Дискретный СВЧ фазовращатель
DISCRETE MICROWAVE PHASE SHIFTER

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, в частности к проходным дискретным полупроводниковым фазовращателям, и может быть использовано в фазокомпенсаторах, фазированных антенных решетках и других радиотехнических устройствах для управления фазой электромагнитных колебаний.
Одной из основных характеристик проходных фазовращателей, определяющих сферу их применения, являются паразитные потери пропускания.
Известны схемы двухканальных фазовращателей, работа которых основана на поочередном включении посредством переключательных элементов (p-i-n диодов, полевых транзисторов, микроэлектромеханических переключателей) по команде управления в линию передачи сигнала двух фазосдвигающих цепей (ФСЦ), разница электрических длин которых обеспечивает необходимый фазовый дискрет за счет конечной скорости распространения электромагнитной волны в линии (см. Хижа Г.С. и др. СВЧ фазовращатели и переключатели: особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. М.: Радио и связь, 1984, с. 168). Однако в состав традиционных схем входят переключатели каналов, содержащие минимум по два переключательных элемента, что приводит к неизбежному увеличению потерь, поскольку паразитные потери пропускания обусловлены в основном потерями в этих элементах.
0
2
1
Наиболее близким к заявляемому фазовращателю является фазовращатель петлевого типа (см. Чижов А.И. Метод кратных импедансов в исследовании СВЧ цепей. М.: Радиотехника, 2014, с. 147). Топология такого устройства представлена на фиг. 1. Фазосдвигающая цепь известного фазовращателя представляет собой участок линии передачи 2 длиной  с волновым сопротивлением ρ, совпадающим с волновым сопротивлением линии 1, в которую включен фазовращатель, а к середине этого участка параллельно через диод D подключен короткозамкнутый отрезок линии 3. Вход и выход ФЦС соединены через последовательно включенный диод D.
1
2
0
1
0
При закрытых диодах СВЧ сигнал проходит без отражений по участку 2 линии 1. При этом диоды D и D имеют большое по сравнению с ρ сопротивление и не оказывают влияния на прохождение сигнала. В режиме открытых диодов СВЧ сигнал проходит через диод D, а участок (отрезок) 2 можно представить в виде параллельно подключенного к линии 1 шлейфа длиной  и волновым сопротивлением 0,5 ρ. Данный шлейф с отрезком линии передачи 3 имеет электрическую длину ~λ/4 (представляет собой четвертьволновый резонатор) и практически не оказывает влияния на фазу СВЧ сигнала (λ - длина волны в линии передачи).
По сравнению с двухканальным фазовращателем число переключательных (управляющих) элементов в фазовращателе петлевого типа удается уменьшить до двух, однако его потери пропускания остаются значительными.
Техническим эффектом, на достижение которого направлено предлагаемое решение, является снижение паразитных потерь пропускания фазовращателя.
Указанный эффект достигается тем, что в дискретном СВЧ фазовращателе проходного типа, содержащем отрезок линии передачи и переключательный элемент, преимущественно диод, центральный проводник упомянутого 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.
0
На фиг. 2 изображен фазовращатель предлагаемой конструкции, установленный в линии передачи 1 с волновым сопротивлением р, выполненный в виде отрезка линии передачи, центральный проводник которого представляет собой параллельное соединение проводников 2 и 3. В проводнике 3 выполнен поперечный зазор, разделяющий его на две части, соединенные через управляющий элемент 4, преимущественно диод.
Конфигурация продольного зазора, разделяющего проводники 2 и 3 фазовращателя, может специально подбираться для оптимизации параметров.
1
0
Фазовращатель работает следующим образом. При закрытых диодах он представляет собой «П»-образный фильтр нижних частот с электрической длиной ϕ, в котором высокоомный по сравнению с ρ проводник 2 с экраном является индуктивным отрезком линии передачи, а присоединенные к его концам части отрезка 3 имеют емкостной характер. Меняя соотношение ширины проводников 2 и 3 и расстояние между ними, можно оптимизировать характеристики этого фильтра.
2
0
1
2
При открытом диоде 4 фазовращатель представляет собой параллельное соединение двух проводников, вместе с экраном образующих отрезок линии передачи с электрической длиной ϕ и волновым сопротивлением, близким к ρ. Разница между ϕ и ϕ определяет дискрет фазовращателя. Предлагаемая конструкция фазовращателя позволяет реализовать дискреты фазы до 45°.
Для реализации максимального (~45°) дискрета фазовращателя ширина проводника 2 должна быть существенно (в несколько раз) меньше, чем ширина проводника 3. При этом длина и ширина продольного зазора выбирается из условия максимальной электрической длины фазовращателя в режиме «выключено» (при закрытом диоде 4).
Использование в фазовращателе предлагаемой конструкции всего одного переключательного элемента в одном из двух параллельных проводников позволяет снизить паразитные потери пропускания.
Пример реализации.
Разработан и изготовлен фазовращатель с дискретом 11°, предназначенный для работы в S-диапазоне частоты. Устройство выполнено на поликоровой подложке толщиной 0,5 мм, установленной на металлическом основании. Длина и ширина продольного зазора равны 2,3 и 0,15 мм соответственно. В качестве переключательного элемента использован диод MA4L001-134 фирмы М/А-СОМ. Паразитные потери составляют ~0,1 дБ, что находится на уровне погрешности измерений.