Кодово-импульсный модулятор сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний в виде многослойной поверхности Мебиуса с p-i-n-диодами

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к конструкции устройств сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, предназначенных для генерации, преобразования, приема и передачи электромагнитных колебаний с кодово-импульсной модуляцией частоты.

Известен емкостной контур [1], предназначенный для преобразования энергии непосредственно либо в механическую, либо электрическую.

Недостатком известного контура является то, что он представляет собой только электрическую емкость, а не полноценный колебательный контур, состоящий из емкости и индуктивности с возможностью изменения величины емкости для дискретного изменения частоты колебаний.

Целью изобретения является решение технической задачи по формированию кодово-импульсной модуляции частоты за счет дискретного изменения величины емкости в колебательном контуре.

Особенностью заявленного модулятора является его способность генерировать стоячую или бегущую волну при кодово-импульсной модуляции за счет изменения емкостных характеристик колебательного контура в виде двух структур металл-диэлектрик-металл с возможностью их объединения или разъединения при помощи p-i-n-диодов.

Модулятор представляет собой замкнутую поверхность Мебиуса, образованную многослойной структурой в виде металл-диэлектрик-металл-p-i-n-диоды-металл-диэлектрик-металл, представленную на фиг. 1 (геометрические размеры обозначены как радиус поперечного сечения r и половина длины витка индуктивности в виде ).

Техническим результатом является изменение резонансных характеристик в режимах бегущей и стоячей волны за счет подключения или отключения дополнительных обкладок к емкости в модуляторе при помощи p-i-n-диодов.

Указанный технический результат достигается тем, что в модуляторе используется поверхность Мебиуса многослойной структуры металл-диэлектрик-металл-p-i-n-диоды-металл-диэлектрик-металл, причем в каждом сечении такой поверхности имеется емкостная составляющая, образованная прямоугольным диэлектриком с двух противоположных сторон покрытых металлическими обкладками. Через p-i-n-диоды имеется возможность подключения или отключения дополнительной обкладки таким образом, что емкость будет дискретно увеличиваться или уменьшаться (индуктивность при этом будет оставаться неизменной). Замыкание в виде односторонней поверхности Мебиуса из этих двух металлических обкладок формирует одну металлическую обкладку в виде двух витков короткозамкнутой индуктивности.

Указанные признаки взаимосвязаны между собой и являются существенными для получения требуемого технического результата в виде изменения резонансных характеристик в режимах бегущей и стоячей волны за счет подключения или отключения дополнительных обкладок к емкости в модуляторе при помощи p-i-n-диодов.

Модулятор сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний, в виде поверхности Мебиуса многослойной структуры металл-диэлектрик-металл-p-i-n-диоды-металл-диэлектрик-металл, представляет собой замкнутую многослойную структуру с перекрученными обкладками на один поворот 180 градусов. На фиг. 2 изображен разрез кольца Мебиуса, на котором показано, как металлические обкладки 1 вокруг диэлектрика 2 формируют емкостную составляющую контура и каким образом внешняя обкладка переходит во внутреннюю, а внутренняя во внешнюю. При этом две обкладки превращаются в одну, которая имеет форму индуктивности, состоящей из двух короткозамкнутых витков. Кроме того, показано, каким образом p-i-n-диоды позволяют подключать или отключать дополнительную обкладку. Лента Мебиуса может быть более узкой (диоды закрыты) или более широкой (диоды открыты) в зависимости от полярности поданного постоянного напряжения на диоды между внутренней основной и внешней дополнительной обкладками.

На фиг. 3 поясняется формирование колебательного контура из емкости и двухвитковой индуктивности с применением p-i-n-диодов для осуществления технического результата в виде изменения резонансных характеристик в режимах бегущей и стоячей волны за счет подключения или отключения дополнительных обкладок к емкости в модуляторе при помощи p-i-n-диодов.

Работает модулятор следующим образом: в любом сечении модулятора присутствует емкостная компонента в виде двух металлических обкладок 1 по противоположным сторонам диэлектрической поверхности 2. Величина емкости зависит от диэлектрической проницаемости изолятора его толщины h (расстояние между металлическими обкладками), ширины обкладок d и длины, причем длина обкладки соответствует длине одного витка контура. При открытых p-i-n-диодах обкладка будет шире на величину Δd, а емкость больше. Индуктивность представляет собой двухвитковую короткозамкнутую конструкцию соленоида, индуцирующую магнитное поле в зависимости от магнитной проницаемости диэлектрика, величины поперечного сечения контура и длины металлической обкладки. Так как ширина обкладки не влияет на индуктивность, то открыты или закрыты p-i-n-диоды, также не влияет на величину индуктивности. Индуктивность и емкость формируют совместно колебательный контур. При изменении ширины или толщины диэлектрика и обкладок параметры индуктивности будут сохраняться, а у емкости будут изменяться. Таким образом, имеется возможность независимого подбора частоты электромагнитных колебаний в модуляторе. За счет подключения дополнительной обкладки при помощи p-i-n-диодов емкость может быть дискретно изменена, что, в свою очередь, приведет к изменению резонансной частоты контура и позволит реализовать кодово-импульсную частотную модуляцию.

Расчет электрофизических параметров модулятора (индуктивности, емкости и частоты) можно провести по следующим формулам [2]:

где L - индуктивность, μ₀ - магнитная постоянная, μ - относительная магнитная проницаемость, N - число витков, S - площадь сечения контура, -длина катушки в метрах. Если

тогда, после подстановки получим:

Подставив данное значение в формулу индуктивности для N=2 виткам, получим:

Емкость колебательного контура модулятора равна:

где С - емкость, ε - диэлектрическая проницаемость, ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, h - толщина диэлектрика, - длина обкладки, d - ширина основной обкладки емкости, Δd - ширина дополнительной обкладки (подключается и с одной, и с другой стороны к основной обкладке одновременно при напряжении открытия р-i-n-диодов U=1 и отключается при U=0).

Подставляя эти значения в формулу по вычислению частоты колебательного контура

получим:

Таким образом, можно рассчитать обе частоты для модулятора СВЧ электромагнитных колебаний в виде поверхности Мебиуса многослойной структуры металл-диэлектрик-металл-p-i-n-диоды-металл-диэлектрик-металл с дискретным изменением частоты колебаний.

После расчета требуемых параметров модулятора СВЧ его можно изготовить при помощи аддитивных технологий на 3D-принтере.

Модулятор СВЧ электромагнитных колебаний в виде поверхности Мебиуса многослойной структуры металл-диэлектрик-металл-p-i-n-диоды-металл-диэлектрик-металл с дискретным изменением частоты колебаний может быть применен в системах связи и радиолокации. Целесообразно использовать модулятор во входных цепях цифровых активных фазированных антенных решеток.

Литература

1. Патент РФ на изобретение №2353995. Емкостной контур / Игнатов Б.Н. Опубл. 27.04.2009.

2. Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1984.