РЕЗОНАНСНОЕ СВЧ УСТРОЙСТВО

РЕЗОНАНСНОЕ СВЧ УСТРОЙСТВО
Полезная модель относитоя к технике СВЧ и может использоваться для создания управляющих устройств волноведущих систем: управляемьк аттеньюаторов, переключателей и модуляторов в коротковолновой части СВЧ диапазона.
Известно резонансное СВЧ устройство (А.С.СССР N 1391409, МКИ:Н01Р 1/22, опубликованное 16.02.86 г.), содержащее отрезок волновода, в котором расположен полупроводниковый элемент в виде параллельных полосок, нанесенных на диэлектрическую подложку, площадь которой равна площади поперечного сечения волновода. Смежные концы полупроводниковых полосок подключены к источнику импульсного напряжения, превышающего пороговое поле ударной ионизации в полупроводниковом материале.
Недостатком этого устройства является большие прямые потери мощности, вносимые перекрывающими волноводный тракт полупроводниковыми полосками. Кроме того, известное устройство практически сложноосуществимо из-за характерной зависимости ослабления, вносимого ионизированными полупроводниковыми элементами от частоты СВЧ поля. В данном случае ослабление максимально на низких частотах и быстро убывает с ростом частоты.
Известно также резонансное СВЧ устройство (А.С.СССР N 1084917, МКИ:Н01Р 1/22, опубликованное 07.04.84 г.), содержащее резонансный элемент в волноводе, образованный системой сегнетоэлектрических элементов, перпендикулярных широкой стенке волновода и имеющих диаметр d.
HOIP 1/22
определяемый из условия:
где - длина волны в волноводе, s - макоимальная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрических элементов.
Данное устройство имеет высокий уровень ограничения на больших мощностях, однако оно сравнительно узкополосно, практически нереализуемо в коротковолновой области СВЧ диапазона и требует применения термостата.
Известно также резонансное СВЧ устройство (А.С. N 1568119 ,МКИ: Н01Р 1/15, опубликованное 30.05.90 г.), содержащее отрезок прямоугольного волновода, в поперечном сечении которого размещена металлическая диафрагма с установленной в ее средней части полупроводниковой структурой. При низком уровне проходящей мощности сигнал проходит через устройство с минимальным ослаблением. Когда проходяпря мощность достигает порогового значения, при котором возникает процесс ударной ионизации в полупроводниковой структуре, проходящий сигнал отражается, ослабление максимально.
Недостатком данного устройства является невозможность управления его резонансной характеристикой и уровнем ослабления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является резонансное СВЧ устройство (Н.А.Семенов, Техническая электродинамика,М.: Связь, 1973, С.337.), содержащее реактивный элемент в волноводе в форме ме- 2 2  d
Т S7t
таллического штыря с механизмом его перемещения, одним концом соединенного оо стенкой волновода.
К его недостаткам относится невозможность достаточно быстрого управления его резонаноной характеристикой и уровнем вносимого ослабления.
Задачей заявляемого решения является повьш1ение скорости управления частотой резонанса и уровнем ослабления.
Она достигается тем, что в резонансном СВЧ устройстве, содержащем управляюшдй элемент, волновод и размещенный в нем резонш- ный реактивный элемент, выполненный в виде штыря из полупроводникового материала, соединенного одним основанием со стенкой волновода, управляюш iй элемент в виде источника ионизирующего напряжения соединен с противоположным основание штыря.
Кроме того заявляется вариант резонансного СВЧ устройства с расположением штыря в центральной части волновода перпендикулярно его широкой стенке в максимуме электрического поля волны типа НюЗаявляется вариант резонансного СВЧ устройства с плошэдью основания полупроводникового штыря, соединенного со стенкой волновода, меньшей площэди основания, подключенного к управляющему элементу.
Заявляется вариант выполнения резонансного СВЧ устройства с резонансным реактивным элементом , состояш ш из двух полупроводниковых штырей различной длины, размещенных в плоскости поперечного сечения волновода, причем один из полупроводниковых штырей располс/жен Б
- э центре волновода, перпендикулярно его широкой стенке в максимуме электрического поля волны типа Ню , а второй у стенки волновода в макс1шуме электрического поля волны Н20.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где представлено:
фиг.1-3 -функциональная схема заявляемого
устройства;
фиг.4 - график зависимости ослабления от частоты для нерезонансного элемента, полностью перекрывающего ВОЛНОВОД;
фиг.5,6 -графики зависимости ослабления СВЧ волны от расположения резонансного реактивного элемента;
фиг.7 - завиоимость ослабления СВЧ поля от частоты при размещении в плоскости поперечного сечения волновода двух полупроводниковых штырей различной длины.
Устройство состоит из отрезка волновода 1 (фиг.1 -3),в плоскости поперечного сечения которого расположен резонансный реактивный элемент в виде полупроводникового штыря - 2, расположенного в центре волновода перпендикулярно его широкой стенке. На полупроводниковый штырь через неотражаюш га контакт -3 подается импульсное напряжение от управляющего элемента -4 (источник ионизирующего напряжения), превышающее пороговое поле ударной ионизации в данном полупроводниковом материале.
- 4 водниковый штырь-2 через контакт -3 от управляющего элемента -4 подается импульс напряжения, превышающий напряженность порогового поля ударной ионизации в данном полупроводниковом материале. При этом в полупроводнике развивается процесс ударной ионизации, приводящий к резкому ( на 3-4 порядка) росту концентрации свободных носителей, т.е. полупроводниковый элемент резко меняет свое сопротивление, что приводит к нарушению в области штыря баланса между электрической и магнитной энергиями, существующего в бегущей волне. При этом часть электромагнитного поля волны преобразуется в реактивное электрическое или магнитное поле. Эквивалентная схема такой системы представляет собой последовательное включение емкости и индуктивности. На определенной частоте, определяемой размером и размещением полупроводникового штыря реактивная проводимость системы становится бесконечной, что приводит к полному отражению электромагнитной волны от резонансного реактивного элемента (Фиг.7. кривая - ж).
При выполнении пло1щци основания полупроводникового штыря,соединенного со стенкой волновода меньшим плошэди основания, подключенного к управляющему элементу при подаче на полупроводниковый штырь ионизирующего напряжения процесс ударной ионизации инициируется у нижнего основания штыря и по мере увеличения ионизирующего напряжения плазма равномерно заполняет обьем полупроводникового штыря (фиг.2.).
- 5 ройство работает аналогичным образом: на полупроводниковые штыри- 2,5 подается через контакты 3 от управляющего элемента 4 импульс напряжения, превышающй пороговое поле для данного полупроводника. При этом в полупроводнике развивается процесс ударной ионизации. На определенной частоте, определяемой размерами и размещением полупроводниковых штырей наступает резонанс и реактивная проводимость системы становится бесконечной, что соответствует полному отражению электромагнитной волны от системы штырей (фиг.7. кривая а).
При отсутствии ионизируюш,его напряжения полупроводниковые штыри практически не ослабляют СВЧ поле.
Существует функциональное отличие предлагаемого резонансного реактивного элемента выполненного в виде полупроводникового штыря (или системы двух штырей) от набора перекрывающих волновод полупроводниковых полосок. В реактивном поле замыьсающего волновод ионизированного полупроводника преобладает магнитная составляюшэя, что эквивалентно включению в сечение волноводного тракта шунтирующей индуктивности. Фактически такой полупроводниковый элемент создает два запреде.11ьных участка, с чем связан максимум ослаблешш L(f) на низких частотах и резкий его спад в облэоттл высоких частот ( фиг. 4.).
Такой ход кривой L(f) (фиг.4.) связан с фундаментальными физическими причинами и увеличение ослабления на высоких частотах возможно только при уменьшении сечения волноводного тракта. Увеличение обьема полупроводника (или использование большего числа полосок) уве- 6 личивает вносимое в режиме ударной ионизации затухание, однако при этом недопустимо возрастает и начальное ослабление .
Принципиальным решением, изменяющим физику взаимодействия СВЧ волны о полупроводниковым элементом является построение полупроводниковой резонансной системы в данном случае , управляемого ударной ионизацией полупроводникового резонансного реактивного элемента. Эквивалентная схема ионизированного полупроводникового штыря с концентрацией свободных носителей п -v 10 см представляет собой последовательно включенные емкость и индуктивность. Подобный полупроводниковый элемент, находящийся в волноводе и соединенный с его отенкой , создает значительное реактивное поле за счет токов проводимости, наведенных в нем падающей СВЧ волной. При определенной длине полупроводника - h наступает резонанс и его реактивная проводимость становится бесконечной.
В примерах использовались образщл InSb с концентрацией электронов при температуре жидкого азота п 2  . Использование узкозонного материала в данном случае не принципиально и связано с сравнительно невысоким значением напряженности ионизирующего поля (Еп  250 В/см) в этом материале. На полупроводниковый образец подавались ионизирующие импульсы длительностью от 0,01 до 0,5 МКС ( время развития процесса ударной ионизации в антимониде индия 10 с) при этом концектрацйя свободных носителей увеличивалась до Б 10- .
- 7 Графики зависимости ослабления, вносимого ионизированным полупроводниковым элементом, от его расположения в стандщ)тном волноведущем тракте 8-ми мм диапазона представлены на фиг.5,6 (кривые а,г - («) 29 ГГц; кривые б,д - 0)  35 ГГц; кривые в,е - о)  37 ГГц). Здесь нужно отметить характерную особенность: при длине полупроводника h  3,1 мм (S  0,8x0,1 мм) ослабление максимально при размещении полупроводника в центре волновода (фиг.5.)| что соответствует ослаблению основного типа колебаний Ню- При h 3.1 мм характер зависимости ослабления меняется - наблюдается зависимость L(l) (кривая- г на фиг.6 ) , которая связана с ослаблением колебаний типа Н20- График зависимости ослабления, вносимого ионизированным полупроводником, от частоты при расположении полупроводникового штыря длиной h  3,0 мм в центре волноводного тракта, представлен на фиг.7.(кривая-ж) Максимальное ослабление СВЧ сигнала в данном случае достигается на частоте о)  32,8 ГГц и составляет  30 Дб, при этом прямые потери, вносимые неионизированным полупроводником, не превышают 2 Дб (кривая- и, фиг.7.).
Наибольший интерес с точки зрения возможных практических приложений представляет эффект перестройки резонансной частоты при ударной ионизации размещенных в плоскости поперечного сечения двух полупроводниковых штырей различной длины. В данном случае полупроводниковый штырь с высотой h 3.0 мм размещен в центре волновода, а второй полупроЕодниковый штырь с ,2 мм у
- 8 стенки волновода в области , соответствующей максимуму ослабления L(l) на фиг.6. (кривая- г). Изменяя подаваемое на полупроводниковые элементы ионизирующее напряжение, можно в широких пределах управлять резонансной характеристикой системы полупроводниковых штырей. Рассмотренные зависимости получены при модуляции непрерывного СВЧ сигнала и в режиме ограничения СВЧ импульса ( последний отличается тем, что ионизирующее напряжение подается на полупроводник одновременно с СВЧ импульсом).
Предлагаемое резонансное СВЧ устройство может иметь ряд очевидных приложений в СВЧ технике, связанных с созданием управляемых ударной ионизацией аттеньюаторов, переключателей (система реактивных полупроводниковых штырей слабо поглощает СВЧ мощность) и модуляторов в коротковолновой части СВЧ диапазона. Верхний предел импу.льоной  системы резонансных полупроводниковых штырей , в отличие от СВЧ диодов, ограничивается только средней ра1зсеиваемой мощностью и может составлять десятки киловатт в импу.аьсе.
Для обоснсвания преимуществ заявляемого устройства проведено сравнение его характеристик с аналогичными п аметрами прототипа и аналога, в качестве которого выбран ферритовый реактивный отражающий элемент, входящий в состав СВЧ фильтра ( АС СССР N698082, МКИ : Н01Р 1/ 20, опубликовано 1979 г)(см. Таблицу 1).
- 9 Таблица 1
1Управление I Инерционность I Частотный 1 II диапазон
магнитным
аналог полем
Прототип механическое
Заявляемое импульсным устройство напряжением
Сравнение заявляемого устройства с аналогом и прототипом показало, что предлагаемое техническое решение позволяет существенно повысить скорость управления электродинамическими параметрами элемента, а также обладает новыми функциональными возможностями.
с
неэффективен при использовании в ММ и CJMM участке спектра
применяется в устройствах ММ диапазона
9
не меньше чем у базового обьекта и прототипа