УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СВЧ ФЕРРИТОВОГО ФАЗОВРАЩАТЕЛЯ

Заявляемая полезная модель относится к устройствам управления СВЧ ферритовыми фазовращателями фазированных антенных решеток (ФАР) и может найти применение в РЛС широкого применения.
Известны управляющие устройства СВЧ ферритовыми фазовращателями, с помощью которых осуществляется управление фазой СВЧ сигнала. Такие устройства перспективны при создании быстродействующих приема передающих ФАР РЛС, измерительной техники СВЧ диапазона, см., например,:
1. «Справочник по радиолокации». Под ред. М.Сколника. Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ. (в четырех томах) под общей ред. И.Н.Трофимова. Том 2 «Радиолокационные антенные устройства». Под ред. П.И.Дудника. М., «Сов. Радио», 1977, стр.246-251.
2. Сапсович Б.И., Чалых А.Е. Устройства управления фазовым распределением в фазированных антенных решетках. Свид. на полезную модель №6947. БИ. 1998. №6.
3. Чалых А.Е. Эволюция систем фазирования бортовых ФАР - «Антенны» №2 2002 г.
4. Ince, W.J. and D.H.Temme "Phasers and Time Delay Elements" - "Advances in Microwaves", v.4, p.2-183, Academic Press Inc., N.Y. 1969.
Известно управляющее устройство СВЧ ферритовым фазовращателем, описанное в «Electronic Drivers for Dual-Mode Ferrite Phase Shifters, Product Information» корпорации «Microwave Applications Group» (MAG). См. (http://www.magsmx.com/html/literature.html), раздел «Electronic Drivers for Dua1-Mode Ferrite Phase Shifters». Указанное устройство является наиболее близким к предлагаемой полезной модели и выбрано в качестве прототипа. Устройство - прототип имеет в своем составе аналоговый выходной каскад (Фиг.1), состоящий из:
1) источников питания постоянного напряжения положительной и отрицательной полярности Vc1 и Vc2 соответственно,
2) транзисторных ключей К1 и К2 для набора и сброса фазы фазовращателя,
3) фазовращателя в виде индуктивной нелинейной нагрузки ZL, содержащей металлизированный ферритовый сердечник с прямоугольной петлей гистерезиса и паразитным сопротивлением Rkz,
4) сопротивления Rk≈1Ω для контроля тока в нагрузке ZL,
5) источников прямоугольных импульсов напряжения с управляемой длительностью Va1 и Va2, открывающие и закрывающие ключи К1 и К2.
Устройство - прототип работает следующим образом:
От источников Va1 и Va2 в заданной последовательности подаются прямоугольные импульсы напряжения с управляемой длительностью на управляющие электроды ключей К1 и К2. Так, например, для сброса фазы фазовращателя, который на фиг.1 представлен индуктивной нагрузкой ZL, от источника Va2 подается прямоугольный импульс отрицательной полярности, открывающий ключ К2. С момента открытия ключа К2 через цепь сброса, образованную источником Vc2, ключом К2, нагрузкой ZL, резистором Rk начинает протекать ток, изменяющий намагниченность ферритового сердечника индуктивной нагрузки ZL. Процесс изменения намагниченности ферритового сердечника представлен на фиг.2. Из остаточной индукции, соответствующей фазовому состоянию «А» (фиг.2) сердечник переходит в состояние «В». После прекращения действия прямоугольного импульса отрицательной полярности ключ К2 закрывается, ток в цепи сброса падает до нуля, сердечник переходит в остаточную индукцию, соответствующую фазовому состоянию «С». Для набора требуемого фазового состояния «Е» (фиг.2) через определенный временной интервал от источника Va1 подается прямоугольный импульс положительной полярности, открывающий ключ К1. С момента открытия ключа К1 теперь уже через цепь набора, образованную источником Vc1, ключом К1, нагрузкой ZL, резистором Rk начинает протекать ток, изменяющий ферритовый сердечник из остаточной индукции, соответствующей фазовому состоянию «С» в состояние «D». После прекращения действия прямоугольного импульса положительной полярности ключ К1 закрывается, Ток в цепи набора падает до нуля, сердечник переходит в остаточную индукцию, соответствующую фазовому состоянию «Е».
Минимизация энергии, затрачиваемой на управление электронной компонентной базой, является важнейшим требованием современной, особенно бортовой, Р/Э аппаратуры. Указанное требование тем более актуально для ФАР, которые могут содержать в своей апертуре несколько десятков тысяч антенных элементов с фазовращателями.
Одним из способов снижения затрат энергии на управление ферритовыми изделиями является снижение коэрцитивной силы ферритового сердечника, а следовательно, тока через индуктивную нагрузку, которая имитирует управляемое ферритовое изделие, в частности фазовращатель. Однако для устройства управления - прототипа указанный способ снижения затрат энергии на управление не может быть реализован, т.к. петля гистерезиса сердечника потеряет прямоугольность (см. фиг.3), что повлечет резкое снижение функционального параметра - фазы.
Целью заявленной полезной модели является минимизация энергии управления СВЧ ферритовым фазовращателем за счет использования низкокоэрцитивного феррита в СВЧ фазовращателе и цепи намагничивания сердечника индуктивной нагрузки операционного усилителя VV типа, охваченного одновременно отрицательной и положительной обратной связью, при этом соотношение резистивных элементов указанных цепей должно обеспечивать постоянство тока через обмотку намагничивания сердечника индуктивной нагрузки при отсутствии внешнего сигнала на входе операционного усилителя.
На фиг.4 изображен эскиз принципиальной схемы устройства управления СВЧ ферритовым фазовращателем.
Устройство управления СВЧ ферритовым фазовращателем содержит:
Источник прямоугольных импульсов положительной и отрицательной полярности 1, подключенный через резистор 2 к инвертирующему входу основного операционного усилителя W типа 3. К выходу операционного усилителя 3, охваченного через резистор 4 отрицательной обратной связью, подключена обмотка индуктивной нагрузки 5. Последовательно с индуктивной нагрузкой 5 соединены резисторы 6 и 7, образующие делитель напряжения, центральная точка которого через резистор 8 подключена к инвертирующему входу вспомогательного операционного усилителя W типа 9, выполняющего вспомогательную функцию инвертирования сигнала. Операционный усилитель 9 через резистор 10 охвачен отрицательной обратной связью, а через резистор 11 выход операционного усилителя 9 подключен к инвертирующему входу основного операционного усилителя 3 для обеспечения положительной обратной связи.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
От источника прямоугольных импульсов 1 через резистор 2 на инвертирующий вход основного операционного усилителя 3 подается прямоугольный импульс напряжения амплитудой V. На выходе операционного усилителя 3 амплитуда прямоугольного импульса в первом приближении будет равна V2≈-(R4/R2)V, где R4 - сопротивление 4, R2 - сопротивление 2 на фиг.4. Через цепь, образованную индуктивной нагрузкой 5 и сопротивлениями 6 и 7, потечет экспоненциально нарастающий.ток, причем падение напряжения на индуктивной нагрузке, равное L(di/dt)≈V2, т.к. сопротивления 6 и 7 и выходное сопротивление операционного усилителя 3 даже суммарно на два и более порядка меньше сопротивления индуктивной нагрузки 5. Здесь L - индуктивность нагрузки 5, i - интенсивно нарастающий ток в цепи. При окончании действия импульса от источника 1 напряжение на выходе основного операционного усилителя 3 также упадет до значения, близкого к нулю и начнется падения тока в индуктивной нагрузке. Однако в отличие от прототипа этот процесс будет происходить на несколько порядков медленнее, поскольку цепь не разрывается, а идет разряд накопленной в индуктивной нагрузке э/м энергии через сопротивления 6 и 7 и выходное сопротивление основного операционного усилителя 3. Причем падение напряжения на индуктивной нагрузке 5 теперь будет на два порядока меньше, чем на резисторах 6 и 7, т.к. L(di/dt)≈0. Здесь просматривается аналогия с разрядом конденсатора через сопротивление, только в нашем случае процесс разряда индуктивности тем медленнее, чем меньше сопротивление, а в случае конденсатора, наоборот, чем больше сопротивление.
После окончания переключающего импульса от источника 1 главной задачей устройства управления СВЧ ферритовым фазовращателем является сохранение намагниченности сердечника индуктивной нагрузки 5, т.е. тока в ней. Это может быть достигнуто за счет использования положительной обратной связи, которая компенсирует процесс медленного разряда индуктивной нагрузки. Как уже было отмечено, последовательно соединенные сопротивления 6 и 7 представляют собой делитель напряжения, точка их соединения через сопротивление 8 подключается к инвертирующему входу вспомогательного операционного усилителя 9, который используется как инвертор, что обеспечивает выходному сигналу полярность, поддерживающую постоянство тока в индуктивной нагрузке. Обеспечение постоянства тока (di/dt=0) при V=0, выполняется при следующем соотношении между сопротивлениями цепи:
(R10/R8)*(R7/(R6+R7)=R11/R4,
На фиг.5 приведена принципиальная схема параллельно включенных макетных образцов с конкретными номиналами резисторов и типами операционных усилителей. На фиг.6а приведены осциллограммы импульсов напряжений, подаваемых через резистор R2 на инвертирующий вход основного операционного усилителя 3 типа AD648 фирмы «Analog Device» и тока через индуктивную нагрузку, а на и фиг.6b осциллограмма управляемого фазового сдвига СВЧ фазовращателя. Основные технические характеристики макетного образца устройства управления СВЧ ферритовым фазовращателем следующие:
Управляемый фазовый сдвиг, град.
≥360
Напряжение питания операционных усилителей,
V±15
Амплитуда управляющих прямоугольных импульсов,
V±5
Максимальный ток, mA
≤30
Средний ток, mA
≤06
Средняя мощность управления, mW
≤9
Частота повторения, Hz
1000