ИНТЕГРАЛЬНЫЙ НАСТРОЕЧНЫЙ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

Предлагаемая полезная модель относится к области микроэлектроники, а именно, к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, и может быть использована в микрополосковых устройствах, в частности, в фазированных антенных решетках.
Известен подстроечный полосковый фазовращатель [1], состоящий из меандрового проводника, нанесенного на диэлектрическую подложку, с обратной стороны которой расположено заземляемое основание, и управляющей пластины на другой диэлектрической подложке. Управляющая пластина, перекрывающая участки связи соседних полосок меандрового проводника, заземляется на основание сосредоточенной или распределенной на некотором участке длины переменной емкостью, в качестве которой может служить емкостной винт или варикап.
Недостатком известного устройства является его сложность, обусловленная наличием двухслойной диэлектрической подложки с одной стороны, и емкостного винта или варикапа, расположенного в крышке корпуса перпендикулярно схеме фазовращателя, с другой.
Известен также проходной диодный фазовращатель на переключаемых отрезках микрополосковых линий передачи [2], в котором изменение фазы коэффициента передачи при переключении диодов происходит в результате изменения пути прохождения волны по двум различной длины отрезкам.
Недостатком такого фазовращателя с применением диодов является температурная нестабильность, а также сложность конструкции, обусловленная необходимостью применения драйвера для управления диодами и, как следствие, пониженная надежность.
Наиболее близким техническим решением, прототипом, является фазосдвигающая конструкция, изображенная на фиг.1, состоящая из металлизированной заземленной диэлектрической подложки, на которой размещаются входная 1 и выходная 2 микрополосковые линии, а между ними располагается фазосдвигающая секция 3 фазовращателя, состоящая из переключаемых микрополосковых отрезков линий передачи различной длины, соединяемых при необходимости металлическими перемычками [3]. Здесь отрезки переключаются с помощью перемычек 4, которые располагаются в зазорах между ними так, что, например, включение отрезка L так, как показано на фиг.1а, соответствует наименьшему фазовому сдвигу, а включение отрезков, изображенных на фиг.1б - максимальному фазовому сдвигу.
Прототип хотя и обладает температурной стабильностью, однако имеет недостатки, к которым относятся:
- дискретная, а следовательно неточная установка фазового сдвига, причем число дискретов определяется количеством поперечных микрополосковых отрезков;
- уменьшение надежности устройства при сокращении величины дискрета (при заданной величине максимального фазового сдвига), так как в этом случае растет число переключаемых отрезков и количество перемычек.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в улучшении технических характеристик в части повышения точности настройки фазового сдвига интегрального фазовращателя, компактности его топологии, высокой надежности работы при сохранении температурной стабильности его характеристик.
Этот технический результат достигается тем, что в интегральном настроечном СВЧ фазовращателе, содержащем полностью металлизированную с одной стороны и заземленную диэлектрическую подложку, на другой стороне которой размещаются входная и выходная микрополосковые линии, а между ними располагается фазосдвигающая секция СВЧ фазовращателя, состоящая из отрезков микрополосковых линий, соединяемых, при необходимости, металлическими перемычками, при этом фазосдвигающая секция выполнена в виде двух связанных друг с другом электромагнитной связью и соединенных между собой посередине микрополосковой перемычкой параллельных микрополосковых линий (левой и правой), причем концы правой линий свободны, а концы левой подключены к входной и выходной микрополосковым линиям. В местах подключений со стороны и перпендикулярно левой линии расположено по два разомкнутых на концах коротких настроечных микрополосковых отрезка, подключаемых к левой линии фазосдвигающей секции, при необходимости, настроечными металлическими перемычками. Имеется также возможность установки настроечных металлических перемычек в области электромагнитной связи правой и левой линий. При помощи металлических перемычек настройка СВЧ фазовращателя осуществляется как дискретно, так и плавно.
Конструкция предлагаемого узла представлена на фиг.2а.
Заявляемый интегральный настроечный СВЧ фазовращатель содержит полностью металлизированную с одной стороны и заземленную диэлектрическую подложку, на другой стороне которой размещены входная микрополосковая линия 1, выходная микрополосковая линия 2, а также включенная между ними фазосдвигающая секция 3. Фазосдвигающая секция 3 выполнена в виде двух связанных друг с другом электромагнитной связью параллельных микрополосковых линий, левой - 5 и правой - 6. Середины этих линий соединены друг с другом правой микрополосковой перемычкой. На входе и выходе секции в местах ее соединения с входной 1 микрополосковой линией и выходной 2 микрополосковой линией со стороны и перпендикулярно левой линии 5 расположено по два разомкнутых на концах коротких настроечных микрополосковых отрезка 7 и 8, подключаемых к левой линии 5 (при необходимости) для настройки устройства металлическими перемычками 4, которые также могут использоваться для соединения левой 5 и правой 6 линий в области их электромагнитной связи.
Интегральный настроечный СВЧ фазовращатель работает следующим образом:
На плечо входной 1 микрополосковой линии подается СВЧ сигнал от генератора с внутренним сопротивлением, равным волновому сопротивлению тракта. Металлическими перемычками 4 устанавливается фазовый сдвиг, условно принимаемый за нуль (фиг.2а). Изменение фазового сдвига в сторону увеличения на ∝=-Δφ (максимальный фазовый сдвиг, возможный в предлагаемой конструкции) осуществляется с помощью включения металлических перемычек 4, показано на фиг.2б. На фиг.2в показано уменьшение фазового сдвига на ∝=Δφ. Для изменения фазы с меньшим дискретом применяются промежуточные варианты, некоторые из которых изображены на фиг.2г  и 2д , где на фиг.2г две металлические перемычки 4 располагаются в области электромагнитной связи параллельных левой 5 и правой 6 микрополосковых линий, а третья соединяет с левой 5 микрополосковой линией один из настроечных микрополосковых отрезков 8, а на фиг.2д одна из металлических перемычек 4 располагается в области электромагнитной связи параллельных левой 5 и правой 6 микрополосковых линий, а другие соединяют с левой 5 микрополосковой линией один из настроечных микрополосковых отрезков 8 и настроечные микрополосковые отрезки 7.
Путем плавного перемещения металлической перемычки 4 в зазоре между параллельными правой 6 и левой 5 микрополосковыми линиями можно добиться промежуточных значений ∝ на фиг.2г в диапазоне Δφ/2<∝<Δφ, и на фиг.2д в диапазоне -Δφ/2<∝<0 (при незначительном изменении коэффициента стоячей волны (КСВ) фазовращателя), что является несомненным достоинством предлагаемой конструкции. Зазор между параллельными левой 5 и правой 6 микрополосковыми линиями, а также их ширина выбираются исходя из минимальных значений КСВ при всех возможных переключениях перемычек. Длина микрополосковых связанных линий пропорционально зависит от заданной величины Δφ, которая на практике не превышает 10-15° при максимальном КСВ не более 1,15.
Заявляемый интегральный настроечный СВЧ фазовращатель реализован в полосковом исполнении и применяется для подстройки фазы в многоканальном сумматоре мощности, входящем в состав приемной антенной решетки. Фрагмент сумматора с неравномерным амплитудно-фазовым распределением, содержащий 19 входных и один выходной каналы и имеющий 27 настроечных фазовращателей с Δφ=10°, изготовлен на платах из материала Arlon AD1000X толщиной 1,27 мм и диэлектрической проницаемостью 10,2.
Таким образом, за счет того, что в известном СВЧ фазовращателе, содержащем полностью металлизированную с одной стороны и заземленную диэлектрическую подложку, на другой стороне которой размещаются входная и выходная микрополосковые линии, а между ними располагается фазосдвигающая секция СВЧ фазовращателя, состоящая из отрезков микрополосковых линий, соединяемых при необходимости металлическими перемычками, фазосдвигающая секция выполнена в виде двух связанных друг с другом электромагнитной связью и соединенных между собой посередине микрополосковой перемычкой параллельных микрополосковых линий (левой и правой), причем концы правой линии свободны, а концы левой подключены к входной и выходной микрополосковым линиям, а также за счет того, что в местах подключений со стороны и перпендикулярно левой линии расположено по два разомкнутых на концах коротких настроечных микрополосковых отрезка, подключаемых к левой линии фазосдвигающей секции, при необходимости, настроечными металлическими перемычками, с помощью которых, а также тех, которые могут устанавливаются в области электромагнитной связи правой и левой линий, настройка СВЧ фазовращателя осуществляется как дискретно, так и плавно, достигаются улучшенные технические характеристики в части точности настройки фазового сдвига интегрального СВЧ фазовращателя, компактности его топологии, высокой надежности работы при сохранении температурной стабильности его характеристик.
Список использованной литературы:
1. П.А. Воробьев, Н.Д. Малютин «подстроенный полосковый фазовращатель», Вопросы радиоэлектроники, серия общетехническая, 1975, вып.10, с.97-105.
2. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток. // под ред. Д.И. Воскресенского. М.: «Радиотехника», 2012. стр.562.
3. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств // под ред. В.И. Вольмана. М.: «Радио и связь», 1982, стр.185.