ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ
PHASE CHANGER

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в антеннах с электронным сканированием луча.
Известен СВЧ фазовращатель проходного типа, содержащий пластину или пленку сегнетоэлектрика с электродами, которая помещается в волновод (патент US №2918572). При изменении диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика под действием электрического поля изменяется постоянная распространения электромагнитной волны в линии передачи, что приводит к изменению фазы прошедшей волны.
Недостатком этого фазовращателя является ограниченность его работы по частоте - возможность его работы только в сантиметровом диапазоне, трудность его согласования с волноводным трактом, необходимость введения согласующих устройств, которые увеличивают габариты, потери, ограничивают частотный диапазон фазовращателя.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому решению является СВЧ фазовращатель проходного типа, выполненный на основе многощелевой линии, сформированной на сегнетоэлектрической пленке (патент RU №2258279).
Известное устройство содержит диэлектрическую подложку с сегнетоэлектрической пленкой, на которой расположены волноведущие электроды, формирующие протяженную щель, и в области щели нанесены управляющие электроды. Использование управляющих электродов в щелевой линии позволяет обеспечить минимум управляющего напряжения, В данной конструкции заложена возможность управления фазовой скоростью щелевого мода за счет нелинейности диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки по отношению к управляющему напряжению.
Недостатком известного щелевого фазовращателя является сложность подачи управляющего напряжения на цепи управления без влияния на электродинамику фазовращающей линии.
Задачей, решаемой изобретением, является создание фазовращателя отражательного типа, в котором цепь подачи управляющего напряжения оказывает минимальное влияние на его электродинамические характеристики.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый фазовращатель, так же как и известный, содержит диэлектрическую подложку, на которую нанесена сегнетоэлектрическая пленка и сформирована четырехщелевая линия с крайними волноведущими и тремя внутренними управляющими электродами. Но, в отличие от известного, в предлагаемом фазовращателе на части диэлектрической подложки, на которой отсутствует сегнетоэлектрическая пленка, сформированы контактные площадки для подачи напряжения, участки продолжения волноведущих электродов и копланарные линии, соединяющие управляющие электроды щелевой линии с контактными площадками, причем центральный управляющий электрод щелевой линии через четвертьволновый отрезок соединен с первой контактной площадкой, электрически соединенной с участками продолжения волноведущих электродов, а каждый из соседних с центральным электродом управляющий электрод соединен со второй контактной площадкой через последовательное соединение двух четвертьволновых отрезков, параметры первого из которых равны параметрам четвертьволнового отрезка, соединенного с центральным управляющим электродом, а параметры второго четвертьволнового отрезка выбраны из условия максимального отражения рабочего сигнала.
Достигаемый технический результат - создание нового типа фазовращателя - фазовращателя отражательного типа на основе многощелевой линии, выполненной на сегнетоэлектрике с одновременным созданием развязки щелевой линии от цепи управления. С помощью четвертьволновых отрезков копланарных линий на выходе щелевой линии обеспечивается режим, близкий к холостому ходу или короткому замыканию, за счет трансформации нагрузочного импеданса копланарных линий. Копланарные линии сформированы на участке подложки без сегнетоэлектрической пленки, что обеспечивает неизменность их волнового сопротивления и электрической длины на рабочей частоте с возможностью подачи управляющего напряжения на электроды четырехщелевой линии.
Совокупность признаков, сформулированная в пункте 2 формулы изобретения, характеризует фазовращатель, в котором на его входе сформирован входной согласующий элемент, форма которого обеспечивает плавное изменение волнового сопротивления.
Плавное изменение волнового сопротивления позволяет получить широкополосное согласование со свободным пространством.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показано сечение фазовращателя, на фиг.2 - вид сверху, на фиг.3 показаны копланарные линии с контактными площадками.
I
I
Фазовращатель сформирован на диэлектрической подложке 1 (фиг.1), на часть которой нанесена сегнетоэлектрическая пленка 2 и сформирована четырехщелевая линия, которая содержит волноведущие электроды 3 и расположенные между ними три управляющих электрода 4. На входе щелевой линии (фиг.2) сформирован плавный согласующий элемент 5. На фиг.3 представлены копланарные линии передачи, напыленные на часть поверхности диэлектрической подложки, на которой отсутствует пленка сегнетоэлектрика. Управляющие электроды 4 щелевой линии соединены с электродами копланарных линий 4. На этой части подложки сформированы контактные площадки 6 и 7 для подачи управляющего напряжения и участки 5, которые являются продолжениями волноведущих электродов 3. Управляющие электроды щелевой линии соединены с контактными площадками 6 и 7 через четвертьволновые отрезки копланарных линий, причем центральный электрод соединен с контактной площадкой 6, которая электрически соединена с электродами 3, а каждый из соседних с ним управляющих электродов соединен с другой контактной площадкой 7 через два последовательно соединенных четвертьволновых отрезка 8 и 9. Первый из них 8 имеет параметры, одинаковые с параметрами четвертьволнового отрезка копланарной линии, который соединен с центральным управляющим электродом, а второй четвертьволновый отрезок 9 обеспечивает максимально возможное отражение рабочего сигнала за счет большого волнового сопротивления. Рассматриваемая конструкция обеспечивает чередование знаков напряжения на электродах как копланарных линий, так и щелевой, так как центральный управляющий электрод и волноведущие электроды имеют один потенциал, а соседние с центральным имеют другой.
Рассмотрим работу фазовращателя. Управление фазовой скоростью любой многощелевой линии осуществляется за счет изменения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки посредством управляющего поля, что приводит к изменению ее электрической длины. Рассматриваемый фазовращатель относится к фазовращателям отражательного типа. Электромагнитная волна, поступающая на вход фазовращателя, через согласующий элемент 5 поступает в четырехщелевую линию длиной L. На электроды линии подается управляющее напряжение от контактных площадок 6 и 7, которое формирует электрическое поле на щелях между электродами четырехщелевой линии. Под воздействием поля изменяется диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрической пленки и, соответственно, скорость распространения электромагнитной волны, что приводит к фазовому сдвигу. После отражения волна возвращается по щелевой линии к согласующему элементу 5, после чего излучается в свободное пространство или волноведущую структуру. Таким образом, волна от входа к выходу проходит расстояние, равное 2L. Отражение электромагнитной волны происходит от торца щелевой линии, в плоскость которого четвертьволновыми отрезками копланарных линий трансформируется сопротивление, близкое к короткому замыканию.
Важным является то, что режим «короткого замыкания» сформирован на копланарных линиях, которые не изменяют свои характеристики под воздействием управляющего напряжения, так как линии сформированы на части диэлектрической подложки без сегнетоэлектрической пленки. В этом случае на рабочей частоте фазовращателя при изменении управляющего напряжения копланарные линии обеспечивают постоянное волновое сопротивление и постоянный коэффициент отражения, близкий к единице.
-4
Пример реализации фазовращателя. Фазовращатель изготовлен в виде планарной конструкции. На диэлектрическую подложку толщиной 0,5 мм из сапфира с низким тангенсом угла диэлектрических потерь (tgδ<10) и диэлектрической проницаемостью 9.8 напылена сегнетоэлектрическая пленка толщиной 1.27 мкм и диэлектрической проницаемостью 1270, поверх которой сформированы пленочные медные электроды. Четырехщелевая линия имеет три электрода шириной 50 мкм и щели с шириной 50 мкм. Длина фазосдвигающего элемента L=20 мм. Такой фазовращатель на рабочей частоте 30 ГГц обеспечивает управление фазовым сдвигом в 360° при подаче управляющего напряжения значением, близким к 350 В, на электроды щелевой линии через четвертьволновые отрезки, сформированные на части подложки, на которой отсутствует сегнетоэлектрическая пленка.
Описание конструкции СВЧ фазовращателя и его работы показывает достижение технического результата - создание нового типа отражательного СВЧ фазовращателя, выполненного на основе многощелевой линии, в котором реализована развязка СВЧ электромагнитного поля от управляющего напряжения.