УПРАВЛЯЕМЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ
CONTROLLED PHASE CHANGER

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для управления фазой СВЧ-сигналов в системах связи, радиолокации, различной измерительной и специальной радиоаппаратуре.
Известен сверхвысокочастотный ферритовый фазовращатель [Патент РФ №2207666, МПК H01P / 195, опубл. 27.06.2003]. Фазовращатель содержит ферритовый стержень, установленный вдоль оси отрезка прямоугольного волновода, магнитную систему управления вращением поля СВЧ-энергии и две диэлектрические пластины с диэлектрической проницаемостью от 1.5 до 1.9 от диэлектрической проницаемости феррита. Главными недостатками подобного фазовращателя являются его относительно большие размеры на частотах дециметрового и метрового диапазонов длин волн и невозможность изготовления по интегральной технологии в планарном исполнении.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является СВЧ-фазовращатель [патент US №5287075, опубл. 15.02.1994 г.]. Фазовращатель содержит подмагничивающую систему, подложку из магнитного диэлектрика, либо слоистую подложку, где, по крайней мере, один из слоев является магнитным, заземляемое основание на одной стороне подложки и металлический полосковый проводник на второй стороне подложки. По существу, устройство представляет собой микрополосковую линию передачи с управлением внешним магнитным полем эффективной магнитной проницаемости подложки. При этом управляемый сдвиг фазы пропорционален ее электрической длине на частоте сигнала, зависящей от эффективной магнитной проницаемости. В связи с этим увеличить управляемый сдвиг фазы в таком устройстве можно только лишь увеличением длины линии, что приводит к увеличению размеров устройства.
Техническим результатом изобретения является уменьшение размеров устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в управляемом фазовращателе, содержащем систему подмагничивания, подложку, выполненную из магнитного диэлектрика, либо из слоев диэлектриков, где, по крайней мере, один из слоев является магнитным, на одну поверхность подложки нанесено металлическое заземляемое основание, а на другую поверхность нанесен металлический полосковый проводник, новым является то, что полосковый проводник одним концом соединен с заземляемым основанием, а длина и ширина полоскового проводника выбираются такими, чтобы на рабочих частотах устройства в нем возбуждался четвертьволновый резонанс. Число полосковых проводников может быть больше одного, причем они связаны электромагнитно. А подложка может быть выполнена составной и только часть ее, расположенная в пучности магнитного поля резонаторов, выполнена из магнитного материала или содержит магнитный слой.
Отличия заявляемого устройства от прототипа заключаются в том, что полосковый проводник одним концом соединен с заземляемым основанием, а длина и ширина полоскового проводника выбираются такими, чтобы на рабочих частотах устройства в нем возбуждался четвертьволновый резонанс. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами:
На фиг.1 дана конструкция заявляемого управляемого фазовращателя.
На фиг.2 представлены типичные амплитудно-частотные (АЧХ) и фазо-частотные характеристики (ФЧХ) устройства для двух значений магнитной проницаемости подложки.
На фиг.3 - вариант реализации фазовращателя на основе нескольких резонаторов.
На фиг.4 - типичные амплитудно-частотные (АЧХ) и фазо-частотные характеристики (ФЧХ) устройства на основе нескольких микрополосковых резонаторов для двух значений магнитной проницаемости подложки.
На фиг.5 представлен вариант реализации фазовращателя на основе двухслойной подложки.
На фиг.6 дан вариант реализации фазовращателя на основе составной подложки.
На фиг.7а, б - измеренные АЧХ и ФЧХ макета фазовращателя на основе подложки, содержащей слой из тонкой магнитной пленки.
На фиг.8а, б - измеренные АЧХ и ФЧХ макета фазовращателя на основе составной подложки, часть которой выполнена из монокристалла железо-иттриевого граната (ЖИГ).
Заявляемый фазовращатель содержит диэлектрическую подложку 1 (фиг.1) из магнитного материала, на которую нанесен слой металла 2, выполняющий функцию заземляемого основания. На другой стороне подложки нанесен металлический полосковый проводник 3 резонатора, соединенный с одного конца с заземляемым основанием. Система подмагничивания для простоты не показана.
Управляемый фазовращатель работает следующим образом. Полосковый металлический проводник в заявляемом устройстве образует микрополосковый резонатор, и при правильном выборе его размеров - длины и ширины - на АЧХ такого устройства формируется заданная полоса пропускания. При варьировании управляющего магнитного поля изменяется магнитная проницаемость подложки и, как следствие, эффективная магнитная проницаемость микрополосковой линии, на основе которой реализован резонатор в заявляемом устройстве. При небольших, но достаточных для эффективного управления изменениях магнитной проницаемости подложки происходит сдвиг полосы пропускания (фиг.2), однако при этом существует область рабочих частот устройства (отмечена штрихпунктиром), в пределах которой прямые потери прошедшего сигнала остаются минимальными и почти постоянными, в то время как фаза пошедшего сигнала существенно изменяется. Зависимости рассчитаны для следующих конструктивных параметров: диэлектрическая проницаемость подложки ε=1, ее толщина 1 мм; магнитная проницаемость подложки µ изменялась в пределах (8-10); ширина проводника резонатора 2 мм, его длина 20 мм. Внешние линии передачи подключались в точках, отстоящих на 14.5 мм от разомкнутого конца полоскового проводника резонатора. Управляемый фазовый сдвиг при этом составил Δφ≈70°. Для сравнения согласованная микрополосковая линия при таких же конструктивных параметрах дает фазовый сдвиг Δφ≈7.5°, что почти в 10 раз меньше.
Как известно, наклон фазо-частотной характеристики при резонансе резко увеличивается, по сравнению с наклоном ФЧХ согласованной линии. Поэтому соответствующий сдвиг фазы сигнала в заявляемом резонансном устройстве будет существенно большим, по сравнению с нерезонансным (прототипом) при одинаковом изменении магнитной проницаемости подложки.
В подтверждение вышесказанному сравним управляемый сдвиг фазы отрезка микрополосковой линии передачи длиной l в условиях резонанса и в согласованном режиме. Известно [Г.С.Горелик, Колебания и волны. Государственное Издательство физико-математической литературы, М.: 1959, с.102], что частотная зависимость фазы в резонансе определяется формулой
0
где Q - добротность резонанса, ω - резонансная частота. Выразив резонансную частоту через длину отрезка МПЛ - l, скорость света в вакууме - с и эффективную диэлектрическую ε и магнитную проницаемость подложки µ: , несложно найти величину управляемого сдвига фазы при изменении магнитного поля путем дифференцирования формулы (1)
0
Поскольку вблизи резонанса ω≈ω, то
В случае согласованного отрезка МПЛ такой же длины l набег фазы прошедшего сигнала равен его электрической длине
где λ - длина волны высокочастотного сигнала в вакууме. В этом случае
0
а если ω≈ω, то . В результате из (5) следует, что
Таким образом, из (3) и (6) видно, что управляемый сдвиг фазы в заявляемом "резонансном" устройстве примерно в Q раз больше, чем в согласованной линии, при этом важно отметить, что в реальном устройстве величина Q - это нагруженная добротность резонатора. Очевидно, что с уменьшением ширины полосы рабочих частот фазовращателя, то есть с уменьшением полосы пропускания фильтра, нагруженная добротность резонаторов растет, а значит, в этом случае пропорционально увеличивается и управляемый фазовый сдвиг Δφ. Более того, как показали исследования, управляемый сдвиг фазы увеличивается пропорционально количеству резонаторов в устройстве.
0
На фиг.3 представлен вариант реализации фазовращателя на основе нескольких микрополосковых четвертьволновых резонаторов (в данном случае трех), связанных электромагнитно. Такая структура формирует заданную полосу пропускания, образованную соответствующими резонансами, с центральной частотой f (фиг.4). По существу, заявляемое устройство представляет собой полосно-пропускающий фильтр, в котором при изменении магнитной проницаемости подложки под действием внешнего магнитного поля происходит сдвиг полосы пропускания (фиг.4). При этом в рабочей полосе частот Δf, где прямые потери прошедшего сигнала минимальны и почти постоянны, происходит сильное изменение фазы пошедшего сигнала.
На фиг.5 показан вариант реализации заявляемого устройства на основе двухслойной подложки, в которой один из слоев 4 выполнен из магнитного материала, а второй слой может быть выполнен из диэлектрических немагнитных материалов, традиционно используемых в технике СВЧ.
На фиг.6 показан вариант реализации конструкции управляемого фазовращателя на составной подложке, у которой только часть ее 5, расположенная в пучности магнитного поля четвертьволновых резонаторов, выполнена из магнитного материала или содержит магнитный слой. Такая конструкция имеет меньшие потери в рабочей полосе частот вследствие более высокой добротности резонаторов. Очевидно, что аналогичная конструкция может быть реализована и на полуволновых резонаторах, в этом случае подложка будет состоять из трех частей.
Для иллюстрации работоспособности заявляемого устройства был изготовлен макет трехрезонаторного фазовращателя, в котором один из слоев двухслойной подложки выполнен из тонкой магнитной пленки состава FeCoNi толщиной 2050 Å, а другой - из керамики с диэлектрической проницаемостью ε=9.8. Фазовращатель имел следующие конструктивные параметры: общая толщина двухслойной подложки 1 мм, ширина проводников резонаторов 1 мм. Длина крайних резонаторов 19 мм, внутреннего 18.3 мм, расстояние между проводниками резонаторов 4 мм. На фиг.7а, б представлены измеренные АЧХ и ФЧХ изготовленного фазовращателя, для двух разных величин приложенного к устройству магнитного поля. Видно, что при изменении величины магнитного поля происходит сдвиг полосы пропускания устройства, однако существует область (ограничена штрихпунктирными вертикальными линиями), где затухание сигнала незначительно, но в то же время происходит сильное изменение фазы. Для представленного макета управляемый сдвиг фазы сигнала составил около 60° при изменении магнитного поля от 20 до 30 Э (фиг.7б).
2
2
Также был изготовлен макет трехрезонаторного фазовращателя, в котором одна часть подложки (фиг.6) размерами 5×11 мм была выполнена из монокристалла железо-иттриевого граната (ЖИГ) толщиной 0.5 мм, а вторая часть подложки - из керамики с диэлектрической проницаемостью ε=9.8. Остальные конструктивные параметры были такими же, как и для первого макета. На фиг.8а, б представлены измеренные АЧХ и ФЧХ фазовращателя. Управляемый сдвиг фазы сигнала составил около 90° (фиг.8б), а площадь, занимаемая устройством, составила 19×11 мм. Для сравнения, фазовращатель на основе согласованной линии передачи будет иметь примерно на порядок большую площадь подложки для обеспечения аналогичного управляемого сдвига фазы при прочих равных условиях.
Таким образом, заявляемый управляемый фазовращатель характеризуется высокой степенью миниатюрности и возможностью интегрального исполнения, что позволяет использовать его в современных системах связи, радиолокации, радионавигации, в различной специальной и измерительной аппаратуре.