Дискретный СВЧ фазовращатель
DISCRETE MICROWAVE PHASE SHIFTER

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, в частности к проходным дискретным полупроводниковым фазовращателям, и может быть использовано в фазовых модуляторах, фазокомпенсаторах, фазированных антенных решетках и других радиотехнических устройствах для управления фазой электромагнитных колебаний.
Одной из основных характеристик проходных фазовращателей, определяющих сферу их применения, являются паразитные потери пропускания.
Известны схемы двухканальных фазовращателей, работа которых основана на поочередном включении посредством переключательных элементов (p-i-n диодов, полевых транзисторов, микроэлектромеханических переключателей) по команде управления в линию передачи сигнала двух фазосдвигающих цепей (ФСЦ), разница электрических длин которых обеспечивает необходимый фазовый дискрет за счет конечной скорости распространения электромагнитной волны в линии (см. Хижа Г.С. и др. СВЧ фазовращатели и переключатели: особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. М.: Радио и связь, 1984, с. 168). Однако в состав традиционных схем входят переключатели каналов, содержащие минимум по два переключательных элемента, что приводит к неизбежному увеличению потерь, поскольку паразитные потери пропускания обусловлены в основном потерями в этих элементах.
0
2
1
Наиболее близким к заявляемому фазовращателю является фазовращатель петлевого типа (см. Чижов А.И. Метод кратных импедансов в исследовании СВЧ цепей. М.: Радиотехника, 2014, с. 147-147). Топология такого устройства представлена на фиг. 1. ФСЦ известного фазовращателя представляет собой участок линии передачи 2 длиной  с волновым сопротивлением ρ, совпадающим с волновым сопротивлением линии 1, в которую включен фазовращатель, а к середине этого участка через диод Dподключен короткозамкнутый отрезок линии 3. Вход и выход ФЦС соединены через последовательно включенный диод D. Вход (выход) ФЦС фактически совпадает с местом (точкой) «Т» присоединения к ней управляющего элемента (диода).
1
2
0
1
0
При закрытых диодах СВЧ сигнал проходит без отражений по участку 2 линии 1. При этом диоды D и D имеют большое по сравнению с ρ сопротивление и не оказывают влияния на прохождение сигнала. В режиме открытых диодов СВЧ сигнал проходит через диод D, а участок (отрезок) 2 можно представить в виде подключенного к линии 1 шлейфа длиной 0,5 и волновым сопротивлением 0,5ρ. Данный шлейф с отрезком линии передачи 3 имеет электрическую длину ~λ/4 (представляет собой четвертьволновый резонатор) и практически не оказывает влияния на фазу СВЧ сигнала (λ - длина волны в линии передачи).
По сравнению с двухканальным фазовращателем число переключательных (управляющих) элементов в фазовращателе петлевого типа удается уменьшить до двух, однако его потери пропускания остаются значительными, что можно подтвердить численной оценкой их величины.
S
0
1
S
0
2
При оценке паразитных потерь пропускания известного фазовращателя в режиме открытых диодов можно считать, что потери в линиях передачи пренебрежимо малы, диоды в открытом состоянии представляют собой активное сопротивление R=2 Ом и ρ=50 Ом. Потери в диоде D зависят только от соотношения R и ρ и составляют ~0,17 дБ. Потери в диоде Dзависят также от соотношения длин и волновых сопротивлений отрезков 2 и 3.
0
S
0
S
2
1
2
2
Для дискрета 180° электрическая длина отрезка 2 составит ~λ/2, а длина отрезка 3 - ноль. Эквивалентное сопротивление, параллельно подключенное к линии 1, шлейфа длиной λ/4 с волновым сопротивлением 0,5ρ, нагруженного на R, составит ρ/4R. Соответственно, потери сигнала в этом сопротивлении (т.е. в диоде D) составят ~0,64 дБ. Суммарные потери в диодах D и D составят ~0,81 дБ.
0
2
0
S
2
1
2
2
Для дискрета 90° (в режиме открытых диодов) электрическая длина участка (отрезка) 2 составит λ/4. Если допустить, что волновое сопротивление отрезка 3 равно 0,5 ρ, то электрические длины сложенного вдвое отрезка 2 и отрезка 3 одинаковы. Используя известное выражение для входного импеданса длинной линии, нагруженной на сопротивление, отрезки линии 2,3 и диод D можно заменить подключенным параллельно линии 1 эквивалентным сопротивлением, величиной ρ/2R. Соответственно потери в диоде D составят ~0,33 дБ, а в целом потери фазовращателя в диодах D и D для дискрета 90° составят ~0,5 дБ.
Техническим эффектом, на достижение которого направлено предлагаемое решение, является снижение паразитных потерь пропускания.
0
0
Этот эффект достигается тем, что в дискретном СВЧ фазовращателе проходного типа, согласованном с волновым сопротивлением ρ основной линии передачи, выполненном на основе соединения отрезков линии передачи и управляющих элементов, преимущественно диодов, вход и выход фазосдвигающей цепи которого соединены через управляющий элемент, фазосдвигающая цепь фазовращателя содержит фильтр нижних частот в виде последовательного соединения трех (в случае дискрета более 90°) или двух (в случае дискрета, меньшего или равного 90°) отрезков линии передачи, к местам (точкам) соединения которых подключены шлейфы (шлейф), причем их свободные концы (концы центральных проводников) соединены по СВЧ с корпусом (экраном) через управляющие элементы, геометрические параметры упомянутых отрезков и шлейфов (шлейфа) выбраны из условия обеспечения четвертьволновой электрической длины каждой линии передачи от входа (выхода) фазосдвигающей цепи до ближайшей точки соединения с корпусом (экраном), а волновые сопротивления этих отрезков превышают ρ.
0
Между как входом, так и выходом фазовращающей цепи и примыкающими к ним высокоомными отрезками могут быть последовательно включены отрезки линии передачи с волновым сопротивлением ρ.
В случае дискрета, меньшего или равного 90°, между управляющим элементом и корпусом (экраном) последовательно по СВЧ может быть включен отрезок линии передачи.
К месту (точке) соединения каждого из упомянутых выше шлейфов с соответствующим управляющим элементом может быть подключен разомкнутый отрезок линии передачи.
Важной особенностью предложенного фазовращателя является использование в его фазосдвигающей цепи ФНЧ, представляющего собой последовательно-параллельное соединение отрезков линии передачи. Такие фильтры при изменении в достаточно широких пределах длин и соответствующих волновых сопротивлений этих отрезков могут сохранять свои характеристики, в т.ч. электрическую длину, определяющую сдвиг фазы. Данное свойство обеспечивает возможность снижения потерь фазовращателя за счет реализации необходимых значений длин и волновых сопротивлений составляющих ФНЧ элементов.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 2а представлено схематическое изображение предлагаемого фазовращателя с дискретом меньше или равным 90°, где:
1 - основная линия передачи;
2, 2' - отрезки линии передачи;
3 - шлейф;
1
2
D и D - управляющие элементы (диоды).
0
1
1
0
2
2
2
Фазовращатель, представленный на фиг. 2а, включен в основную линию передачи 1 с волновым сопротивлением ρ, вход и выход его ФСЦ соединены через диод D. ФСЦ включает ФНЧ, выполненный в виде двух примерно одинаковых последовательно соединенных отрезков линии передачи 2 и 2' с волновым сопротивлением ρ больше ρ, к месту (точке) соединения которых подключен шлейф 3 с волновым сопротивлением ρ, и его свободный конец (конец центрального проводника) соединен с корпусом через диод D. Электрическая длина линии передачи от входа (выхода) ФСЦ до соединения с корпусом через отрезки 2(2'), 3 и диод D приблизительно равна λ/4 (λ - длина волны в отрезке линии передачи).
Такой фазовращатель работает следующим образом.
1
2
S
1
s
0
При выключенных диодах СВЧ сигнал проходит по ФСЦ, в которой отрезки линии 2(2') носят индуктивный характер, а отрезок 3 имеет емкостный характер. Методика расчетов параметров образованного этими отрезками и шлейфом ФНЧ известна. Диоды D и D представляют собой большое сопротивление и не влияют на коэффициент передачи. При включении управляющего сигнала диоды будут иметь сопротивление R. В этом случае СВЧ сигнал проходит через диод D. ФСЦ можно представить в виде короткозамкнутого через R отрезка линии передачи с электрической длиной, равной приблизительно λ/4, подсоединенного к линии передачи 1, который представляет большое сопротивление по сравнению с ρ и не влияет на прохождение СВЧ сигнала.
1
2
Рассматриваемая схема эффективна, если ФНЧ в ФСЦ имеет фазовый сдвиг, близкий или превосходящий величину заданного дискрета фазовращателя. Изменяя ρ и ρ отрезков, а также соотношения их длин, можно реализовать фазовращатель с фазовым сдвигом до 90°.
0
Для увеличения полосы пропускания фазовращателя целесообразно включить в состав ФСЦ на входе и выходе отрезки линий передачи 4 с волновым сопротивлением ρ, при этом суммарная электрическая длина отрезков 2(2'), 3, 4 должна быть приблизительно равна λ/4. Такой фазовращатель представлен на фиг. 2б.
2
В некоторых случаях для разрядов с малыми дискретами целесообразно между диодами D и корпусом (экраном) установить отрезок проводника (или линии передачи) 5 в связи с ограниченными технологическими возможностями реализации сопротивлений более 100 Ом, как указано на фиг. 2в. Длина этого отрезка зависит от величины дискрета фазовращателя, но и в этом случае суммарная электрическая длина отрезков 2(2'), 3, 4, 5 должна быть приблизительно равна λ/4.
2
При реализации фазовращателя может оказаться, что расчетная суммарная электрическая длина отрезков 2(2') и 3 при максимальных волновых сопротивлениях может превзойти λ/4. В этом случае к месту (точке) соединения отрезка 3 и диода D можно присоединить дополнительную емкость в виде отрезка линии передачи, при которой реализуется необходимая характеристика ФНЧ (см. фиг. 2г).
На фиг. 3а представлена схема фазовращателя для дискретов более 90°, где:
1 - основная линия передачи;
2, 5, 2' - отрезки линии передачи в составе ФНЧ;
3, 3' - шлейфы;
1
2
3
D, D, D - управляющие элементы (диоды).
0
2
3
ФНЧ в составе такого фазовращателя выполнен в виде трех последовательно соединенных отрезков линии передачи 2, 5, 2' с волновым сопротивлением более ρ, к местам (точкам) соединения которых подключены шлейфы 3 и 3', соединенные свободными концами с корпусом (экраном) через управляющие элементы D и D. Электрическая длина линии передачи, включающая отрезки 2 и 3 (2' и 3') на фиг. 3а и 2, 3, 4 (2', 3', 4') на фиг. 3б, 3в приблизительно равна четверти длины волны в этой линии передачи. Отрезки 4, 4' и 6, 6' аналогичны конструктивно и по назначению отрезкам 4 и 6 на фиг. 2б и 2г соответственно. Очевидно, что схема на фиг. 3а должна быть приблизительно симметричной, а отрезки 2 и 2' и шлейфы 3 и 3' по размерам попарно приблизительно равны между собой.
1
2
1
2
2
S
2
S
0
S
2
1
2
1
2
2
Для оценки потерь пропускания предлагаемого фазовращателя для дискрета 90° в случае открытых диодов D и D по схеме на фиг. 2а удобно выбрать ρ=2ρ. В этом случае отрезки 2(2') и 3 можно представить в виде шлейфа с электрической длиной ~λ/4 и волновым сопротивлением ρ. Следует отметить, что в реальной конструкции длина отрезка 2(2') существенно меньше длины отрезка 3. Эквивалентное сопротивление этого шлейфа, подключенного к линии 1 и нагруженного на сопротивление R, составляет ρ/R. Для значения ρ=50 Ом, R=2 Ом, ρ=80 Ом потери в диоде D составляют ~0,17 дБ, потери в диоде D~0,06 дБ, общие потери фазовращателя в диодах D и D составляют ~0,23 дБ, что существенно меньше, чем у фазовращателя-прототипа для дискрета 90°.
1
2
3
2
3
1
1
2
3
Можно также оценить потери пропускания фазовращателя для дискрета 180° в случае открытых диодов D, D и D (фиг. 3а) при тех же условиях, что для дискрета 90°, указанных выше. Потери в диодах D и D составляют ~0,06 дБ в каждом, в диоде D~0,17 дБ. Таким образом, общие потери фазовращателя в диодах D, D и D составляют 0,29 дБ, что существенно ниже, чем у фазовращателя-прототипа для дискрета 180°.
0
Как следует из приведенных выше расчетов, выполнение отрезков передающей линии и шлейфов, образующих ФНЧ, с максимально возможным, заведомо превышающим ρ, волновым сопротивлением и геометрическими параметрами, обеспечивающими четвертьволновую электрическую длину каждой линии передачи от входа (выхода) ФСЦ до ближайшей точки соединения с корпусом (экраном), являются необходимым условием максимального снижения потерь пропускания предлагаемого фазовращателя.
Пример реализации.
Разработан и изготовлен фазовращатель с дискретом 90°, предназначенный для работы в S-диапазоне частоты. Устройство выполнено на поликоровой подложке толщиной 0,5 мм, установленной на металлическом основании. Ширина отрезков линии передачи ~0,5 мм, высокоомных отрезков и шлейфа ~0,12 мм. В качестве переключательных элементов использованы диоды MA4L001-134 фирмы М/А-СОМ. Паразитные потери в центре полосы пропускания составляют ~0,3 дБ при токе управления 10 mA, потери при закрытых диодах составляют ~0,15 дБ.