СВЧ-фазовращатель на микрополосковых линиях передачи дециметрового диапазона длин волн
MICROWAVE PHASE SHIFTER ON MICROSTRIP TRANSMISSION LINES OF THE DIMETER WAVELENGTH RANGE

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и может быть использовано для дискретного управления фазой СВЧ сигналов, в частности, в фазированных антенных решетках с электронным управлением луча.
Известны проходные диодные СВЧ-фазовращатели на нагруженных линиях, причем pin-диоды включены в линию передачи непосредственно либо через отрезки линий передачи - шлейфы (см., Справочник по радиолокации, 1977, т. 2, под редакцией М. Сколника, Москва, Советское Радио; Pin - Dioden phasen schieber in symmetrischer Streitenleitungs technik, Brandle R. und Sedlmair S., "Frequenz", 26. 1972, №2, s.s. 45-50).
Недостатком известных технических решений является не технологичность регулировки фазы.
Известен СВЧ-фазовращатель проходного типа на pin-диодах (см., IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-13, 1965, №2, p.p. 233-242; J.F. White, High power, pin-diode controlled, microwave transmission phase shifters), содержащий отрезок передающей линии, к которому одними (входными) концами подсоединены шлейфы, причем другие концы шлейфов подключены к pin-диодам, первые электроды которых контактируют с токонесущими проводниками шлейфов, а вторые электроды подключены по высокой частоте через проходные конденсаторы к корпусу, управление фазой осуществляется переключением pin-диодов, при переключении которых изменяются входные реактивные проводимости шлейфов, на которые нагружен отрезок передающей линии, следовательно, меняется электрическая длина этой линии и, соответственно, фаза коэффициента передачи фазовращателя.
Величина и точность установки номинальных значений фазы определяются величиной и точностью, с которой реализуются соответствующие значения реактивных составляющих входных проводимостей шлейфов при двух состояниях pin-диодов.
Недостатком технического решения является отсутствие в нем регулировки фазы, которая позволяла бы плавно регулировать входные проводимости шлейфов и тем самым обеспечивала бы установку номинальных значений управляемой фазы с необходимой точностью. Поэтому точность установки номинальных значений фазы можно достичь только путем тщательного отбора pin-диодов по параметрам и соответствующей точностью изготовления. Это повышает требования к pin-диодам, усложняет изготовление и настройку фазовращателя.
Наиболее близким по технической сущности является двухразрядный микрополосковый фазовращатель на нагруженной линии (см., IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-16, 1968, №7, p.p. 462-468; Francis L. OPP and W.F. Hofman, Design of digital loaded-line phase-shift networks for microwave thin-film applications, fig. 2, fig. 4), содержащий совмещенные разряды 11,25° и 22,5°, в каждом по два pin-диода, катоды pin-диодов разряда 22,5° подключены к индуктивностям, соединенными с устройством управления и через конденсаторы к корпусу, катоды pin-диодов разряда 11,25° подключены к устройству управления через конденсаторы, соединенные с корпусом, аноды всех pin-диодов соединены с основной линией передачи, разряда 22,5° непосредственно, а разряда 11,25° через конденсаторы, длина основной микрополосковой линии между точками подключения анодов первых pin-диодов разрядов 11,25° и 22,5° и вторых pin-диодов разрядов 11,25° и 22,5° равна λ/4 (θ=90°) или 5λ/24 (θ=75°), точка соединения анодов первых pin-диодов разрядов 11,25° и 22,5° к основной линии подключена к первому входу-выходу, а точка соединения анодов вторых pin-диодов через индуктивность и конденсатор, соединенный с корпусом, к устройству управления и второму входу-выходу, а к анодам pin-диодов разряда 22,5° параллельно подключена индуктивность, соединенная с управлением через конденсатор соединенный с корпусом.
Недостатком технического решения является узкая полоса рабочих частот ±2,5%.
Техническим результатом изобретения является создание малогабаритного широкополосного микрополоскового фазовращателя разрядов 5,625° и 11,25° с малыми ошибками установки фазы.
Технический результат достигается тем, что СВЧ-фазовращатель на микрополосковых линиях передачи дециметрового диапазона длин волн, содержащий два совмещенных pin-диодных разряда 11,25° и 5,625° на нагруженной линии, в каждом по два pin-диода, катоды которых, подключены к двум последовательно соединенным помехоподавляющим фильтрам, причем выходы каждого разряда объединены и связаны с соответствующими выходами устройства управления и через первые конденсаторы подключенным к корпусу, кроме того, аноды первых двух pin-диодов разрядов 11,25° и 5,625° объединены и через третий конденсатор подключены к первому входу-выходу, при этом аноды вторых двух pin-диодов разрядов 11,25° и 5,625° объединены и подключены через согласующий отрезок микрополосковой линии, выполненной в виде меандра со связью, с соединенными анодами первых двух pin-диодов разрядов 11,25° и 5,625° и заземленным девятым помехоподавляющим фильтром, подключенным через четвертый конденсатор ко второму входу-выходу.
Сущностью предложенного технического решения является то, что проведенное математическое моделирование и экспериментальные исследования позволили оптимизировать размеры согласующего отрезка в виде меандра со связью и вместе с цепями управления, содержащими помехоподавляющие фильтры, увеличить рабочую полосу и уменьшить ошибки установки фазового сдвига.
Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными признаками позволяют успешно реализовать поставленную цель.
Pin-диодные разряды 5,625° и 11,25° совмещены, согласующий отрезок микрополосковой линии выполнен в виде меандра со связью, электрическая длина которого ~ λ/4 (при этом фактическая длина ~ λ/2), что дает согласование в более широкой полосе частот, чем выполненный в виде прямого отрезка длиной ~λ/4, а также реализацию фазовых сдвигов с точностью ±3° в полосе частот 50%.
На фиг. 1 приведена электрическая схема СВЧ-фазовращателя на микрополосковых линиях передачи дециметрового диапазона длин волн.
На фиг. 2 показан пример выполнения СВЧ-фазовращателя на микрополосковых линиях передачи дециметрового диапазона длин волн.
1
4
1
4
1
9
СВЧ-фазовращатель на микрополосковых линиях передачи дециметрового диапазона длин волн состоит из: первого контакта 1, второго контакта 2, согласующего отрезка микрополосковой линии 3, реализованного в виде меандра со связью, цепи заземления с помехоподавляющим фильтром 4, C-С - первого, второго, третьего и четвертого конденсаторов, VD-VD первого, второго, третьего и четвертого - pin-диодов, ZR-ZR - первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого и девятого помехоподавляющих фильтров.
1
4
Все pin-диодные разряды выполнены на pin-диодах одного типа (VD-VD).
1
4
Во всех цепях управления pin-диодами в качестве блокировочных и разделительных емкостей используются бескорпусные конденсаторы одного типа (C-С).
1
8
9
Для разделения по СВЧ основного тракта с цепями управления pin-диодных разрядов 5,625° и 11,25° используются помехоподавляющие фильтры (ZR-ZR), а с цепью заземления (4) используется помехоподавляющий фильтр (ZR).
Работа СВЧ-фазовращателя на микрополосковых линиях передачи дециметрового диапазона длин волн осуществляется следующим образом.
1
4
Все pin-диоды VD-VD, открываются отрицательным напряжением. При подаче положительного напряжения на контакты 1-2 все pin-диоды закрыты и СВЧ сигнал проходит по основному тракту (см., фиг. 2, основной тракт заштрихован). Получаем фазу 0°.
2
3
При подаче отрицательного напряжения на контакт 1 (см. фиг. 1, 2) открываются pin-диоды VD и VD, и к основному тракту подключаются шлейфы, обеспечивающие задержку сигнала и получение фазы минус 5,625°.
1
4
При подаче отрицательного напряжения на контакт 2 (см. фиг. 1) открываются pin-диоды VD и VD, и к основному тракту подключаются шлейфы, обеспечивающие задержку СВЧ сигнала и получение фазы минус 11,25°.
1
9
Наличие помехоподавляющих фильтров ZR-ZR уменьшило влияние цепей управления и совместно с меандром со связью расширило рабочую полосу при уменьшении фазовой ошибки.
Предлагаемое техническое решение реализовано в шестиразрядном микрополосковом СВЧ фазовращателе АФАР дециметрового диапазона. Полученные результаты технического решения:
- количество разрядов 2;
- количество диодов 4;
- полоса рабочих частот, %, 50;
- средние потери, дБ, менее 0,5;
- средний ток потребления на разряд, мА, 60;
- ошибка установки фазы ±3°;
3
- габариты (Д×Ш×Т), мм, (14×20×1).
Технико-экономическим достоинством предлагаемого технического решения является создание малогабаритного широкополосного микрополосного СВЧ-фазовращателя на микрополосковых линиях передачи дециметрового диапазона длин волн с разрядами 11,25° и 5,625° при малых ошибках установки фазы.