ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СВЧ
RESTRAINED PHASE SHIFT OF MICROWAVE

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и может быть использовано для регулировки фазы коэффициента передачи трактов СВЧ и выравнивания фаз СВЧ трактов в фазированных антенных решетках.
Известен элемент для подстройки длины линии (см. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / Под ред. И.В. Вольмана. М., Радио и связь 1982 г., стр. 184-185, рис. 4.29, а). Элемент содержит П-образный проводник отрезка линии, соединяющий вход и выход. В параллельных плечах П-образного проводника выполнены разрывы, рядом с которыми между плечами П-образного проводника расположены проводники отрезков соединительных линий. При регулировке фазы устанавливаются перемычки соединяющие участки П-образного проводника и соединительных линий, так что меняется общая длина линии между входом и выходом. Недостатком элемента для подстройки длины линии является большое количество перемычек. Кроме того, фаза перестраивается ступенчато с дискретом определяемой длиной проводника между соседними разрывами, что приводит к большой погрешности регулировки фазы.
Меньшее количество перемычек и меньшую погрешность регулировки фазы имеет фазовращатель (см. АС СССР №1826091), который может быть использован в качестве перестраиваемого фазовращателя при замене коммутирующих диодов на перемычки. Фазовращатель содержит диэлектрическую пластину, на одной стороне которой расположено металлическое основание, а на другой стороне - проводник, соединяющий вход и выход. К соединительному проводнику через перемычку перпендикулярно подключен одним концом разомкнутый проводник, к другому концу которого через следующую перемычк, подключен одним концом следующий разомкнутый проводник, и т.д. В металлическом основании выполнена щель, перпендикулярно пересекающая проекцию соединительной линии и разомкнутая с одной стороны после пересечения. Ось щели совпадает с осью дополнительного проводника, длина щели равна длине общего проводника с перемычками. Между кромками щели включена перемычка, положение которой определяется при регулировке фазы. При перемычке, расположенной под проекцией проводника соединительной линии, и отсутствии перемычки между соединительной линией и первым разомкнутым проводником, фаза минимальна и определяется длиной соединительной линии. При перемещении перемычки в щели от разомкнутого конца фаза плавно увеличивается за счет последовательной индуктивности щели. При этом незначительно увеличивается КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению). При подключении первого разомкнутого шлейфа фаза увеличивается ступенчато за счет параллельного подключения емкости разомкнутого проводника. При этом КСВН уменьшается и становится минимальным при равенстве длин щели и шлейфа. Таким образом, перемещением перемычки в щели и установок перемычек, удлиняющих дополнительный проводник, производится плавное изменение фазы при незначительном увеличении КСВН. Недостатки фазовращателя обусловлены наличием щелевой линии. Это большие габариты разомкнутого конца щели, необходимость увеличения корпуса со стороны металлизированного основания платы для обеспечения режима работы щелевой линии.
Наиболее близким из известных аналогов к заявляемому фазовращателю является проходной фазовращатель типа нагруженной линии передачи (см. Г.С. Хижа и др. СВЧ фазовращатели и переключатели, М., «Радио и связь» 1984 г., стр. 76, рис. 2.20), выбранный в качестве прототипа. Проходной фазовращатель содержит четвертьволновый отрезок линии передачи, соединяющий вход и выход, на концах которого подключены одинаковые реактивные нагрузки, например, в виде разомкнутого отрезка линии, длина которого ступенчато изменяется посредством перемычек. Фазовращатель-прототип согласован только на одной частоте, на которой отражения от разомкнутых отрезков линии компенсируют друг друга, при длине соединительного отрезка, примерно равном четверти длины волны. При отстройке от частоты согласования, КСВН фазовращателя-прототипа растет, причем, чем больше вносимый фазовый сдвиг обеспечивает прототип, тем больше увеличение КСВН. Поэтому фазовращатель-прототип при заданном уровне согласования в рабочем диапазоне частот обеспечивает небольшие изменения фаз. Так как изменение емкости посредством перемычек производится ступенчато, фазовращатель-прототип имеет большую погрешность регулировки фазы. Кроме того, фазовращатель-прототип имеет большие габариты, обусловленные использованием четвертьволнового отрезка линии.
Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности установки величины фазы и улучшение согласования в широком диапазоне частот при небольших габаритах фазовращателя.
Технический результат достигается тем, что в перестраиваемый фазовращатель СВЧ, содержащий первый отрезок линии передачи, концы которого соединены со входом и выходом фазовращателя, к середине которого подключен через перемычку разомкнутый отрезок линии передачи, длина которого меняется ступенчато при регулировке фазы установкой дополнительных перемычек между его участками, отличающийся тем, что вход и выход дополнительно соединены через второй отрезок линии передачи, аналогичный первому отрезку, и расположенный параллельно ему через зазор, в середине второго отрезка линии передачи выполнен разрыв, первый и второй отрезки соединены дополнительно через две перемычки, расположенные симметрично относительно разрыва, положение которых меняется при регулировке фазы, при этом волновое сопротивление первого и второго отрезков линий передачи в два раза больше сопротивления входа.
Введение между входом и выходом второго отрезка линии передачи, аналогичного первому, параллельно ему, с волновым сопротивлением в два раза больше сопротивления входа, а также перемычек между отрезками, позволяет использовать общую линию передачи до перемычек как согласованную линию передачи. Отрезки линий передачи между перемычками и подключаемый разомкнутый проводник образуют фазосдвигающий шлейфовый фильтр нижних частот (ФНЧ), согласованный в широком диапазоне частот. Изменение положения перемычек одновременно с изменением длины разомкнутого проводника позволяет изменять фазу коэффициента передачи ФНЧ и, следовательно, фазовращателя.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого перестраиваемого фазовращателя из литературы не известны, поэтому оно соответствует критериям новизны.
На фиг. 1 приведена топология перестраиваемого фазовращателя в микрополосковом исполнении.
На фиг. 2 приведены амплитудно-частотные (АЧХ) и фазочастотные (ФЧХ) характеристики, поясняющие работу перестраиваемого фазовращателя.
Предлагаемый перестраиваемый фазовращатель СВЧ (см. фиг. 1) содержит первый отрезок линии передачи 1, концы которого соединены с входом и выходом фазовращателя. К середине отрезка линии передачи 1 подключен через перемычку 2 разомкнутый отрезок линии 3. К разомкнутому отрезку линии 3, через дополнительные перемычки 4, подключены отрезки линий 5, 6, 7 разной длины по одному или одновременно.
Вход и выход перестраиваемого фазовращателя дополнительно соединены через отрезок линии передачи 8, расположенный через зазор параллельно отрезку линии передачи 1 и равный ему по длине и ширине. В середине отрезка линии передачи 8 выполнен разрыв, по обе стороны от которого отрезки линий передачи 1 и 8 соединены двумя перемычками 9 и 10, расположенными в зазоре.
0
Ширины проводников отрезков линии передачи 1 и 8 выбираются из условия получения волнового сопротивления отрезков линий в два раза больше сопротивления входа - z.
Расстояние между перемычками 9 и 10 меняется при регулировке фазы.
Величина зазора выбрана примерно равной ширине отрезка линии передачи 1.
Длина отрезков линий передачи 1 и 8 меньше четверти волны и определяется величиной фазового сдвига перестраиваемого фазовращателя.
Длина и ширина отрезка линии 3 определяется исходя из минимальной величины изменения фазового сдвига. Длины отрезков линии 5, 6, 7 кратны длине отрезка линии 3. Например, длина отрезка 5 равна длине отрезка 3, длина отрезка 6 равна двум длинам отрезка 3, длина отрезка 7 равна четырем длинам отрезка 3. В этом случае при использовании перемычек 4 между отрезками 3, 5, 6, 7 обеспечивается дискретное изменение длины с единичным шагом от одного до восьми.
Предлагаемый перестраиваемый фазовращатель СВЧ работает следующим образом.
0
0
В исходном состоянии, с минимальным фазовым сдвигом фазовращателя перемычки 2, 4 не устанавливают, перемычки 9 и 10 устанавливают на минимальном расстоянии друг от друга. СВЧ-сигнал, поступающий на вход фазовращателя, проходит на его выход по двум одинаковым отрезкам линий передачи 1 и 8. Так как волновое сопротивление отрезков линий передачи 1 и 8 равно 2z, суммарное волновое сопротивление общей линии передачи равно сопротивлению входа z, в результате чего фазовращатель согласован во всем диапазоне частот и при этом вносит фазовый сдвиг, равный фазе коэффициента передачи отрезка 1.
При увеличении расстояния между перемычками 9 и 10 и установке перемычки 2 участки отрезков линий передачи 1, 8, расположенных между перемычками, и подключаемый разомкнутый отрезок 3 образуют фазосдвигающий трехшлейфовый фильтр нижних частот (ФНЧ), согласованный в широком диапазоне частот. При этом, так как фаза коэффициента передачи ФНЧ больше фазы отрезка линии, фаза коэффициента передачи фазовращателя увеличивается. При подключении перемычками 4 дополнительных разомкнутых отрезков 5, 6, 7 и соответственном увеличении расстояния между перемычками 9, 10 увеличивается фаза коэффициента передачи фазовращателя при сохранении согласования. Так как перемещение перемычек 9, 10 производится плавно, фаза фазовращателя может регулироваться плавно.
Таким образом, перемещением перемычек 9 и 10 при подключении отрезков 3, 5, 6, 7, обеспечивается практически плавное изменение фазы коэффициента передачи перестраиваемого фазовращателя при согласовании в широком диапазоне частот (см. фиг 2).
На предприятии был изготовлен макет предложенного перестраиваемого фазовращателя СВЧ. Макет выполнен на микрополосковой линии с диапазоном изменения фазы на заданной частоте равном 45 градусов. При экспериментальной проверке были получены результаты, подтверждающие достижение поставленной цели. Макет перестраиваемого фазовращателя в диапазоне частот шириной 70% обеспечивает плавное изменение фазы, при КСВН со стороны входа меньше 1.2. Длина фазовращателя равна одной восьмой длины волны. Фазовращатель-прототип обеспечивает только дискретное изменение фазы с шагом 5.6 градусов, с таким же КСВН в узком диапазоне частот 10%. Длина фазовращателя прототипа равна четверти длины волны. Таким образом, предлагаемый перестраиваемый фазовращатель СВЧ, по сравнению с фазовращателем прототипом, обеспечивает уменьшение погрешности перестройки фазы при расширении диапазона частот согласования в диапазоне частот в семь раз. При этом длина предлагаемого перестраиваемого фазовращателя СВЧ в два раза меньше чем у фазовращателя-прототипа.