СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ФАЗОЙ ВОЛНОВОДНОГО ФАЗОВРАЩАТЕЛЯ
METHOD AND APPARATUS FOR ELECTRICAL CONTROL OF PHASE OF WAVEGUIDE PHASE CHANGER

Изобретение относится к области радиотехники сверхвысоких частот (СВЧ), а более конкретно, к волноводным фазовращателям и предназначено, главным образом, для построения антенных решеток с электронным сканированием луча, например, миллиметрового диапазона длин волн.
Пример антенной решетки с электронным сканированием луча [Mather J.C., Conway C.M., West J.B., Lehtola G.E., Wichgers J.M. Construction Approach for An EMXT-based Phased Array Antenna // US Patent, Patent No.: US 6,822,617 B1, Nov. 23, 2004 - 1] осуществлен на основе фазовращающих волноводных устройств с электромагнитным кристаллом - electromagnetic crystal (EMXT), называемых в литературе также EBG-фазовращателями (electromagnetic band gap - EBG) и PBG-фазовращателями (photonic band gap - PBG). Волноводная секция таких фазовращателей имеет прямоугольное сечение и выполняется в виде боковых EMXT стенок и проводящих (металлических) верхних и нижних стенок. Каждое из множества EMXT фазовращающих устройств, входящих в состав антенной решетки, требует подачи напряжения смещения и заземления для управления фазовым сдвигом. Управление фазовым сдвигом EMXT фазовращающих устройств в итоге и позволяет осуществлять электронное сканирование луча антенной решетки.
Известен аналог предложенного способа управления фазой волноводного фазовращателя (прототип способа) - волноводный фазовращатель с механическим управлением фазой [Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1988, с.152 - 2], включающий сжимную секцию прямоугольного волновода. Способ управления фазой в таком фазовращателе состоит в уменьшении ширины волновода путем приложения механических сил к узким стенкам волновода, что на заданной рабочей частоте приводит к уменьшению электрической длины сжимной секции (благодаря увеличению длины волны в волноводе), т.е. при сжатии обеспечивается получение опережающего сдвига фазы по сравнению с распространением волны в несжатом волноводе. Основным недостатком такого способа является низкая скорость управления, ограниченная скоростью приложения механических сил.
Наиболее близким аналогом предложенного устройства (прототипом устройства) является волноводный фазовращатель с электрическим управлением фазой [Higgins J.A., Xin H., Sailer A., Rosker M. Ka-Band Waveguide Phase Shifter Using Tunable Electromagnetic Crystal Sidewalls // IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 51, NO. 4, APRIL 2003, pp.1281-1288 - 3] с использованием стенок волновода, выполненных из электромагнитного кристалла ЕМХТ - двумерных периодических структур, обеспечивающих создание высокоимпедансных поверхностей при резонансе. Управление фазой в таком фазовращателе достигается электрической перестройкой резонансной частоты электромагнитного кристалла путем изменения напряжения смещения, приводящего к изменению импедансных условий на боковых стенках прямоугольного волновода, что в свою очередь и обеспечивает сдвиг фазы. Причем, благодаря особой структуре электромагнитных кристаллов, рабочей является поперечная электромагнитная волна (ТЕМ-волна), возбуждаемая в ЕМХТ волноводе. ТЕМ-волна по своей природе не имеет «отсечки» - запредельного режима, поэтому поперечное сечение ЕМХТ волновода может быть сколь угодно малым при резонансе в электромагнитном кристалле и при этом поддерживать перенос энергии ТЕМ-волной. Недостатком такого фазовращателя является высокий уровень вносимых потерь, обусловленный потерями в электромагнитном кристалле на рабочих частотах.
Целью настоящего изобретения является снижение вносимых потерь волноводного фазовращателя при быстром электрическом управлении фазой.
Для достижения указанной цели предлагается способ, при котором электромагнитную волну поперечно-электрического типа (ТЕ-волну) в распространяющемся режиме на частотах выше частоты отсечки, преимущественно миллиметрового диапазона длин волн, пропускают через секцию прямоугольного волновода.
Согласно изобретению, к указанной секции прямоугольного волновода подают управляющее электрическое напряжение и при этом изменяют эффективную ширину волновода путем шунтирования поперечных СВЧ токов в проводящих стенках волновода посредством перемыкающих противоположные стенки указанного волновода варакторов, управляемых вышеуказанным электрическим напряжением и действующих в нерезонансном режиме. Изменяя управляющее электрическое напряжение, подаваемое на варакторы, увеличивают величину их емкости, а по мере увеличения емкости частично или практически полностью шунтируют прохождение поперечных электрических СВЧ токов в стенках прямоугольного волновода, уменьшая тем самым эффективную ширину прямоугольного волновода. Благодаря изменению эффективной ширины волновода осуществляют и управление длиной ТЕ-волны, распространяющейся в волноводе, что, при неизменной геометрической длине секции, обеспечивает управляемое изменение электрической длины указанной секции прямоугольного волновода. При уменьшении эффективной ширины прямоугольного волновода на заданной рабочей частоте увеличивается длина пропускаемой ТЕ-волны (иными словами, уменьшается электрическая длина секции волновода), что как и в отмеченном выше прототипе - волноводном фазовращателе на основе механически сжимной секции волновода [2], обеспечивает получение опережающего сдвига фазы и малые вносимые потери, но при этом электрическое управление обеспечивает также и высокую скорость изменения фазы. Таким образом обеспечивают быстрое электрическое управление фазой пропускаемой волны на выходе указанной секции волновода с малыми вносимыми потерями.
Для достижения цели настоящего изобретения предлагается устройство, которое содержит прямоугольный волновод и внешний источник управляющего электрического напряжения.
Согласно изобретению, в полость указанного волновода, ограниченную проводящей поверхностью верхней стенки, проводящей поверхностью нижней стенки и противоположными проводящими поверхностями первой и второй боковых стенок, продольно включена по крайней мере одна варакторная вставка вдоль по крайней мере одной из указанных боковых стенок, выполненная из диэлектрической пластины с нанесенными на одну из ее поверхностей по крайней мере двумя продольными проводящими полосками, и имеющая по крайней мере один зазор между указанными полосками, в который помещен по крайней мере один варактор контактирующий своими электродами с указанными полосками, причем, ко всем указанным полоскам гальванически подключен вышеуказанный источник управляющего электрического напряжения, размещенный вне указанной полости волновода, а ближайшая к указанной верхней стенке волновода полоска соединена по СВЧ току с указанной верхней стенкой и ближайшая к указанной нижней стенке волновода полоска соединена по СВЧ току с указанной нижней стенкой. Включение в отрезок волновода, пропускающего ТЕ-волну в продольном направлении, варакторной вставки в продольном направлении, благодаря электрически управляемому увеличению емкости позволяет уменьшать эффективную ширину прямоугольного волновода путем частичного или практически полного шунтирования прохождения поперечных электрических СВЧ токов в узких стенках прямоугольного волновода. В отличие от отмеченного выше прототипа [3], где в качестве замены узких стенок волновода использован электромагнитный кристалл ЕМХТ для поддержания пропускания поперечной ТЕМ-волны вдоль узких стенок, в предлагаемом устройстве сохранены проводящие (металлические) узкие стенки волновода и используется поперечно-электрическая ТЕ-волна, большая часть переносимой мощности которой сосредоточена посередине полости волновода, что позволяет снизить вносимые потери. В отличие от электромагнитного кристалла ЕМХТ, работающего в существенно резонансном режиме, необходимом для поддержания ТЕМ-волны, варакторная вставка предлагаемого устройства является емкостным элементом и поэтому не проявляет резонансных свойств на рабочих частотах, что также позволяет снизить вносимые потери устройства фазовращателя в целом. Высокая скорость управления фазой предлагаемого устройства определяется скоростью изменения емкости варакторов при соответствующем изменении управляющего напряжения.
Сравнение с известными техническими решениями показывает, что сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа и устройства соответствует критерию новизны и изобретательского уровня.
Изобретение поясняется на фигурах 1-8:
На фиг.1 показана схема включения варакторов в секцию прямоугольного волновода вдоль одной боковой стенки согласно осуществлению настоящего изобретения.
На фиг.2 показана схема включения варакторов в секцию прямоугольного волновода вдоль двух боковых стенок согласно осуществлению настоящего изобретения.
На фиг.3 показано мгновенное распределение СВЧ тока по стенкам секции прямоугольного волновода при прохождении те) о волны согласно осуществлению настоящего изобретения.
На фиг.4 показаны дисперсионные характеристики пропускаемой ТЕ-волны через секцию прямоугольного волновода согласно осуществлению настоящего изобретения.
На фиг.5 показан общий вид устройства электрического управления фазой волноводного фазовращателя согласно осуществлению настоящего изобретения.
На фиг.6 показана варакторная вставка с двумя рядами варакторов согласно осуществлению настоящего изобретения.
На фиг.7 показана варакторная вставка с четырьмя рядами варакторов согласно осуществлению настоящего изобретения.
На фиг.8 показана варакторная вставка с одним рядом варакторов согласно осуществлению настоящего изобретения.
10
max
10
max
max
min
По предлагаемому способу, как показано на фиг.1 и 2, поперечно-электрическую ТЕ-волну, предпочтительно волну типа ТЕ, пропускают через секцию прямоугольного волновода 1, шириной a, выбираемой таким образом, чтобы указанная ТЕ-волна оказалась распространяющейся, т.е. чтобы рабочие частоты лежали выше частоты отсечки в волноводе. Например, для волны ТЕ ширина a должна составлять более половины длины электромагнитной волны в свободном пространстве на наименьшей из рабочих частот. Иными словами, ширина волновода a должна быть больше половины критической длины волны. При этом секция волновода 1 должна содержать множество варакторов 2, включенных по крайней мере вдоль одной из узких стенок волновода 3, и перемыкающих по СВЧ току широкие стенки волновода 4. Расстояние a между линией варакторов 2, и дальней узкой стенкой 3 (фиг.1), либо между двумя линиями варакторов 2, в случае их включения вдоль обеих узких стенок волновода 3 (фиг.2), также должно быть больше половины критической длины волны.
min
max
min
min
max
10
max
max
min
max
max
min
Изменяя управляющее электрическое напряжение, подаваемое на варакторы 2, варьируют величиной их емкости в интервале C - C, где приближают значение C к нулю настолько, насколько это возможно. При значении варьируемой емкости C, близкой к нулю, влияние варакторов 2 на распространение пропускаемой ТЕ-волны минимально и волна проходит секцию волновода 1 практически так же, как и в обычном полом прямоугольном волноводе шириной a. Для волны ТЕ мгновенное распределение СВЧ тока в стенках волновода схематично показано на фиг.3. При максимальной емкости C варакторы 2 практически полностью шунтируют поперечные электрические СВЧ токи в узких стенках прямоугольного волновода, уменьшая тем самым эффективную ширину прямоугольного волновода до значения близкого к a. Для всех варьируемых значений емкости варакторов 2 из интервала C - C, соответствующая эффективная ширина волновода оказывается в пределах интервала a - a.
max
min
max
min
10
1
2
0
max
min
10
max
min
Для различной эффективной ширины волновода получают и различную дисперсионную характеристику пропускаемой ТЕ-волны - зависимость постоянной распространения γ=2π/λ от частоты F (фиг.4), где λ - длина волны в волноводе. Кривая 21 на фиг.4 соответствует дисперсионной характеристике при эффективной ширине волновода a, а кривая 22 - при a. Показана также штриховая прямая 23, соответствующая поперечной ТЕМ-волне без отсечки, которая не может распространяться в обычном прямоугольном волноводе. В отличие от ТЕМ-волны, постоянная распространения γ=2π/λ ТЕ-волны нелинейно зависит от частоты F (кривые 21 и 22). При эффективной ширине волновода a (a) поперечно-электрическая волна ТЕ пропускаемая через волноводную секцию 1 имеет отсечку на частоте F (F), соответственно. А на рабочей частоте F, при эффективной ширине волновода a (a), постоянная распространения волны ТЕ составляет γ (γ), соответственно.
min
max
0
max
min
0
max
min
min
max
Таким образом, изменяя управляющее электрическое напряжение, варьируют емкости варакторов 2 в интервале C - C, и тем самым получают изменение длины волны в волноводе на рабочей частоте F в пределах 2π/γ - 2π/γ, что при неизменной геометрической длине волновода обеспечивает управление фазой пропускаемой ТЕ-волны на выходе волноводной секции 1. Иными словами, электрическим образом уменьшая эффективную ширину прямоугольного волновода на заданной рабочей частоте F, уменьшают и электрическую длину секции волновода 1, и тем самым обеспечивают получение опережающего сдвига фазы пропускаемой ТЕ-волны на выходе волноводной секции 1. Запаздывающий сдвиг фазы обеспечивают обратным путем - изменяя управляющее напряжение так, чтобы емкость варакторов 2 уменьшалась по сравнению с ее максимальным значением C вплоть до C, увеличивают эффективную ширину волновода в интервале от a до a, что и приводит к увеличению электрической длины секции волновода на заданной частоте, а значит пропускаемая ТЕ-волна оказывается с запаздывающей фазой на выходе волноводной секции 1.
Пример предлагаемого устройства электрического управления фазой волноводного фазовращателя показан на фиг.5 и содержит корпус 30, предпочтительно состоящий из проводящих (металлических) частей 31, 32, 33, 34, сжимаемых винтами 35 таким образом, что внутренняя полость корпуса 30 образует волноводный канал 36, ограниченный верхней стенкой из грани части 31, нижней стенкой из грани части 32, и двумя боковыми стенками, формируемыми пазами в частях 33 и 34. В корпус 30 зажимаются также и размещаемые в указанных пазах частей 33 и 34 варакторные вставки 37, к которым через сквозные отверстия 38 в боковых частях 33 и 34 корпуса 30, подается проводящий (металлический) провод 39 с диэлектрическим покрытием 40, как показано на фиг.5. Провод 39 в отверстии 38 образует фильтр нижних частот. Поперечное сечение волноводного канала 36 в данном примере осуществления настоящего изобретения несколько отличается от обычного прямоугольного из-за варакторных вставок 37, однако это отличие не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения, поскольку по электродинамическим характеристикам сечение остается близким к прямоугольному. Волноводный канал 36, может иметь не только близкое к прямоугольному, но и близкое к квадратному поперечное сечение, когда высота узких (боковых) стенок равна ширине широких (верхней и нижней) стенок волновода, что также не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения. Для формирования прецизионных размеров поперечного сечения волноводного канала 36 корпус 30 предпочтительно сжимается винтами 35 вдоль калиброванных штифтов (на фигурах не показаны). Корпус 30 с торцов 41 и 42 имеет предпочтительно резьбовые отверстия 43 для фланцевого соединения предлагаемого устройства с внешними волноводами входа и выхода.
Варакторная вставка 37 в примере осуществления настоящего изобретения выполняется предпочтительно из диэлектрической пластины 371, на одной из поверхностей которой формируются по крайней мере три проводящие (металлизированные) полоски 372, разделенные продольными зазорами 373, в которых размещаются ряды варакторов 2, подсоединенных своими электродами к полоскам 372, как показано на фиг.6. Обратная сторона пластины 371 свободна от какой-либо металлизации или проводящих слоев. Для подачи управляющего электрического напряжения посредством провода 39 по крайней мере к одной из полосок 372 формируется по крайней мере одно сквозное отверстие 374 в диэлектрической пластине 371. Диэлектрическое покрытие 40 удаляется с провода 39 в месте соединения с соответствующей полоской 372 с тем, чтобы обеспечить гальванический контакт (предпочтительно пайкой либо сваркой). Полярность включения варакторов 2 выбирается порядно, чтобы все варакторы 2, размещенные в соответствующем зазоре 373 включались одинаково, при этом обеспечивая встречное включение рядов варакторов 2 в соседних зазорах 373. Ширина диэлектрических пластин 371 выбирается больше размера узкой стенки волноводного канала 36 с тем, чтобы плотно зажать одну из пластин 371 между прилегающими частями 31, 32 и 33, а другую пластину 371 - между прилегающими частями 31, 32 и 34, обеспечив при этом надежный гальванический контакт между прилегающей полоской 372, и корпусом 30 для каждой из варакторных вставок 37.
Варакторная вставка 37 может иметь более двух рядов варакторов 2, что не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения. Например, на фиг.7 показана вставка с четырьмя рядами варакторов 2 и, соответственно с пятью полосками 372. Количество рядов варакторов 2 выбирается в зависимости от размера используемых варакторов и размера поперечного сечения волноводного канала 36, определяемых частотным диапазоном, а также исходя из технологических особенностей монтажа варакторов в варакторную вставку 37, где предпочтительным может оказаться так называемый метод поверхностного монтажа flip-chip (метод перевернутого кристалла). Количество варакторов в ряду, приходящееся на единицу длины волноводного канала 36, также ограничивается размером варакторов и выбирается, исходя из требования обеспечения минимальности вносимых потерь, а также с учетом доступной технологии монтажа.
Варакторная вставка 37 может также иметь лишь один ряд варакторов 2 и, соответственно, лишь две проводящие (металлизированные) полоски 372, разделенные единственным продольным зазором 373, как показано на фиг.8, что также не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения. При выполнении устройства с единственным рядом варакторов 2 и двумя полосоками 372 следует обеспечить гальваническую изоляцию (изоляцию по постоянному току) одной из двух полосок 372 от корпуса 30, например, путем нанесения тонкой диэлектрической пленки 375 (показана на фиг.8 штриховкой) на данную полоску 372, что сохраняет замыкание данной полоски 372 на корпус 30 по СВЧ току.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При пропускании ТЕ-волны через волноводный канал 36, выступающий в роли секции прямоугольного волновода 1, и изменении управляющего электрического напряжения, подаваемого через провода 39 на варакторные вставки 37, изменяется емкость варакторов 2, что приводит к изменению эффективной ширины волновода, а тем самым - к изменению электрической длины указанной секции прямоугольного волновода 1, что в итоге обеспечивает быстрое электрическое управление фазой пропускаемой ТЕ-волны на выходе предложенного устройства. При этом варакторы 2 работают в емкостном режиме вдали от резонансной области, а большая часть мощности поперечно-электрической ТЕ-волны переносится посередине полости волноводного канала 36, что позволяет снизить вносимые потери.
Так при реализации предложенного устройства электрического управления фазой волноводного фазовращателя миллиметрового диапазона длин волн с варакторами на диодах с барьером Шоттки, время установки требуемой фазы определяется скоростью перестройки источника управляющего напряжения и составляет порядка 10-100 нс, тогда как в самом диоде Шоттки время установки емкости составляет порядка лишь 1 пс. Максимальные вносимые потери устройства на проход волны при 90-градусном фазовом сдвиге составляют менее 1,5 дБ, т.е. удельные вносимые потери на градус фазового сдвига составляют не более 0,017 дБ/град.
Предлагаемое изобретение может быть осуществлено не только с такими типами дискретных варакторов, как, например, диоды Шоттки, p-n диоды, сегнетоэлектрические варакторы, MEMS варакторы (варакторы на основе микроэлектромеханических систем), но и с распределенными типами варакторов - когда сплошная среда с электрически управляемой емкостью, такая, например, как сегнетоэлектрическая пленка или полупроводниковый кристалл, распределена в зазорах 373 и контактирует с полосками 372, что не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения.