полупроводниковое свч-устройство

Формула изобретения

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ СВЧ-УСТРОЙСТВО, содержащее отрезок прямоугольного волновода с первыми металлическими клинообразными гребнями на его широких стенках и установленной между ними в Е-плоскости отрезка прямоугольного волновода на его оси симметрии щелевой линией с полупроводниковыми элементами, которые включены в ней на расстоянии / 4 один от другого, где - длина волны в волноводе, и согласующие переходы, отличающееся тем, что, с целью уменьшения зависимости коэффициента передачи от амплитуды и фазы коэффциента отражения нагрузки, на узких стенках отрезка волновода размещены вторые введенные металлические усеченные клинообразные гребни, боковые стороны которых параллельны близлежащим сторонам первых гребней, зазор между усеченными вершинами вторых гребней выбран не более / 4 , а расстояние между боковыми близлежащими сторонами первых и вторых гребней не менее / 20.

2.СВЧ-устройство по п.1, отличающееся тем, что согласующие переходы выполнены в виде одного - двух четвертьволновых отрезков волноводов, включающих усеченные клинообразные металлические гребни на их широких стенках и образующих ступеньки по высоте гребней и ширине отрезка прямоугольного волновода, при этом плоскости боковых сторон вторых гребней в согласующих переходах совпадают с соответствующими сторонами первых гребней.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования и технике СВЧ в различных волноводах полупроводниковых СВЧ-устройствах, в том числе в анттенюаторах, модуляторах, смесителях, детекторах.

Известны полупроводниковые СВЧ-устройства [1], содержащие отрезок прямоугольного волновода, в Е-плоскости которого по его продольной оси установлена металлодиэлектрическая вставка со щелевой линией, в которой установлены полупроводниковые элементы на расстоянии друг от друга менее четверти длины волны. Такие устройства обладают рядом технологических достоинств и обеспечивают хорошее согласование полупроводниковых элементов в широкой полосе рабочих частот.

Известны также полупроводниковые СВЧ управляющие устройства в волноводном исполнении, например аттенюаторы [2], в которых, с целью увеличения развязки применены металлические вставки, уменьшающие ширину волновода на участке со щелевой линией.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа управляющее устройство [3], в котором использованы металлические гребни на широких стенках волновода, имеющие клинообразную форму в поперечном сечении, между которыми установлена щелевая линия с полупроводниковыми элементами, размещенными в ее щели. Такие гребни позволяют уменьшить потери СВЧ-устройстве за счет улучшения распределения вектора напряженности и электрического поля в волноводе со щелевой линией.

Недостатками указанных аналогов и прототипа являются значительное влияние коэффициента отражения нагрузок на коэффициент передачи СВЧ-устройства, а также на основные параметры, в том числе начальные потери, развязку. Это определяет такие недостатки, как взаимное влияние СВЧ-устройств, ухудшающее начальные потери и развязку при их каскадном включении; паразитную амплитудную модуляцию СВЧ-устройства при фазомодулированном СВЧ-сигнале. Указанные недостатки вызваны возникновением высших типов волн в отрезке волновода со щелевой линией вблизи его узких стенок за счет взаимодействия СВЧ-волн с неоднородностями, которыми в данном случае являются полупроводниковые элементы.

Целью изобретения является уменьшение зависимости коэффициента передачи полупроводникового СВЧ-устройства от амплитуды и фазы коэффициента отражения нагрузки.

Цель достигается тем, что в полупроводником СВЧ-устройстве, содержащем отрезок прямоугольного волновода с первыми металлическими клинообразными гребнями, расположенными на его широких стенках с установленной между ними в Е-плоскости отрезка прямоугольного волновода на его оси симметрии щелевой линией с полупроводниковым элементами, которые включены в ней на четверть волновом расстоянии друг от друга, и согласующие переходы, согласно изобретению на узких стенках отрезка волновода размещены вторые металлические клинообразные усеченные гребни, боковые стороны которых параллельны близлежащим сторонам первых гребней и щелевой линии, длина вторых гребней равна длине первых гребней, зазор между усеченными вершинами вторых гребней не более _в/4, а расстояние между боковыми близлежащими сторонами первых и вторых гребней не менее _в/20.

Кроме того, указанный эффект усиливается за счет следующих отличительных признаков: согласующие переходы выполнены из одного-двух четвертьволновых отрезков волноводов, включающих усеченные клинообразные металлические гребни на их широких стенках и образующих ступеньки по высоте первых гребней и ширине волновода; плоскости боковых сторон гребней в согласующих перехода совпадают с соответствующими сторонами первых гребней.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых признаков. Указанные отличительные пpизнаки обеспечивают соответствие изобретению критерию "новизна". Эти отличительные признаки позволяют уменьшить зависимость коэффициента передачи полупроводникового СВЧ-устройства от амплитуды и фазы коэффициента отражения нагрузки по следующим причинам.

Введение дополнительных гребней и размещение их на узких стенках отрезка волновода препятствует преобразованию волн основного типа Н₁₀ в высшие типы, так как дополнительные гребни заполняют (экранируют) области волновода, в которых эти типы волн могут возникнуть. При этом форма дополнительных гребней, а именно параллельность их сторон близлежащим сторонам основных гребней и щелевой линии, позволяет создать благоприятные условия для распространения волн Н₁₀, обеспечивая минимальные потери при подавлении волн высших типов.

Поскольку преобразования волн основного типа Н₁₀ в высшие типы связаны с резкими резонансными изменениями коэффициента передачи, резонансная частота и амплитуда которых зависят от амплитуды и фазы коэффициента отражения нагрузки, то устранение возможности этих преобразований соответственно уменьшает зависимость коэффициента передачи СВЧ-устройства от коэффициента отражения нагрузки.

Равенство длины вторых металлических гребней с первыми гребнями обеспечивает за счет краевых эффектов дополнительную компенсацию реактивности крайних полупроводниковых элементов и краев щелей линии, при этом достигается улучшение согласования этих полупроводниковых элементов и, следовательно, уменьшается зависимость коэффициента передачи СВЧ-устройства от коэффициента отражения нагрузки.

Выполнение зазора между усеченными вершинами вторых гребней не более _в/4, а расстояние между боковыми близлежащими сторонами первых и вторых гребней не менее _в/20 обеспечивает более равномерное распределение волн Н₁₀ по сечению волновода за счет частичного перераспределения с помощью вторых гребней напряженности поля волн Н₁₀ на периферийные области волновода и одновременно ухудшает условия распространения волн высших порядков в этих областях.

Указанные соотношения выбраны с учетом зазора между первыми гребнями, который составляет не более _в/10, т.е. таким образом выполняется приблизительно известное соотношение 1:2 высоты и ширины центрального участка волновода со щелевой линией, важное для волн Н₁₀ с точки зрения согласования волновых сопротивлений и обеспечения ограничения размеров вторых гребней.

Выполнение согласующих переходов из одного- двух четвертьволновых отрезков волноводов, содержащих усеченные клинообразные металлические гребни на их широких стенках и образующих ступеньки на высоте первых гребней и ширине волновода, позволяет концентрировать за счет краевых эффектов значительную часть электромагнитного поля на ступеньках и таким образом достичь эффект перераспределения вектора напряженности электромагнитного поля вдоль волновода. При этом напряженность поля на полупроводниковых элементах уменьшается и соответственно уменьшается влияние коэффициента передачи СВЧ-устройства от коэффициента отражения нагрузки.

Наличие в согласующих переходах двух четвертьволновых отрезков волноводов получить полосу пропускания СВЧ-устройства, соответствующую полному диапазону частот волновода, выполнение согласующих переходов на одном четвертьволновом отрезке волновода приводит к получению более узковолоконного устройства. При этом следует отметить, что увеличение количества четвертьволноводных отрезков в согласующих переходах приводит к ослаблению положительного эффекта.

Размеры ступенек по высоте гребней и ширине волновода в согласующих переходах выбирают из условия обеспечения заданной функции изменения волнового сопротивления и одноволновости в каждом из четвертьволновых отрезков согласующих переходов.

Совпадение плоскостей боковых сторон гребней в согласующих переходах с соответствующими сторонами первых гребней позволяет улучшить согласование отрезка волновода со щелевой линией со стандартным волноводом за счет большей однородности волн в этих отрезках волноводов и согласующих переходах. При этом достижение большей однородности волн на стыках обеспечивает меньшие преобразования волн в высшие типы и, следовательно, меньшую зависимость коэффициента передачи СВЧ-устройства от коэффициента отражения нагрузки.

Таким образом, все отличительные признаки в совокупности обеспечивают получение заявляемого положительного эффекта.

Сравнение заявляемого решения с прототипом и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них в совокупности признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг.1, 2 и 3 схематически изображено предлагаемое полупроводниковое СВЧ-устройство.

Примером конкретного выполнения полупроводникового СВЧ-устройства является широкополостный быстродействующий СВЧ-аттенюатор, содержащий отрезок прямоугольного волновода 1 с первыми металлическими гребнями 2, 3 клинообразной формы в поперечном сечении, расположенными на его широких стенках, установленную между ними в Е-плоскости отрезка прямоугольного волновода 1 на его оси симметрии щелевую линию 4, размещенную на диэлектрической подложке, например, из полиимидной пленки, продольная ось которой совпадает с продольной осью отрезка прямоугольного волновода. В щелевую линию включены pin= диоды 5, размещенные на расстоянии _в/4 друг от друга. На входе и выходе устройства выполнены согласующие переходы 6. На узких стенках волновода 1 размещены вторые металлические усеченные клинообразные гребни 7,8, ширина которых у узких стенок равна их ширине и боковые стороны которых параллельны близлежащим сторонам первых гребней 2,3. Длина вторых металлических гребней 7,8 равна длине первых гребней 2,3. Зазор между усеченными вершинами вторых гребней 7,8 приблизительно составляет _в/4, а расстояние между боковыми противоположными сторонами первых гребней составляет пpиблизительно _в/20. Согласующие переходы 6 включают в себя четвертьволновых отрезка 9,10 волновода, содержащих усеченные клинообразные металлические гребни на их широких стенках и образующих ступеньки 11,12 по высоте гребней и ступеньки 13,14 по ширине волновода. При этом боковые стороны гребней в согласующих переходах совпадают с соответствующими сторонами первых гребней, а размеры ступенек 11,12 по высоте гребней и ступеньке 13,14 по ширине волновода в согласующих переходах выбраны такими, чтобы выполнялось Чебышевская функция изменения волновых сопротивлений стандартного волновода и волноводно-щелевой линии (см. Альтман Дж. Устройства СВЧ, перевод./Под ред. Н.В.Лебедева -М.:Мир, 1968).

Изолированный от корпуса ввод 15 питания обеспечивает подачу питания на полупроводниковые элементы 5. В качестве управляющих полупроводниковых элементов, например, использованы pin-диоды с балочными выводами.

Аттенюатор работает следующим образом.

В режиме пропускания СВЧ-сигнала по отсутствии тока через pin-диоды 5 СВЧ-сигнал проходит по щелевой линии 4 с минимальными потерями. В режиме запирания аттенюатора при подаче напряжения прямого смещения на ввод 15 питания через pin-диоды протекает прямой ток, обеспечивающий их низкоомное состояние и соответствующее запирание СВЧ-сигнала.

Таким образом, за счет введения вторых гребней определенной формы и согласующих переходов, выполненных с указанными выше отличиями, по сравнению с прототипом получен положительный эффект - уменьшение влияния коэффициента отражения нагрузки на коэффициент передачи СВЧ-устройства. Проявление этого эффекта наблюдается также в уменьшении неравномерности частотных характеристик начальных потерь и развязки в несколько раз по сравнению с известными устройствами. Кроме того, уменьшается влияние СВЧ-устройств при их каскадном включении, что позволяет применять такие устройства без дополнительных развязывающих вентилей при необходимости достижения высоких развязок. Предложенное техническое решение позволяет также уменьшить габариты устройства за счет уменьшения длины согласующих переходов.