МОЩНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ
POWERFUL SEMICONDUCTOR PHASE SHIFTER

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано для изменения фазы проходящего СВЧ-сигнала в фидерных трактах различного назначения, в частности при создании фазированных антенных решеток.
При разработке устройств СВЧ, в частности фазированных антенных решеток, возникает задача создания мощных полупроводниковых фазовращателей. К фазовращателям предъявляются многообразные и жесткие требования: большая мощность, достаточная точность установки фазового сдвига, необходимая для выполнения требований к ДН по КНД, уровню боковых лепестков, минимальное время переключения при возможно меньшей мощности управляющего сигнала и т.д. (Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток, В.С Филиппов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др. Под ред. Д.И. Воскресенского - 2-е изд., доп. и перераб. - М. Радио и связь, 1994. Стр 329-330). Этим требованиям отвечают фазовращатели на p-i-n диодах.
Существуют 2 основных вида полупроводниковых фазовращателей на p-i-n диодах: фазовращатели на переключаемых каналах и шлейфные фазовращатели. В фазовращателях на переключаемых каналах изменение фазы проходящего сигнала достигается переключением каналов с различной электрической длиной. В шлейфных фазовращателях изменение фазы происходит за счет изменения реактивного сопротивления нагрузки (p-i-n диода), установленной на конце шлейфа.
1
2
Так, отдаленный аналог заявляемого изобретения - фазовращатель на переключаемых каналах, содержащий две линии передачи различной электрической и геометрической длины, которые включаются в основной тракт двумя двухканальными переключателями, выполненными с использованием p-i-n диодов, включенных последовательно (Антенны с электрическим сканированием. О.Г. Вендик, М.Д. Парнес. Под ред. Л.Д. Бахрака. 2001 г. УДК 621.396.965, стр 182, 183). «Принципиальным для этой схемы является использование четырех диодов. Это объясняется тем, что на входе и выходе фактически используются двухканальные переключатели, которые обеспечивают коммутацию каналов, связанных между собой попарно отрезками длиной θ и θ» (Антенны с электрическим сканированием. О.Г. Вендик, М.Д. Парнес. Под ред. Л.Д. Бахрака. 2001 г УДК 621.396.965, стр 182, 183).
Это устройство отличается простотой конструктивного исполнения. Однако этому устройству присущи недостатки, а именно:
- использование 4-х диодов на один разряд;
- малый диапазон используемых частот, так как использование диодов, включенных последовательно в линию, существенно ограничивает использование фазовращателя по частоте. Поэтому подобные фазовращатели используются на сравнительно низких частотах (f≤1 ГГц) (СВЧ фазовращатели и переключатели. Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. - М., «Радио и связь», 1984, стр. 30-31);
- малый уровень рабочей мощности, так как включение диодов последовательно в линию передачи не позволяет обеспечить эффективный отвод тепла от диодов и, следовательно, ограничивает рабочую мощность устройства;
- разный уровень потерь в разных фазовых состояниях;
- разброс значений фазы и потерь, вызванный наличием технологического разброса параметров диодов и диэлектрического материала, а также разброса размеров деталей, входящих в состав фазовращателя, вызванного неточностью изготовления и проч.
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является мощный полупроводниковый фазовращатель, содержащий отрезок линии передачи с подключенным к нему основным шлейфом, состоящим по крайней мере из двух отрезков линии передачи с различными волновыми сопротивлениями (трансформаторов), на конце которого установлен pin-диод (СВЧ фазовращатели и переключатели. Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. - М., «Радио и связь», 1984, стр. 163).
Это устройство имеет:
- меньшее количество диодов;
-  диапазон используемых частот (СВЧ фазовращатели и переключатели. Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. - М., «Радио и связь», 1984 стр. 161);
-  рабочую мощность, так как в данном устройстве диоды установлены параллельно. Параллельное включение диодов в линию передачи позволяет обеспечить эффективный отвод тепла от диодов;
- широкую полосу диапазона рабочих частот.
Однако этому устройству присущи следующие недостатки:
- сложность конструктивного исполнения, обусловленная наличием большого количества трансформаторов. Так как максимальный уровень СВЧ мощности, которым может управлять фазовращатель, определяется параметрами диодов, а именно максимальной непрерывной рассеиваемой мощностью, максимальной импульсной рассеиваемой мощностью, то, следовательно, для увеличения максимального уровня СВЧ мощности необходимо использовать мощные диоды. Однако мощные диоды имеют большую емкость (СВЧ фазовращатели и переключатели. Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. - М., «Радио и связь», 1984, стр. 157). При больших емкостях диода и широкой полосе частот необходимо использовать в шлейфе несколько дополнительных отрезков линий, обеспечивающих несколько ступенек волнового сопротивления, т.е. содержащих два и более трансформатора, что усложняет конструкцию фазовращателя (Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. – М., «Радио и связь», 1984, стр. 112). Для получения оптимальных характеристик (например, минимальное значение потерь СВЧ сигнала, при определенном сдвиге фазы) геометрические размеры отрезков линий, образующих трансформаторы, должны иметь малые допуски, особенно на больших частотах или при использовании диэлектрического материала с высоким значением диэлектрической постоянной. Это приводит к ухудшению технологичности и, как следствие, к увеличению трудоемкости;
- невозможность точной установки сдвига фазы и выравнивания уровня потерь при различных значениях фазового сдвига (Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. - М., «Радио и связь», 1984, стр. 115), что вызвано отсутствием подстроенных элементов. (Для регулировки сдвига фазы и выравнивания потерь требуется изменять геометрические размеры (ширину, длину) отрезков линий, образующих трансформаторы). Необходимость обеспечения точной установки (подстройки) фазы и потерь, обусловлена наличием технологического разброса параметров диодов, диэлектрического материала, технологического разброса размеров деталей, вызванных неточностью изготовления и проч. Последнее особенно сказывается в устройствах, имеющих сложное конструктивное исполнение. Разброс значений фазы и потерь, в свою очередь, приводит к невыполнению требований к ДН по КНД, уровню боковых лепестков и т.д.
Технический результат предлагаемого изобретения - упрощение конструкции и обеспечение точной установки фазы и потерь без уменьшения диапазона рабочих частот.
Дополнительный технический результат - упрощение процесса подстройки.
Указанный технический результат достигается тем, что в мощном полупроводниковом фазовращателе, содержащем отрезок линии передачи с подключенным к нему основным шлейфом, на конце которого установлен pin-диод, подключен дополнительный шлейф. Дополнительный шлейф установлен за диодом, размеры дополнительного шлейфа можно изменять.
Дополнительный результат достигается тем, что дополнительный шлейф, установленный за диодом, составлен не менее чем из двух последовательно соединенных отрезков линии передачи, причем непосредственно к диоду подключен отрезок линии передачи с меньшим, чем у основного шлейфа, волновым сопротивлением, второй отрезок, имеющий возможность изменения размеров и подключенный к первому, имеет волновое сопротивление больше, чем у первого отрезка.
Известны способы подстройки фазы, например, возможно использование дополнительных подстроенных шлейфов длиной λ/8, присоединенных к основному шлейфу на расстоянии λ/8 от места установки диода. Причем шлейф установлен между отрезком линии передачи и диодом. (СВЧ фазовращатели и переключатели. Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. Хижа Г.С, Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. - М., «Радио и связь», 1984, стр. 66-67). Однако наличие 2-х дополнительных резонансных отрезков в фазовращателе приводит к уменьшению диапазона рабочих частот и увеличению потерь СВЧ сигнала. Известен также фазовращатель (патент №2032253, кл. МПК Н01Р 1/18. Опубликовано: 27.03.1995), в котором подстройка фазы осуществляется изменением емкости подстроенного элемента, выполненного в виде устанавливаемых в зазоре между торцом трансформатора и торцом короткозамыкателя сменных диэлектрических вкладышей малой толщины.
Наличие большого количества трансформаторов и сменных диэлектрических вкладышей приводит к увеличению потерь СВЧ сигнала и уменьшению диапазона рабочих частот (Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. - М., «Радио и связь», 1984, стр. 117). Большое количество дополнительных отрезков линий, создающих несколько ступеней волнового сопротивления (трансформаторов), которые и обеспечивают необходимый фазовый сдвиг, и необходимость замены вкладышей усложняет конструкцию. Кроме того, такой способ возможен в устройствах, в которых используются коаксиальные или полосковые линии передачи. В устройствах же с использованием несимметричных линий передачи (печатных, гибридном интегральном исполнении) такой способ регулировки невозможен.
Таким образом, рассмотренные конструктивные признаки (наличие составных элементов фазовращателей) приводят к уменьшению диапазона рабочих частот, значительному усложнению конструкции, ограничениям, вызванным необходимостью использования определенных типов линий передач. В известных устройствах отсутствуют упоминания об использовании дополнительных шлейфов, установленных за диодом, более того, утверждается, что «такой шлейф за диодом бесполезен» (Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. - М., «Радио и связь», 1984, стр. 113).
Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемого к нему чертежа, на котором изображено следующее:
На фиг. 1 показана конструктивная схема предлагаемого по п. 1 фазовращателя.
На фиг. 2 показана конструктивная схема предлагаемого по п. 2 фазовращателя.
На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - отрезок линии передачи;
2 - основной шлейф;
3 - p-i-n -диод;
4 - дополнительный шлейф;
5, 6 - отрезки дополнительного шлейфа;
7 - разделительный конденсатор;
8 - выводы, служащие для подачи управляющих сигналов.
Мощный полупроводниковый фазовращатель содержит отрезок линии передачи 1 с подключенным к нему основным шлейфом 2, который не является составным, т.е. имеет одинаковое волновое сопротивление по всей своей длине, на конце которого установлен p-i-n-диод 3 и дополнительный шлейф 4, установленный за диодом 3.
Дополнительный шлейф 4 может быть составлен из двух или более последовательно соединенных отрезков линии передачи 5, 6, причем непосредственно к диоду подключен отрезок линии передачи 5 с меньшим, чем у основного шлейфа 2, волновым сопротивлением. Второй отрезок 6 подключен к отрезку линии передачи 5 и имеет волновое сопротивление больше, чем у отрезка 5.
Разделительные конденсаторы 7 служит для развязки СВЧ сигналов и сигналов управления. Выводы 8 служат для подачи управляющих сигналов. Разделительные конденсаторы 7, выводы 8 на сущность изобретения не влияют и могут иметь любое исполнение.
Мощный полупроводниковый фазовращатель работает следующим образом.
1
1
При подаче тока положительного смещения по выводам 8 через разделительный конденсатор 7 диод 3 открывается, шунтируя дополнительный шлейф 4, установленный за диодом 3. В результате образуется короткозамкнутый основной шлейф 2, включенный параллельно отрезку линии передачи 1. Короткозамкнутый шлейф 2 имеет реактивное сопротивление и, соответственно, определенный коэффициент отражения Г. В этом случае СВЧ сигнал в линии передачи 1 имеет определенное значение фазы ϕ.
2
1
2
1
При подаче отрицательного смещения диод 3 закрывается. В результате образуется шлейф, сопротивление которого складывается из сопротивлений основного шлейфа 2, дополнительного шлейфа 4 (отрезков линии передачи 5, 6) и закрытого диода 3. В этом случае шлейф, образованный основным шлейфом 2, дополнительным шлейфом 4 (отрезками линии передачи 5, 6), имеет коэффициент отражения Г, отличный от коэффициента отражения Г, поэтому СВЧ сигнал в линии передачи 1 имеет значение фазы ϕ, отличное от значения фазы ϕ.
Таким образом, изменение фазы СВЧ сигнала осуществляется коммутацией различных включенных в линию передачи 1 параллельных реактивностей.
Точная установка фазы и выравнивание потерь, за счет изменения размеров дополнительного шлейфа 4, позволяет компенсировать влияние на основные параметры фазовращателя технологического разброса параметров диодов, диэлектрического материала, технологического разброса размеров деталей, входящих в его состав. Экспериментально установлено, что наибольшее влияние на изменение фазы и потерь при подстройке оказывает изменение площади дополнительного шлейфа 4, при этом, однако, следует учесть, что длина шлейфа не должна быть равной четверти длины волны.
Для упрощения процесса подстройки дополнительный шлейф выполнен из двух или более последовательно соединенных отрезков линии передачи, причем непосредственно к диоду подключен отрезок 5 линии передачи с меньшим, чем у основного шлейфа, волновым сопротивлением. Второй отрезок 6 подключен к первому и имеет волновое сопротивление больше, чем у первого отрезка. Отрезок 6 имеет большое волновое сопротивление, соответственно, ширина проводника (полоска) мала и, следовательно, при одинаковом изменении длины отрезка изменение площади отрезка 6 меньше изменения площади отрезка 5. Это означает, что изменение площади дополнительного шлейфа, образованного отрезками 5 и 6, происходит более плавно, чем при изменении размеров отрезка 5. Это позволяет более точно устанавливать значение фазы.
Из приведенного описания видно, что выполнение мощного полупроводникового фазовращателя в виде отрезка линии передачи с подключенным к нему основным шлейфом, на конце которого установлен p-i-n-диод, и подключение к нему дополнительного разомкнутого шлейфа, установленного за диодом и имеющего возможность изменения размеров, позволяет обеспечить точную установку фазы и потерь, без уменьшения диапазона рабочих частот, при упрощении конструкции фазовращателя.
Выполнение в данном фазовращателе дополнительного шлейфа, установленного за диодом, из двух и более последовательно соединенных отрезков линии передачи с различными волновыми сопротивлениями позволяет упростить процесс подстройки фазы и потерь.
На дату подачи заявки изготовлен макет фазовращателя дециметрового диапазона волн с дискретом сдвига фазы 22,5°. Макет фазовращателя представляет собой отрезок линии передачи, в которую включены два основных шлейфа, расстояние между которыми равно четверти длины волны, на концах основных шлейфов установлены p-i-n диоды типа 2А542А (aA0.339.238 ТУ), имеющие общую емкость 0,5…1 пФ. За диодом установлен дополнительный разомкнутый шлейф, который составлен из двух отрезков, имеющих различное волновое сопротивление. Непосредственно к диоду подключен отрезок линии передачи с меньшим (порядка 27 Ом), чем у основного шлейфа, волновым сопротивлением, второй отрезок подключен к первому отрезку и имеет волновое сопротивление больше (порядка 110 Ом), чем у первого отрезка (основного шлейфа). Макет выполнен на диэлектрическом материале ФЛАН-2.8, толщиной 2 мм. Получены следующие параметры: потери не более 0,5 дБ, КСВ не более 1,15, рабочая полоса частот более 20%. Рабочая импульсная мощность более 3 кВт.
Использование данного изобретения позволяет создать фазовращатель, работающий на большой мощности в широкой полосе частот, имеющий простое конструктивное исполнение, высокую технологичность и возможность обеспечить точною установку фазы и значения потерь, т.е. обеспечить повторяемость основных параметров, что позволяет еще более повысить технологичность изделия при массовом выпуске.