Широкополосный многоразрядный 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.
Из патентных источников известен дискретный петлеобразный диодный СВЧ фазовращатель [3], состоящий из микрополосковой секции, которая является фазосдвигающим элементом (ФСЭ), и диода, коммутирующего концы петли, являющегося опорным элементом (ОЭ).
Общими недостатками аналогов [1], [2] и [3] являются относительная узкополосность устройства, то есть малая рабочая полоса частот (не более 1:1,2) и невозможность расширения рабочей полосы частот при сохранении фазовой погрешности (±3°) на дискрет.
Наиболее близким из известных аналогов, служащим прототипом заявленного фазовращателя, является дискретный диодный СВЧ фазовращатель [4], представленный на фиг. 1 (для упрощения показан один разряд), состоящий из ОЭ выполненного из двух pin-диодов ОЭ и трехзвенного фильтра верхних частот (ФВЧ) и ФСЭ выполненного из двух pin-диодов ФСЭ и трехзвенного фильтра нижних частот (ФНЧ).
Недостатки данного прототипа такие же, как у вышеописанных аналогов [1, 2, 3].
Достигаемым техническим результатом предлагаемой полезной модели является улучшение ее электрических характеристик, а именно расширение рабочей полосы частот до 1:2 и более при сохранении фазовой погрешности ±3°. Дополнительным техническим результатом является применяемость одного устройства в изделиях разных диапазонов частот (унификация).
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, состоящее из N последовательно соединенных разрядов, в состав каждого из которых входят фазосдвигающий элемент (ФСЭ) и опорный элемент (ОЭ), содержащий первый и второй pin-диоды ОЭ, первый и второй конденсаторы ОЭ, индуктивность 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, ФСЭ состоит из первого и второго pin-диодов ФСЭ, первого и второго конденсаторов ФСЭ и индуктивности ФСЭ, катод первого pin-диода ФСЭ, соединен через первый конденсатор ФСЭ с корпусом фазовращателя, а общая точка между катодом первого pin-диода ФСЭ и первым конденсатором ФСЭ соединена с первой индуктивностью ФСЭ, второй вывод которой соединен, через второй конденсатор ФСЭ с корпусом фазовращателя, 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, дополнительно введены в ФСЭ вторая индуктивность ФСЭ и третий конденсатор ФСЭ, при этом катод второго pin-диода ФСЭ соединен, через третий конденсатор ФСЭ с корпусом фазовращателя, а общая точка между катодом второго pin-диода ФСЭ и третьим конденсатором ФСЭ соединена с выводом второй индуктивности ФСЭ, другой вывод которой соединен со вторым выводом первой индуктивности ФСЭ, а в ОЭ дополнительно введены вторая и третья индуктивности ОЭ, при этом общая точка между катодом первого pin-диода ОЭ и первым конденсатором ОЭ соединена с корпусом устройства через вторую индуктивность ОЭ, а общая точка между катодом второго pin-диода ОЭ и второго конденсатора ОЭ соединена с корпусом устройства через третью индуктивность ОЭ. В каждом N разряде обеспечивается заданный сдвиг по фазе входящего в разряд СВЧ сигнала.
То есть данный технический результат достигается благодаря тому, что в каждом разряде увеличивается количество звеньев ФНЧ в ФСЭ и ФВЧ в ОЭ соответственно, 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.
На фиг. 2 показана схема фазовращателя на пятизвенных фильтрах высокой и низкой частоты, которая позволяет осуществление заданных характеристик в полосе частот не менее чем 1:2.
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, 14 - первый, второй и третий конденсаторы ФСЭ;
5, 13 - первая и вторая индуктивности 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, 15, 16 - первая, вторая и третья индуктивности ОЭ.
Для упрощения на фиг. 3 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 пятизвенного ФНЧ, в состав которого входят первый, второй, и третий конденсаторы ФСЭ 3, 4, 14 и индуктивности 5 и 11 ФСЭ.
ОЭ 2 состоит из первого и второго коммутирующих pin-диодов ОЭ 8, 9 и пятизвенного ФВЧ, в состав которого входят первый и второй конденсаторы ОЭ 10, 11 и индуктивности 12, 15, 16 ОЭ. При этом параллельно подключенные ФНЧ и 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, при этом общая точка между катодом первого pin-диода ОЭ 8 и первым конденсатором ОЭ 10 соединена с корпусом устройства через вторую индуктивность ОЭ 15, а общая точка между катодом второго pin-диода ОЭ 9 и вторым конденсатором ОЭ 11 соединена с корпусом устройства через третью индуктивность ОЭ 16. Катоды первого и второго pin-диодов ФСЭ 6, 7, соответственно, соединены через первый и третий конденсаторы ФСЭ 3, 14 с корпусом устройства, а общая точка между катодом второго pin-диода ФСЭ 7 и третьим конденсатором ФСЭ 14 соединена с выводом второй индуктивности ФСЭ 13, другой вывод которой соединен со вторым выводом первой индуктивности ФСЭ 5, при этом первый вывод которой соединен с общей точкой соединяющей катод первого pin-диода ФСЭ 6 и первый конденсатор ФСЭ 3, а общая точка между первой и второй индуктивностями ФСЭ 5, 13 соединена с корпусом устройства через второй конденсатор ФСЭ 4. 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 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 пятизвенный ФВЧ, и на выходе разряда 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 пятизвенный 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 позволяет расширить рабочую полосу частот до 1:2 и более при уменьшении фазовой погрешности. Элементы ФНЧ и ФВЧ рассчитываются по формулам, приведенным в [5] с учетом волнового сопротивления тракта.
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 разрабатываются СВЧ фазовращатели для применения в перспективных 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), содержащий первый и второй pin-диоды ОЭ, первый и второй конденсаторы ОЭ, индуктивность ОЭ, в ОЭ дополнительно введены вторая и третья индуктивности ОЭ, а в ФСЭ содержащий первый и второй pin-диоды ФСЭ, первый и второй конденсаторы ФСЭ и индуктивность ФСЭ, дополнительно введены вторая индуктивность ФСЭ и третий конденсатор ФСЭ с вышеописанными связями, улучшены электрические характеристики, а именно расширена рабочая полоса частот до 1:2 и более при сохранении фазовой погрешности ±3°. Дополнительным техническим результатом является применяемость одного устройства в изделиях разных диапазонах частот (унификация).
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 Н01Р 1/18, опубликовано: 20.05.1995.
3. Патент RU 2231175, МПК Н01Р 1/185, опубликовано: 20.06.2004.
4. Кравчук А.Ю., Байкина А.Б. Многоразрядный широкополосный дискретный сверхвысокочастотный фазовращатель. Патент РФ на полезную модель №166050, опубл. 10.11.2016, заявка №2016119706 от 20.05.2016. МПК Н01Р 1/18 - прототип.
5. Карпов В.М., Малышев В. А., Перевощиков И.В. Широкополосные устройства СВЧ на элементах с сосредоточенными параметрами. - М.: Радио и связь, 1984, с. 85.