезная модель представляет собой резонансный разрядник в виде отрезка волновода 2 с герметизирующими окнами 1, наполненный разреженным газом 3, внутри которого размещены металлические резонансные диафрагмы 4, 5, электрическое расстояние между которыми равно четверти длины волны в волноводе, соответствующей центральной частоте рабочего диапазона, при этом металлические резонансные диафрагмы выполнены без конусных зазоров в виде прямоугольной щели (фиг. 2, б), а электрическое расстояние между входным резонансным окном и первой по ходу мощности металлической резонансной диафрагмой равно половине указанной выше длины волны в волноводе.
Предложенная конструкция работает следующим образом.
При подаче СВЧ мощности на разрядник первоначально возникает разряд на прямоугольной щели первой резонансной диафрагмы, а затем разряд «переходит» на входное окно.
При возникновении разряда на первой диафрагме электрическое поле в плоскости входного окна минимально, так как окно и диафрагма разнесены на расстояние половины длины волны, что практически исключает «зажигание» разряда на входном окне разрядника и минимизирует распыление с поверхности металлического контура окна и попадание частиц металла на диэлектрическую поверхность окна, что в итоге увеличивает долговечность разрядника.
Дополнительно следует отметить, что в предлагаемой конструкции прибора, с целью уменьшения распыления резонансных диафрагм, сами резонансные диафрагмы выполнены с прямоугольными зазорами (щелями) с существенным увеличенным зазором (0,3 мм вместо 0,1 мм в случае использования конусных диафрагм). Такая конструкция резонансной диафрагмы в виде прямоугольной щели увеличивает мощность зажигания разрядника, однако, это увеличение легко может быть скорректировано, например, с помощью полупроводникового ограничителя, включаемого между разрядником и малошумящим усилителем (МШУ).
Экспериментальная проверка работоспособности предложенной полезной модели была проведена в 8 мм диапазоне длин волн.
Конструктивно разрядник был выполнен, согласно фиг. 2а, на волноводном тракте сечением 7,2×3,4 мм, в качестве окон связи разрядника были использованы поликоровые пластины толщиной 0,3 мм. Металлические резонансные диафрагмы были выполнены из листовой меди толщиной 0,3 мм, зазор щели составлял 0,3 мм. Расстояние между диафрагмами составляло 2,5 мм, а между входным окном и первой металлической диафрагмой - 5 мм.
В качестве разреженного газа было использовано типовое наполнение из смеси газов: аргон, пары тритиевой воды и дейтерий.
и
и
В процессе испытаний контролировались потери разрядника в зависимости от времени наработки. Испытания проводились при величине импульсной мощности Р=100 Вт, длительности импульса τ=10 мкс и скважности Q=10.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Из представленных данных следует, что за 500 часов работы потери разрядника практически не изменились.
Следует отметить, что типовая долговечность разрядников миллиметрового диапазона, работающих при короткой длительности импульса (не более 0,5.…1 мкс), составляет 500 часов.
Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает аналогичную долговечность при длительности импульса 10 мкс.
Полученные результаты показывают работоспособность предложенной полезной модели и ее перспективность для разработки разрядников для жестких электрических режимов, в частности для разрядников миллиметрового диапазона, предназначенных для работы при повышенной длительности импульса.