УПРАВЛЯЕМЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ
CONTROLLED PHASE CHANGER

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для управления фазой СВЧ-сигналов.
Известен СВЧ-фазовращатель [патент US №4275366, опубл. 23.06.1981 г.], представляющий собой микрополосковую линию передачи с подключенным к ней микрополосковым шлейфом. Шлейф, имеющий длину, равную АУ4, неподключенным концом замкнут на землю через воздушную емкость и содержит в своем составе pin-диод. Фактически данная конструкция является резонансной, а ее частота и соответственно величина управляемого сдвига фазы определяются состоянием pin-диода. Подключение к линии дополнительных шлейфов увеличивает величину управляемого сдвига фазы, но приводит к усложнению схемы, так как каждый из подключенных pin-диодов требует своей цепи питания, причем цепи питания не должны влиять на другие pin-диоды. Кроме того, подобная конструкция допускает только дискретное управление фазой сигнала.
Известен также управляемый фазовращатель [патент US №5760661, опубл. 02.06.1998 г.], представляющий собой регулярную микрополосковую линию, подключенную к входу и выходу, которая нагружена варакторами, соединенными с землей. По структуре такая конструкция является фильтром нижних частот, частота отсечки и сдвиг фазы в полосе пропускания которого определяются емкостью варакторов. При изменении частоты отсечки меняется наклон фазочастотной характеристики, и, следовательно, в рабочей полосе частот управляемый сдвиг фазы в таком устройстве будет сильно зависеть от частоты.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является управляемый фазовращатель [патент РФ №2298266, кл. Н01Р 1/185, Бюл. №12, от 27.04.2007, (прототип)], содержащий диэлектрическую подложку, на одной поверхности которой нанесены металлические полосковые проводники, а на второй - экранирующий проводник (заземляемое основание - экран), причем экранирующий проводник выполнен сплошным, полосковые проводники соединены с ним через варакторы и электромагнитно связаны друг с другом, а вход и выход устройства подключены к крайним полосковым проводникам.
Фактически такая конструкция представляет собой полосно-пропускающий фильтр на основе варакторно-перестраиваемых микрополосковых резонаторов. При изменении емкостей варакторов меняются собственные частоты микрополосковых резонаторов, что приводит к смещению по частоте полосы пропускания и фазочастотной характеристики (ФЧХ). Поскольку ФЧХ в пределах полосы пропускания линейна и имеет сравнительно большой наклон, это позволяет достигать значительных величин управляемого сдвига фазы при сравнительно высокой равномерности частотной зависимости управляемого сдвига фазы в рабочей полосе устройства. Однако данная конструкция имеет тот же недостаток, что и первый аналог: каждый варактор должен иметь свою цепь подачи смещающего напряжения.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции.
Технический результат достигается тем, что в управляемом фазовращателе, содержащем диэлектрическую подложку, на одну поверхность которой нанесен сплошной экранирующий проводник линии передачи, а на вторую - взаимодействующие металлические полосковые проводники, каждый из которых одним своим концом подключен через варактор к экранирующему проводнику линии передачи, новым является то, что вторым своим концом каждый из упомянутых полосковых проводников подключен к нерегулярной микрополосковой линии передач, концы которой образуют вход и выход устройства.
В результате все полосковые проводники в устройстве имеют еще и гальваническую связь, и для подачи на варакторы смещающего напряжения достаточно сформировать лишь одну цепь. Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что одним своим концом полосковые проводники микрополосковых резонаторов подключены к нерегулярной микрополосковой линии, и ее концы образуют вход и выход устройства. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображена конструкция и схема заявляемого фазовращателя (Фиг.1), амплитудно- и фазочастотные характеристики устройства, поясняющие принцип его работы (Фиг.2), частотные зависимости управляемого сдвига фазы заявляемого устройства для нескольких значений управляющего напряжения на варакторах (Фиг.3).
Заявляемый фазовращатель содержит диэлектрическую подложку 1 (Фиг.1), нижняя сторона которой полностью металлизирована и выполняет функцию экранирующего проводника (заземляемое основание) 5. На другой стороне подложки выполнены полосковые проводники, образующие нерегулярную микрополосковую линию 2, и полосковые проводники (микрополосковые шлейфы) 3, одним концом соединенные с этой линией, а другим концом соединенные с экранирующим проводником 5 через варакторы 4. Управляющее напряжение прикладывается между микрополосковой линией 2 и экранирующим проводником 5 (управляющие цепи не показаны). Вход и выход подключаются к концам нерегулярной микрополосковой линии 2 через развязывающие емкости.
Управляемый фазовращатель работает следующим образом.
Фактически заявляемое устройство представляет собой микрополосковый многозвенный фильтр с варакторной перестройкой частоты. При подаче на варакторы управляющего напряжения полоса пропускания устройства сдвигается на некоторую величину, при этом фаза сигнала, попадающего по частоте в область перекрытия исходной и конечной полос пропускания, претерпевает управляемый сдвиг Δφ. Поскольку в полосе пропускания устройства его АЧХ равномерна, то паразитная амплитудная модуляция сигнала при сдвиге полосы пропускания будет небольшой. На Фиг.2 для иллюстрации этого факта приведены амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики подобной конструкции для двух положений его полосы пропускания.
Исследования показали, что величина управляемого сдвига фазы в устройстве тем больше, чем выше нагруженная добротность резонансов, формирующих полосу пропускания, чем большее число резонансов участвует в формировании полосы пропускания (т.е. чем больше число шлейфов), а также чем больше сдвиг полосы пропускания. Очевидно, что этот сдвиг не должен превышать ее ширину.
На Фиг.3 показаны частотные зависимости управляемого сдвига фазы для нескольких фазовых состояний макета устройства, изготовленного в соответствии с заявляемой конструкцией, для значений смещающего напряжения на варакторах 0, 0.5, 1, 1.5, 3, 4, 4.5 В. Фазовращатель выполнен на подложке из керамики поликор толщиной 1 мм, нерегулярная микрополосковая линия длиной 44 мм выполнена со скачком ширины с 0.7 до 1 мм, длина ее высокоомных участков составляла 3.7 мм, а низкоомных - 9.9 мм. Четыре шлейфа имели длину 12.5 мм и ширину 2.5 мм, с укорочением средних шлейфов на 0.55 мм. Для управления использовались варакторы К-42-Б. Относительная ширина полосы пропускания устройства как фильтра 47%. При подаче на варакторы напряжения 4.5 В полоса пропускания смещается на 450 МГц. При этом в полосе частот шириной 300 МГц, имеющей центральную частоту 2 ГГц, наблюдается сдвиг фазы более 180°.
К достоинствам заявляемой конструкции следует отнести ее простоту и технологичность, малые размеры, а также то, что она легко и точно моделируется с помощью одномерных моделей, рассчитываемых в квазистатическом приближении, а это имеет важное значение при разработке устройства.