Дискретный СВЧ-фазовращатель на микрополосковых линиях передачи
DISCRETE MICROWAVE PHASE SHIFTER ON MICRO-STRIP TRANSMISSION LINES

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и может быть использовано для дискретного управления фазой СВЧ сигналов, в частности, в фазированных антенных решетках с электронным управлением луча.
Известен фазовращатель (см., Обзоры по электронной технике, серия 2 Полупроводниковые приборы, выпуск 1 (354), Дискретные микрополосковые фазовращатели на pin-диодах. М.: ЦНИИ Электроника, 1976, с. 28), который содержит два диода: один включен последовательно в основную линию передачи, а второй подключен к середине петли. Последовательно со вторым диодом включен короткозамкнутый шлейф. На оба диода подается либо положительное либо отрицательное напряжения смещения. Для развязки по постоянному току используется четвертьволновый шлейф и два конденсатора. При положительном смещении на диодах СВЧ сигнал проходит по основной линии передачи. При этом половина петли с короткозамкнутым шлейфом образует шлейф, длиной λ/4, который не влияет на прохождение СВЧ сигнала. При отрицательном или нулевом напряжении смещения СВЧ сигнал проходит по петле, длина которой определяет величину фазового сдвига.
Известен дискретный фазовращатель (см., SU №1822612 МПК Н01Р 01/18, публикация от 20.05.1995), содержащий полосковую линию передачи, сигнальный провод которой выполнен в виде петли, причем в основании и вершине петли соответственно размещены первый коммутирующий pin-диод, разомкнутый шлейф и отрезок проводника длинами меньше λ/4, выход которого соединен с короткозамкнутым и разомкнутым шлейфами с суммарной длиной равной λ/4, который связан через второй коммутирующий pin-диод с короткозамкнутым шлейфом.
Известен дискретный СВЧ фазовращатель (см., патент RU №2658502 МПК Н01Р 01/185, публикация от 21.06.2018) с возможностью реализовать дискреты до 45° проходного типа, содержащий отрезок линии передачи и переключательный диод. Центральный проводник отрезка выполнен с продольным зазором, разделяющим его на два параллельно соединенных проводника, один из которых также разделен поперечным зазором на две части, соединенные через переключательный элемент.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фазовращатель с высокоомным шлейфом, реализованный на основе петлевого разряда 45° (см. Чижов А.И. Метод кратных импедансов в исследовании СВЧ цепей. М: Радиотехника, 2014, с. 151). В качестве переключающих элементов в схеме применены два pin-диода, подключенных последовательно к источнику управляющего сигнала. Гальваническая развязка от входа и выхода устройства обеспечивается керамическими конденсаторами.
Недостатками известных технических решений является то, что фазовращатель L-диапазона малого дискрета фазового сдвига (11,25°) именно в таком исполнении не удалось получить с наилучшими характеристиками (минимальными фазовыми ошибками, потерями, КСВН) в полосе частот ±10%.
Техническим результатом изобретения является уменьшение ошибок установки фазы (±1° в диапазоне частот ±10%) малогабаритного микрополоскового фазовращателя разряда 11,25°.
Указанный технический результат достигается тем, что дискретный СВЧ фазовращатель на микрополосковых линиях передачи, содержащий pin-диодный петлевой разряд, реализованный на последовательно соединенных двух pin-диодах, анод второго pin-диода подключен к середине петли, а его катод к короткозамкнутому согласующему шлейфу, четырех конденсаторах, первый из которых установлен в петле, второй на первом входе-выходе устройства, третий на его втором входе-выходе, четвертый подключен к корпусу, первый pin-диод включен последовательно в основную линию передачи, в разрыв короткозамкнутого согласующего шлейфа с волновым сопротивлением от 90 до 100 Ом дополнительно введен третий pin-диод, соединенный с четвертым конденсатором и катодом второго pin-диода, причем анод первого pin-диода соединен с помехоподавляющим фильтром, подключенным к корпусу, а pin-диодный петлевой разряд выполнен со связью в петле длиной λ/32.
До настоящего времени не удавалось микрополосковый фазовращатель L-диапазона с фазовым сдвигом 11,25° выполнить по петлевой схеме с электромагнитной связью в петле с хорошими характеристиками, поскольку из-за малых размеров петли наблюдалось переотражение СВЧ сигнала и возникновение резонансов. Использование связи в петле, включение в схему дополнительного диода и помехоподавляющего фильтра, а также правильно подобранные размеры проводников позволили избавиться от этих проблем и добиться требуемых характеристик.
На фигуре 1 приведена электрическая схема, иллюстрирующая предлагаемое техническое решение.
На фигуре 2 показан пример выполнения дискретного СВЧ фазовращателя на микрополосковых линиях передачи.
1
4
1
3
1
Дискретный СВЧ фазовращатель на микрополосковых линиях передачи состоит из контакта 1, цепи подключения помехоподавляющего фильтра к корпусу 2, короткозамкнутого согласующего шлейфа 3, основной микрополосковой линии передачи (основная линия заштрихована), включающей петлю со связью длиной λ/32 4, C-С - первого, второго, третьего и четвертого конденсаторов, VD-VD - первого, второго и третьего pin-диодов, ZR - первого помехоподавляющего фильтра.
1
3
Дискретный СВЧ фазовращатель выполнен на pin-диодах одного типа (VD-VD).
1
4
В цепи управления pin-диодами, на входе и выходе фазовращателя в качестве блокировочных и разделительных емкостей используются, например, бескорпусные конденсаторы одного типа (C-C).
1
Для разделения по СВЧ основной линии передачи с цепью управления используется помехоподавляющий фильтр (ZR).
Работа дискретного СВЧ фазовращателя на микрополосковых линиях передачи осуществляется следующим образом.
1
3
Все pin-диоды VD-VD открываются одновременно отрицательным напряжением.
При подаче положительного напряжения на контакт 1 все pin-диоды фазовращателя закрыты и СВЧ сигнал проходит по основной линии передачи, включая петлю 4 (см. фиг. 2, основная линия передачи заштрихована). Получаем фазу 0°.
1
1
4
1
2
3
4
При подаче отрицательного напряжения на контакт 1 открываются все pin-диоды и СВЧ сигнал через pin-диод VD проходит по основной линии передачи, исключая петлю 4. Путь сократился, получаем фазу плюс 11,25°. При этом цепь от pin-диода VD до заземленного конденсатора С (петля, конденсатор С, pin-диод VD, отрезок согласующего шлейфа, pin-диод VD, отрезок согласующего шлейфа, заземленный конденсатор С) имеет электрическую длину λ/4, трансформирует XX в точку pin-диода VD1 и не влияет на прохождение СВЧ сигнала по основной линии передачи.
Полученные результаты технического решения:
0
- полоса рабочих частот ΔF/F, %, ±10;
- средние потери, дБ, <0,25;
- средний ток потребления на разряд, мА, 60;
- ошибка установки фазы ±1%;
3
- габариты (Д×Ш×Т), мм, (10×20×1).
Технико-экономическим достоинством предлагаемого технического решения является создание малогабаритного микрополосного СВЧ фазовращателя, обеспечивающего сдвиг фазы 11,25° при минимальных ошибках установки фазы.