ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ НА МИКРОПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ

Полезная модель относится к технике сверхвысокой частоты (СВЧ) и предназначена для изменения фазы электромагнитной волны в радиотехнических устройствах.
Известен дискретный фазовращатель (SU №1822612, МКИ Н01Р 01/18, 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 длиной 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 фазовращатель, выполненный по микрополосковой технологии (см. Техника средств связи, серия: Техника радиосвязи, 1980, вып.4 (22), стр.74, В.Н.Олейник, Петлевой микрополосковый фазовращатель дециметрового диапазона), на фазосдвигающей петле со связью с разомкнутым шлейфом, содержащий трехразрядный pin-диодный фазовращатель с разрядами 45°, 90° и 180°, причем в основании и вершине петли со связью каждого разряда соответственно размещены первый и
второй pin-диоды, катод которого связан с разомкнутым на конце шлейфом, причем петля со связью и разомкнутый на конце шлейф образуют суммарную длину, равную λ/2, к определенной точке которого подсоединен короткозамкнутый шлейф длиной λ/4, кроме того, в вершине петли со связью в разрыве подключен первый конденсатор, один вывод которого связан с объединенными анодами первого и второго pin-диодов, а второй вывод соединен с катодом первого pin-диода и подключен к короткозамкнутому шлейфу длиной λ/4, источник напряжения смещения, связанный через второй конденсатор с землей, подключен к основной линии передачи к каждому разряду фазовращателя через согласующий проводник длиной λ/4 к объединенным анодам первого и второго pin-диодов, таким образом, объединенные аноды первого и второго pin-диодов разрядов 45° и 180° и катод первого pin-диода разряда 90° являются входами разрядов фазовращателя, а катод первого pin-диода разрядов 45° и 180° и объединенные аноды первого и второго pin-диодов разряда 90° являются выходами разрядов фазовращателя, причем вход разряда 45° соединен через третий конденсатор с входом фазовращателя, а выход подключен непосредственно к входу разряда 90°, выход которого связан через четвертый конденсатор с входом разряда 180°, а выход разряда 180° является выходом фазовращателя.
Недостатком известного технического решения является узкая рабочая полоса частот, значительные габариты и громоздкие цепи питания.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является сверхвысокочастотное устройство на микрополосковых линиях передачи (RU №2130672 С1 МПК Н01Р 01/185, опубл. 20.05.1999), содержащее фазосдвигающую петлю со связью в каждом разряде фазовращателя, причем в основании и вершине петли соответственно размещены первый и второй pin-диоды, а в вершине петли в разрыве подключен первый конденсатор, причем в разрыве петли выводы первого конденсатора соединены соответственно с объединенными выводами катода
первого, анода второго pin-диодов и с анодом первого pin-диода, а выходы источника напряжения смещения подключены через второй конденсатор к земле и соответственно связаны с каждым разрядом фазовращателя через согласующий проводник с катодом второго pin-диода, причем петля со связью и согласующий проводник каждого плеча образуют суммарную длину, равную λ/4, кроме того, четырехразрядный pin-диодный фазовращатель имеет разряды 22,5°, 45°, 90°, 180°, причем разряд 180° состоит из второго и третьего разрядов 90°, а входом и выходом разрядов 45° и 22,5° являются соответственно точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов и анода второго pin-диода соответствующего разряда, входом и выходом разряда 90° являются соответственно вывод анода первого pin-диода и точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов, входом и выходом разряда 180° являются соответственно точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов второго разряда 90° и точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов третьего разряда 90°, а второй вывод первого конденсатора разрядов 45°, 22,5° и второго разряда 90° связан с высокоомным короткозамкнутым шлейфом длиной λ/4, причем вход и выход разряда 45° соединены соответственно через третий и четвертый конденсаторы с входом фазовращателя и входом разряда 22,5°, выход которого непосредственно подключен к входу 90° разряда фазовращателя, причем вход и выход второго разряда 90° связан соответственно через пятый конденсатор с выходом разряда 90° и непосредственно с входом третьего разряда 90°, выход которого подключен через шестой конденсатор к выходу фазовращателя.
Недостатком этого «Сверхвысокочастотного устройства на микрополосковых линиях передачи» является узкая полоса рабочих частот (около 6%).
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение полосы рабочих частот до 50%.
Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, фазовращатель на микрополосковых линиях передачи содержит pin-диодные петлевые разряды 22,5°; 45°; 90°; каждый из которых подключен к соответствующему выходу источника управляющего напряжения смещения, а также pin-диодный разряд 180°, причем все pin-диодные разряды соединены между собой.
Новым в предлагаемой полезной модели является выполнение pin-диодный петлевой разряд 180° выполнен на основе встречно-штырьевого направленного микрополоскового ответвителя, внешние развязанные плечи которого подключены одно через первый конденсатор к pin-диодному петлевому разряду 90°, а другое через второй конденсатор к первому входу выходу фазовращателя на микрополосковых линиях передачи. Каждое внутреннее плечо встречно-штырьевого направленного ответвителя соединено через индуктивность с короткозамкнутым шлейфом и подключено к последовательно соединенным pin-диоду и согласующему проводнику. противоположные концы согласующих проводников соединены между собой и подключены к соответствующему выходу источника управляющего напряжения смещения. Каждый из противоположных концов согласующих проводников соединены соответственно с одним контактом третьего и одним контактом четвертого конденсаторов, другие их контакты заземлены. Введенный pin-диодный петлевой корректирующий разряд, включен между двумя любыми pin-диодными петлевыми разрядами, причем с одним из них через пятый конденсатор и соединен с источником управляющего напряжения смещения. Все разряды могут располагаться в произвольном порядке при условии обеспечения их согласования и режимов включения по постоянному току, при этом вторым входом-выходом фазовращателя на микрополосковых линиях передачи является подключенный через шестой конденсатор первый стоящий по порядку pin-диодный петлевой разряд.
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого фазовращателя на микрополосковых линиях передачи
На фиг.2 приведен пример выполнения pin-диодного петлевого разряда.
1
2
1
1
2
2
3
4
5
Фазовращатель на микрополосковых линиях передачи состоит из источника напряжения смещения 1, pin-диодных петлевых разрядов 22,5°-2,45°-3, корректирующего pin-диодного петлевого разряда 4, pin-диодного петлевого разряда 90°-5, pin-диодного петлевого разряда 180°-6. Pin-диодные петлевые разряды 2, 3, 4, 5 подключены к соответствующим выходам источника управляющего напряжения смещения 1. Pin-диодный петлевой разряд 180°-6 выполнен на основе встречно-штырьевого направленного микрополоскового ответвителя 7, внешние развязанные плечи которого подключены: одно через конденсатор C к pin-диодному петлевому разряду 90° 5, а другое через конденсатор C к второму входу-выходу фазовращателя на микрополосковых линиях передачи. Одно внутреннее плечо встречно-штырьевого направленного ответвителя 7 соединено через индуктивность L с короткозамкнутым шлейфом 8 и подключено к последовательно соединенным pin-диоду D и согласующему проводнику 10. Другое внутреннее плечо встречно-штырьевого направленного ответвителя 7 соединено через индуктивность L с короткозамкнутым шлейфом 9 и подключено к последовательно соединенным pin-диоду D и согласующему проводнику 11. Согласующие проводники 10 и 11 соединены и подключены к соответствующему выходу источника управляющего напряжения смещения 1. Кроме того, согласующий проводник 10 соединен с одним контактом конденсатора С, другой контакт которого заземлен. Согласующий проводник 11 соединен с одним контактом конденсатора C другой контакт которого заземлен. Pin-диодные петлевые разряды 2, 3, 5, а также корректирующий pin-диодный петлевой разряд 4 соединены друг с другом, причем корректирующий pin-диодный петлевой разряд 4 подключен к pin-диодному петлевому разряду 45° 3 через конденсатор C.
6
Pin-диодный петлевой разряд 22,5° 2 соединен с первым входом-выходом фазовращателя на микрополосковых линиях передачи через конденсатор С.
3
4
7
8
Корректирующий pin-диодный петлевой разряд 4, схема которого приведена на фиг.2 выполнен на фазосдвигающей петле с электромагнитной связью и состоит из pin-диодов D, и D, короткозамкнутого шлейфа 12 и согласующего проводника 13, конденсаторов С и C.
Фазовращатель на микрополосковых линиях передачи работает следующим образом.
С источника управляющего напряжения смещения 1 смещение подается на каждый разряд 22,5° 2, 45° 3, 90° 5. В pin-диодном петлевом разряде при подаче от источника управляющего напряжения смещения 1 положительного смещения на pin-диоды D4 и D3 они закрыты, и СВЧ сигнал проходит по фазосдвигающей петле В этом состоянии разряд имеет некоторую фиксированную электрическую длину, значение которой, выраженное в угловых единицах, принимается за начальную или опорную фазу.
При подаче от источника управляющего напряжения смещения 1 отрицательного смещения на pin-диоды D3 и D4 они открываются, и СВЧ сигнал проходит по основной линии передачи. 12 образуют шлейф длиной λ/4 с коротким замыканием (К3) на конце, и, следовательно, в точке подключения этой цепи к основному проводнику создается режим холостого хода (XX), так что она не влияет на проходящий по основному проводнику СВЧ сигнал. Очевидно, что при этом электрическая длина разряда принимает новое значение, которое меньше опорного примерно на длину петли. При вычитании этого значения, выраженного в угловых единицах из значения опорной фазы, мы получим значение фазового сдвига реализуемого данным разрядом. Длина петли может быть заранее рассчитана с достаточной точностью для реализации заданного фазового сдвига. Однако при увеличении длины петли для получения больших фазовых сдвигов фазовые ошибки в диапазоне рабочих частот быстро увеличиваются. Поэтому в
данном техническом решении разряд 180° 6 выполнен на встречно-стержневом направленном ответвителе с коэффициентом деления 3 дБ 7, который характеризуется исключительной широкополосностью.
Чтобы полностью использовать это свойство встречно-штыревого направленного ответвителя в разряде 180° 6 для получения требуемого фазового сдвига применена коммутация не отрезков микрополосковой линии, а режимов XX и К3, характеристики которых неизменны во всем частотном диапазоне.
Входом и выходом разряда 180° 6 являются соответственно входное плечо прямого канала и обратное плечо ответвляемого канала встречно-штырьевого направленного ответвителя 7, у которого выходные плечи прямого и ответвляемого каналов соединены соответственно с анодами соединенных параллельно pin-диодов D1 и D2 и, через индуктивности L1 и L2 и согласующие проводники 8 и 9 с землей. Катоды pin-диодов D1 и D2 соединены с источником управляющего напряжения смещения 1 и через конденсаторы С3 и С4 с землей.
Управляющее низкочастотное напряжение смещения подается на два параллельно соединенных pin-диода D1 и D2 разряда 18064. Пройдя через pin-диоды D1 и D2, индуктивности L1 и L2, согласующие проводники 8 и 9 управляющий сигнал замыкается на землю.
При подаче от источника управляющего напряжения смещения 1 положительного смещения на pin-диоды D1 и D2 они заперты, и в выходных плечах прямого и ответвляемого каналов встречно-штырьевого направленного ответвителя 7 в точках подключения указанных pin-диодов создается режим XX. В этом случае, как известно, падающие СВЧ волны отражаются от точек XX без изменения фазы и, суммируясь в направленном ответвителе, проходят на выход разряда. Электрическая длина этого состояния разряда 180° принимается в качестве опорного значения.
При подаче от источника управляющего напряжения смещения 1 отрицательного смещения на pin-диоды D1 и D2 они открываются и
соединяют по СВЧ выходные плечи прямого и ответвляемого каналов направленного ответвителя 7 с землей, так что в этих точках режим XX сменяется режимом К3. В этом случае, как известно, падающие СВЧ волны отражаются от точек К3 с изменением фазы на 180° и, суммируясь в направленном ответвителе 7, проходят на выход разряда. Очевидно, что значение электрической длины этого состояния разряда отличается от опорного значения на 180° в широком диапазоне частот (50% и более). Это и есть фазовый сдвиг, реализуемый разрядом 180°.
При работе в нижней трети диапазона частот одновременно с разрядом 90°, включается корректирующий разряд 4.
Предлагаемое техническое решение опробовано в дециметровом диапазоне частот. Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом показывает следующие результаты (предлагаемое техническое решение/прототип):
- количество разрядов
4/4;
- количество диодов
10/10;
- полоса рабочих частот ΔF/F<sub>0</sub>,%
50/6;
- средние потери, дБ
2/1,6;
- разброс между максимальными и минимальными потерями, дБ
0,6/0,2;
- средний ток потребления на разряд, мА
66/66;
- габариты (Д×Ш×Т), мм<sup>3</sup>
(60×24×1)/(48×23×1).
Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом позволит значительно расширить полосу рабочих частот (до 50%)