Дискретный фазовращатель СВЧ

Полезная модель относится к области радиотехники СВЧ и может быть использована в фазированных антенных решетках для электронного управления положением луча.
Известен проходной фазовращатель на переключаемых отрезках линий передачи (см. Г.С Хижа и др. СВЧ фазовращатели и переключатели, М., «Радио и связь» 1984 г. стр. 30, рис. 1.21). Фазовращатель содержит два отрезка линий передачи разной длины, концы которых соединены через коммутирующие диоды с входом и выходом. Изменение фазы фазовращателя обеспечивается изменением длины прохождения сигнала при переключении отрезков. Фазовращатель согласован во всем диапазоне частот независимо от величины изменения фазы. Недостатком фазовращателя является большое количество (не менее четырех) диодов, что уменьшает его надежность. Выход из строя одного из диодов приводит не только к ошибочному значению фазового сдвига, но и полной потере сигнала.
Меньшее количество диодов и следовательно более высокую надежность имеет проходной фазовращатель типа нагруженной линии передачи (см. Г.С. Хижа и др. СВЧ фазовращатели и переключатели, М, «Радио и связь» 1984 г. стр. 25, рис. 1.15). Фазовращатель содержит четвертьволновый отрезок линии передачи, соединяющий вход и выход, на концах которого через коммутирующие диоды подключены одинаковые реактивные нагрузки, например в виде короткого разомкнутого шлейфа. Фазовращатель согласован на средней частоте, на которой отражения от нагрузок компенсируют друг друга, при выбранной длине отрезка равной примерно четверти длины волны. При отстройке от частоты согласования, КСВН фазовращателя растет, причем, чем больше вносимый фазовый сдвиг обеспечивает фазовращатель, тем больше увеличение КСВН. Поэтому фазовращатель при заданном уровне согласования в рабочем диапазоне частот обеспечивает небольшие изменения фаз. Кроме того, фазовращатель имеет большие габариты, обусловленные использованием четвертьволнового отрезка линии.
Больший фазовый сдвиг позволяет обеспечить проходной петлевой фазовращатель (см. Г.С Хижа и др. СВЧ фазовращатели и переключатели, М., «Радио и связь» 1984 г. стр. 30, рис. 1.20). Фазовращатель содержит одинаковые первый и второй отрезки линии передачи, одни концы которых соединены между собой, а другие соединены с входом и выходом, между которыми включен первый коммутирующий диод. К точке соединения первого и второго отрезков линии подключен одним выводом второй коммутирующий диод, второй вывод которого соединен с одним концом третьего отрезка линии передачи, второй конец которого короткозамкнут. Волновое сопротивление первого и второго отрезков равно сопротивлению входа. Петлевой фазовращатель имеет узкий диапазон частот согласования, так как при включенных диодах к входу подключается шунтирующий четвертьволновый шлейф. Кроме того фазовращатель имеет большие габариты, обусловленные использованием четвертьволнового шлейфа.
Наиболее близким из известных аналогов к заявляемому фазовращателю является фазовращатель (см. а.с. СССР №1336138 МПК Н01Р 1/18) выбранный в качестве прототипа. Прототип содержит одинаковые первый и второй отрезки линии передачи, одни концы которых соединены между собой, а другие соединены с входом и выходом, между которыми последовательно включены первый коммутирующий диод и конденсатор. К точке соединения первого и второго отрезков линии подключен одним выводом второй коммутирующий диод, второй вывод которого короткозамкнут. Волновое сопротивление первого и второго отрезков равно сопротивлению входа. Фазовращатель, при длине отрезков линий равной одной восьмой длины волны, и нормированном реактивном сопротивлении конденсатора равном единице, обеспечивает фазовый сдвиг только равный 180 градусов. Недостатком известного фазовращателя является то, что он не обеспечивает значение фазового сдвига с дискретами меньше 180 градусов.
Цель полезной модели - увеличение количества номиналов изменения фазы при уменьшении габаритов.
Для достижения указанной цели, предлагается в дискретный фазовращатель СВЧ, содержащий одинаковые первый и второй отрезки линии передачи, волновое сопротивление которых равно сопротивлению входа, при этом одни концы отрезков соединены между собой, а вторые - соединены с входом и выходом, а также между собой через последовательно включенные конденсатор и первый коммутирующий диод, а к точке соединения первого и второго отрезков линии подключен одним выводом второй коммутирующий диод, согласно полезной модели, ввести третий отрезок линии передачи, один конец которого соединен со вторым выводом второго диода, а второй конец разомкнут.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого устройства из литературы неизвестны, поэтому оно соответствует критериям новизны.
На фиг. 1 приведена схема дискретного фазовращателя СВЧ, на фиг. 2 - частотные характеристики фазы (сплошная линия, шкала слева) и КСВН (пунктирная линия, шкала справа).
Предлагаемый дискретный фазовращатель СВЧ (см. фиг. 1) содержит одинаковые первый 1 и второй 2 отрезки линии передачи, одни концы которых соединены между собой, а другие соединены последовательно через конденсатор 3 и первый коммутирующий диод 4. Эти же концы отрезков соединены с входом и выходом. К точке соединения первого 1 и второго 2 отрезков линии подключен одним выводом второй коммутирующий диод 5, второй вывод которого соединен с одним концом третьего отрезка линии передачи 6, второй конец которого разомкнут.
Волновое сопротивление отрезков линии 1,2 выбирается, из условия согласования фазовращателя в режиме минимальной фазы, равным сопротивлению входа и выхода.
3
Электрическая длина Q отрезка линии 6, выбирается из условия получения требуемой разности фаз Δϕ, вносимой фазовращателем, по формуле:
1
3
Нормированная емкостная проводимость Yc конденсатора 3, и электрическая длина Q отрезков 1,2 выбирается из условия согласования разомкнутого отрезка 6 длиной Q, конденсатором 3, по формуле
3
c
c
1
1
1
c
3
c
3
Из формулы (2) видно, что согласование отрезка 6 длиной Q можно обеспечить либо величиной проводимости Y конденсатора 3, либо длиной Q1 отрезков линии 1,2. Проводимость Y конденсатора 3,, целесообразно выбирать в пределах от 0.5 до 1.0. При этом длина Q отрезков линии 1,2 меньше одной восьмой длины волны (Q меньше 45 градусов). Например при Q=15 градусов, при Y=0.5, согласно формулам (1)(2), Q=5.1 град (Δϕ=10.2 град), а при Y=1.0, Q=15 град (Δϕ=30 град).
c
Исходя из нормированной проводимости Y, определяется емкость С конденсатора 3 по формуле:
где: ω - круговая частота,
0
ρ- сопротивление входа
ш
Формулы (1) и (2) получены на основе анализа схемы фазовращателя методом синфазно - противофазного возбуждения, в котором, для упрощения анализа, волновое сопротивление разомкнутого отрезка линии 6 в два раза меньше сопротивления входа. Волновое сопротивление разомкнутого отрезка линии 6 может быть выбрано любым, ρ, при этом, при эквивалентности входных сопротивлений, его электрическая длина Q определяется по формуле
0
Предлагаемый дискретный фазовращатель СВЧ (см. фиг. 1) работает следующим образом. При закрытых диодах 4,5 СВЧ сигнал, поступающий на вход ВХ, проходит на выход ВЫХ по отрезкам 1,2. Так как волновое сопротивление отрезков 1,2 равно сопротивлению ρ входа и выхода, фазовращатель согласован во всем диапазоне частот. При этом вносит фазовый сдвиг равный электрической длине двух отрезков 1 и 2.
3
c
1
c
3
При открытых диодах 4,5, к линии передачи, соединяющей вход и выход, подключается разомкнутый отрезок длиной Q, и одновременно вход и выход дополнительно соединяются через конденсатор 3 с реактивной проводимостью Y. При выбранных согласно формуле (2) величинах длины Q отрезка 1, и проводимости Y конденсатора 3, обеспечивается согласование фазовращателя. Изменение фазы фазовращателя при этом определяется длиной Q разомкнутого шлейфа, согласно формуле (1). Зависимости разности фаз и КСВН от частоты (фиг. 2) показывают, что предлагаемый фазовращатель с вносимой разностью фаз Δϕ, например равной 45 градусов, согласован в широком диапазоне частот.
Таким образом, происходит дискретное изменение фазы коэффициента передачи, при согласовании фазовращателя в широком диапазоне частот. Величина изменения фазы может быть реализована с любым дискретом от нуля до 180 градусов, при хорошем согласовании в широком диапазоне частот.
На предприятии были изготовлены макеты предложенного дискретного фазовращателя СВЧ L-диапазона. Макеты выполнены на микрополосковой линии с дискретами изменения фазы на заданной частоте равном 45 и 90 градусов. При экспериментальной проверке были получены результаты, подтверждающие достижение поставленной цели. Макет в диапазоне частот с перекрытием 3.0 обеспечивали переключение дискретов фазы, при КСВН со стороны входа ВХ меньше 1.4. В тоже время прототип обеспечивал переключение фазы только с дискретом равном 180 градусов, с таким же КСВН в диапазоне частот шириной 40%. Таким образом, предлагаемый дискретный фазовращатель СВЧ, по сравнению с прототипом, обеспечивает расширение диапазона перестройки фазы.