МНОГОРАЗРЯДНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИСКРЕТНЫЙ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) радиотехники, а в частности к широкополосным дискретным полупроводниковым СВЧ фазовращателям и может быть использована в фазовых модуляторах, фазокомпенсаторах, фазированных антенных решетках и других радиотехнических устройствах для управления фазой электромагнитных колебаний.
Известны широкополосные дискретные диодные СВЧ фазовращатели [1], состоящие из N фазосдвигающих разрядов на переключаемых отрезках линий передачи с различной электрической длиной в каждом разряде для обеспечения задержки сигнала за счет конечной скорости распространения волны в линии, в результате чего получается необходимый фазовый сдвиг-дискрета.
Известен дискретный фазовращатель [2], содержащий отрезок полосковой линии передачи, сигнальный провод которой выполнен в виде петли, причем в основании и вершине петли, соответственно, размещены первый коммутирующий элемент, которым является 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. Причем разомкнутый шлейф связан через второй коммутирующий pin-диод с короткозамкнутым шлейфом.
Общими недостатками аналогов [1] и [2] являются наличие существенной амплитудной модуляции при переключении разрядов, высокая (±10%) фазовая погрешность в 10%-й рабочей полосе частот. Дополнительными недостатками являются большие масса и габариты при использовании вышеописанных фазовращателей в метровом диапазоне длин волн.
Наиболее близким из известных аналогов, служащим прототипом заявленного фазовращателя, является дискретный петлеобразный диодный СВЧ фазовращатель [3], представленный на фиг. 1 (для упрощения показан один разряд), состоящий из микрополосковой секции, которая является фазосдвигающим элементом (ФСЭ), и диода, коммутирующего концы петли, являющегося опорным элементом (ОЭ).
Недостатки данного прототипа такие же, как у вышеописанных аналогов [1, 2].
Достигаемым техническим результатом предлагаемой полезной модели является улучшение ее электрических характеристик, а именно уменьшение амплитудной модуляции при переключении разрядов и снижение фазовой погрешности в рабочей полосе частот. Дополнительным техническим результатом, при использовании предлагаемой полезной модели в метровом диапазоне длин волн, является уменьшение массы и габаритов.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из N последовательно соединенных разрядов, в состав каждого из которых входят фазосдвигающий элемент (ФСЭ) и опорный элемент (ОЭ), который состоит из pin-диода ОЭ, анод которого соединен с входом разряда фазовращателя, в ОЭ дополнительно введены первый и второй конденсаторы ОЭ, индуктивность ОЭ и второй pin-диод ОЭ, при этом катод первого pin-диода ОЭ, через последовательно соединенные первый и второй конденсаторы ОЭ, соединен с катодом второго pin-диода ОЭ, а общая точка между первым и вторым конденсаторами ОЭ соединена с корпусом устройства через индуктивность ОЭ, элементная база ФСЭ полностью заменена и состоит из первого и второго pin-диодов ФСЭ, первого и второго конденсаторов ФСЭ и индуктивности ФСЭ, катоды первого и второго pin-диодов ФСЭ, соответственно, соединены через первый и второй конденсаторы ФСЭ с корпусом фазовращателя, а между собой соединены индуктивностью ФСЭ, причем анод первого pin-диода ФСЭ имеет общую точку с анодом первого pin-диода ОЭ, которая является входом разряда фазовращателя, а анод второго pin-диода ФСЭ соединен с анодом второго pin-диода ОЭ, и их общая точка является выходом этого разряда фазовращателя, при этом вход первого разряда является входом фазовращателя, а выход последнего разряда - выходом фазовращателя. В каждом N разряде обеспечивается заданный сдвиг по фазе входящего в разряд СВЧ сигнала.
То есть вместо микрополосковых фазосдвигающих секций в предлагаемом фазовращателе используются фазосдвигающие секции согласованных Т-образного фильтра верхних частот (ФВЧ) в ОЭ и П-образного фильтра нижних частот (ФНЧ) в ФСЭ, выполненных на сосредоточенных элементах (индуктивностях и конденсаторах). Номиналы индуктивностей и конденсаторов рассчитываются таким образом, чтобы для каждого N разряда обеспечивался заданный сдвиг по фазе.
Предлагаемая полезная модель состоит из N разрядов, где число «N» может принимать значения от 1 до 6. По вышеизложенному принципу можно разрабатывать многоразрядные широкополосные дискретные СВЧ фазовращатели.
Рассмотрим состав и работу одного разряда фазовращателя.
На фиг. 2 представлена электрическая схема одного разряда предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - фазосдвигающий элемент (ФСЭ);
2 - опорный элемент (ОЭ);
3, 4 - первый и второй конденсаторы ФСЭ;
5 - индуктивность ФСЭ;
6, 7 - первый и второй pin-диоды ФСЭ;
8, 9 - первый и второй pin-диоды ОЭ;
10, 11 - первый и второй конденсаторы ОЭ;
12 - индуктивность ОЭ.
Для упрощения на фиг. 2 представлена только высокочастотная часть устройства без цепей управления.
Дискретный СВЧ фазовращатель состоит из ФСЭ 1 и ОЭ 2, соединенных параллельно. Фаза ОЭ 2 принимается за нулевую.
ФСЭ 1 состоит из первого и второго коммутирующих pin-диодов ФСЭ 6, 7, а также из П-образного ФНЧ, в состав которого входят первый и второй конденсаторы ФСЭ 3, 4 и индуктивность ФСЭ 5.
ОЭ 2 состоит из первого и второго коммутирующих pin-диодов ОЭ 8, 9 и Т-образного ФВЧ, в состав которого входят первый и второй конденсаторы ОЭ 10, 11 и индуктивность ОЭ 12.
При этом параллельно подключенные П-образный ФНЧ и Т-образный ФВЧ коммутируются, соответственно, первым и вторым pin-диодами ФСЭ 6, 7 и первым и вторым pin-диодами ОЭ 8, 9.
Входом разряда устройства является общая точка, соединяющая анод первого pin-диода ФСЭ 6 и анод первого pin-диода ОЭ 8. Катод первого pin-диода ОЭ 8 через последовательно соединенные первый и второй конденсаторы ОЭ 10, 11 соединен с катодом второго pin-диода ОЭ 9, а общая точка между первым и вторым конденсаторами ОЭ 10,11 соединена с корпусом устройства через индуктивность ОЭ 12. Катоды первого и второго pin-диодов ФСЭ 6, 7, соответственно, соединены через первый и второй конденсаторы ФСЭ 3, 4 с корпусом устройства, а между собой соединены индуктивностью ФСЭ 5. Анод второго pin-диода ФСЭ 7 соединен с анодом второго pin-диода ОЭ 9, и их общая точка является выходом этого разряда устройства.
Устройство работает следующим образом.
На вход разряда устройства подается СВЧ сигнал. Пары коммутирующих pin-диодов ФСЭ и ОЭ 6, 7 и 8, 9, соответственно, работают в инверсном режиме. Поэтому если первый и второй pin-диоды ОЭ 8, 9 открыты, а первый и второй pin-диоды ФСЭ 6, 7 закрыты, то СВЧ сигнал проходит через Т-образный ФВЧ, и на выходе разряда устройства исходный СВЧ сигнал получает заданный сдвиг по фазе. И наоборот, если первый и второй pin-диоды ФСЭ 6, 7 открыты, а первый и второй pin-диоды ОЭ 8, 9 закрыты, то СВЧ сигнал проходит через П-образный ФНЧ, и на выходе разряда исходный СВЧ сигнал также получает заданный сдвиг по фазе. Так происходит последовательно в каждом разряде данного фазовращателя. На выходе СВЧ фазовращателя имеем необходимый сдвиг по фазе исходного СВЧ сигнала.
Волновые сопротивления ФНЧ и ФВЧ выбираются равными волновому сопротивлению тракта, что значительно снижает величину фазовой погрешности и амплитудной модуляции при переключении разрядов. Элементы ФНЧ и ФВЧ рассчитываются по формулам приведенным в [4] с учетом волнового сопротивления тракта.
Предлагаемый СВЧ фазовращатель благодаря свойствам ФНЧ и ФВЧ имеет фазовую погрешность ±3° на дискрет в 10%-й рабочей полосе частот, обусловленную точностью номиналов дискретных емкостей и индуктивностей.
По сравнению с микрополосковыми секциями, применяемыми в прототипе, меньшие масса и габариты предложенного фазовращателя при использовании в метровом диапазоне длин волн обусловлены, в основном, размерами применяемых конденсаторов и индуктивностей.
По вышеописанному принципу могут быть построены фазовращатели с разрядами, имеющими фазовый сдвиг 180°, 90°, 45°, 22.5°, 11.25° и 5.6°.
В соответствии с вышеописанной полезной моделью на предприятии разработаны и изготовлены СВЧ фазовращатели такого исполнения, имеющие широкое применение во многих изделиях.
Таким образом, благодаря тому, что в известное устройство, состоящее из N последовательно соединенных разрядов, в состав которых входят фазосдвигающий элемент (ФСЭ) и опорный элемент (ОЭ), который состоит из pin-диода ОЭ, в ОЭ введены первый и второй конденсаторы ОЭ, индуктивность ОЭ и второй pin-диод ОЭ, а в ФСЭ, при переходе на другую элементную базу, введены первый и второй pin-диоды ФСЭ, а также первый и второй конденсаторы ФСЭ и индуктивность ФСЭ с вышеописанными связями, улучшены электрические характеристики, а именно уменьшена амплитудная модуляция при переключении разрядов и снижена фазовая погрешность. Кроме того, при использовании предлагаемой полезной модели в метровом диапазоне длин волн достигается уменьшение массы и габаритов фазовращателя.
Источники информации:
1. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. СВЧ фазовращатели и переключатели: особенности создания на p-i-n-диодах в интегральном исполнении.- М.: Радио и связь, 1984, с. 167, рис. 5.12;
2. Авторское свидетельство SU 1822612, МПК H01P 1/18, опубликовано: 20.05.1995;
3. Патент RU 2231175, МПК H01P 1/185, опубликовано: 20.06.2004;
4. Карпов В.М., Малышев В.Α., Перевощиков И.В. Широкополосные устройства СВЧ на элементах с сосредоточенными параметрами.- М.: Радио и связь, 1984, с. 85.