ДИСКРЕТНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СВЧ
DISCRETE PHASE SHIFT

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и может быть использовано для дискретного изменения фазы коэффициента передачи трактов СВЧ и в фазированных антенных решетках для управления положением луча.
Известен двухпозиционный проходной фазовращатель на переключаемых отрезках линий передачи (см. Хижа Г.С. и др. СВЧ фазовращатели и переключатели. - М.: Радио и связь, 1984, с. 30, рис. 1.21). Фазовращатель содержит два отрезка линий передачи разной длины, концы которых соединены через коммутирующие диоды с входом и выходом фазовращателя. Изменение фазы фазовращателя обеспечивается изменением длины прохождения сигнала при переключении отрезков. Фазовращатель согласован во всем диапазоне частот независимо от величины изменения фазы. Недостатком фазовращателя является большое количество диодов, что уменьшает его надежность. Выход из строя одного из диодов приводит не только к ошибочному значению фазового сдвига, но и к полной потере сигнала.
Меньшее количество диодов и, как следствие, более высокую надежность имеет двухпозиционный проходной фазовращатель типа нагруженной линии передачи (см. Хижа Г.С. и др. СВЧ фазовращатели и переключатели. - М.: Радио и связь, 1984, с. 25, рис. 1.15). Фазовращатель содержит четвертьволновый отрезок линии передачи, соединяющий вход и выход, на концах которого через коммутирующие диоды подключены одинаковые реактивные нагрузки, например, в виде короткого разомкнутого шлейфа. Фазовращатель согласован на средней частоте, на которой отражения от нагрузок компенсируют друг друга, при выбранной длине отрезка, примерно равной четверти длины волны. При отстройке от частоты согласования КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению) фазовращателя растет, причем, чем больше вносимый фазовый сдвиг обеспечивает фазовращатель, тем больше увеличение КСВН, поэтому фазовращатель при заданном уровне согласования в рабочем диапазоне частот обеспечивает небольшие изменения фаз. Кроме того, фазовращатель имеет большие габариты, обусловленные использованием четвертьволнового отрезка линии.
Больший фазовый сдвиг позволяет обеспечить проходной петлевой фазовращатель (см. Хижа Г.С. и др. СВЧ фазовращатели и переключатели. - М.: Радио и связь, 1984, с. 30, рис. 1.20). Фазовращатель содержит одинаковые первый и второй отрезки линии передачи, одни концы которых соединены между собой, а другие соединены с входом и выходом фазовращателя, между которыми включен первый коммутирующий диод. К точке соединения первого и второго отрезков линии подключен одним выводом второй коммутирующий диод, второй вывод которого соединен с одним концом третьего отрезка линии передачи, второй конец которого коротко замкнут. Волновое сопротивление первого и второго отрезков равно сопротивлению входа. Петлевой фазовращатель имеет узкий диапазон частот согласования, так как при включенных диодах к входу подключается шунтирующий четвертьволновый шлейф. Кроме ,азовращатель имеет большие габариты, обусловленные использованием четвертьволнового шлейфа.
Более широкую полосу частот при меньших габаритах обеспечивает фазовращатель (см. Авт. св. СССР №1336138, Н01Р 1/18). Фазовращатель содержит одинаковые первый и второй отрезки линии передачи, одни концы которых соединены между собой, а другие соединены с входом и выходом фазовращателя, между которыми последовательно включены первый коммутирующий диод и конденсатор. К точке соединения первого и второго отрезков линии подключен одним выводом второй коммутирующий диод, второй вывод которого короткозамкнут. Волновое сопротивление первого и второго отрезков равно сопротивлению входа. Фазовращатель при длине отрезков линий, равной одной восьмой длины волны, и нормированном реактивном сопротивлении конденсатора, равном единице, обеспечивает фазовый сдвиг только равный 180 градусов.
Наиболее близким из известных аналогов к заявляемому дискретному фазовращателю является звено дискретного петлеобразного диодного СВЧ фазовращателя (см. Патент РФ №2231175) для реализации малых дискретов изменения фазы, выбранное в качестве прототипа. Фазовращатель-прототип содержит одинаковые первый и второй отрезки линии передачи, одни концы которых соединены между собой и образуют петлю, а другие соединены с входом и выходом фазовращателя, которые дополнительно соединены через одинаковые третий и четвертый отрезки линии, между которыми включен коммутирующий диод. При этом волновое сопротивление третьего и четвертого отрезков линии в два раза выше сопротивления входа и выхода и волнового сопротивления первого и второго отрезков линии и сопротивления входа и выхода.
Фазовращатель-прототип не обеспечивает заданное значение фазового сдвига при одновременном обеспечении согласования как при включенном, так и при выключенном коммутирующем диоде. При выключенном диоде, в линии передачи включены два разомкнутых шлейфа, образованных высокоомными третьим и четвертым отрезками линий, расположенными на расстоянии, равном суммарной длине первого и второго отрезков. Согласование возможно только при длине петли, равной четверти длины волны. В этом случае при включенном диоде линия связи шунтируется петлей, которая при малых длинах третьего и четвертого отрезков линий, эквивалентна разомкнутому шлейфу длиной, равной длине первого отрезка линии. Фазовращатель-прототип обеспечивает приемлемый уровень согласования при малой длине петли, т.е. обеспечивает малые фазовые сдвиги до 45 градусов только в узком диапазоне частот (7%).
Целью изобретения является увеличение величины изменения фазы при уменьшении коэффициента стоячей волны в широком диапазоне частот.
Для достижения указанной цели предлагается дискретный фазовращатель СВЧ, содержащий одинаковые первый и второй отрезки линии передачи, первый конец первого отрезка линии передачи соединен с входом фазовращателя, второй конец соединен с первым концом второго отрезка линии передачи, второй конец которого соединен с выходом фазовращателя, вход и выход дополнительно соединены последовательно через одинаковые третий и четвертый отрезки линии, между которыми включен первый коммутирующий диод, при этом волновое сопротивление третьего и четвертого отрезков линии в два раза выше сопротивления входа и выхода. Согласно изобретению, к точке соединения первого и второго отрезков линии подключен одним выводом второй коммутирующий диод. Второй вывод этого диода соединен с первым концом пятого отрезка линии передачи, второй конец которого разомкнут. При этом длина и волновое сопротивление первого и второго отрезков выбраны равными длине и волновому сопротивлению третьего и четвертого отрезков линии.
Выполнение отрезков линии передачи одинаковыми с волновым сопротивлением, в два раза большим сопротивления входа и выхода, позволяет при включении первого диода соединять вход с выходом через согласованную линию передачи с минимальным фазовым сдвигом. Введение дополнительного диода с разомкнутым отрезком линии позволяет при его включении и выключении первого диода вход и выход соединять через согласованный шлейфовый фильтр нижних частот, при этом фазовращатель вносит максимальный фазовый сдвиг.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого устройства из литературы неизвестны, поэтому оно соответствует критериям новизны.
На фиг. 1 приведена схема дискретного фазовращателя СВЧ,
На фиг. 2 - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) КСВН и фазочастотная характеристика (ФЧХ) дискретного фазовращателя СВЧ. Сплошные линии - АЧХ и ФЧХ в режиме минимальной фазы, пунктирные линии - АЧХ и ФЧХ в режиме максимальной фазы.
Предлагаемый дискретный фазовращатель СВЧ (см. фиг. 1) содержит первый 1 и второй 2 отрезки линии передачи. Первый конец отрезка линии передачи 1 соединен с входом фазовращателя, второй конец отрезка линии передачи 1 соединен с первым концом отрезка линии передачи 2, второй конец отрезка 2 соединен с выходом фазовращателя. К входу и выходу фазовращателя дополнительно подключены одними концами соответственно третий 3 и четвертый 4 отрезки линии передачи, между другими концами которых подключен первый коммутирующий диод 5. В точке соединения первого 1 и второго 2 отрезков линии передачи подключен одним выводом второй коммутирующий диод 6, второй вывод которого соединен с одним концом пятого отрезка 7 линии передачи, второй конец которого разомкнут.
0
Волновое сопротивление отрезков линии передачи 1, 2, 3, 4 в два раза больше сопротивления входа и выхода фазовращателя - Z, при этом обеспечивается согласование фазовращателя в режиме минимальной фазы.
Длины отрезков линии передачи 1, 2, 3, 4 одинаковы и определяются вносимым фазовым сдвигом фазовращателя и при этом они меньше четверти длины волны на рабочей частоте.
0
Длина и волновое сопротивление пятого отрезка 7 линии передачи определяются из условия согласования фазовращателя в режиме максимальной фазы. Например, при волновом сопротивлении пятого отрезка 7, равном сопротивлению входа и выхода Z, длина его примерно равна длине отрезка 1.
Предлагаемый дискретный фазовращатель СВЧ работает следующим образом.
0
0
При открытом диоде 5 и закрытом диоде 6 СВЧ сигнал, поступающий на вход фазовращателя, проходит на его выход по двум одинаковым путям - отрезкам 1, 2 и отрезкам 3, 4. Так как при волновом сопротивлении отрезков, равном 2Z, суммарное волновое сопротивление общей линии передачи с входа на выход равно сопротивлению входа Z, фазовращатель согласован во всем диапазоне частот, при этом вносит минимальный фазовый сдвиг, равный фазе коэффициента передачи двух отрезков 1 и 2 или двух отрезков 3 и 4.
При открытом диоде 6 и закрытом диоде 5 СВЧ сигнал, поступающий на вход фазовращателя, проходит на его выход по двум отрезкам линии передачи 1 и 2, при этом на входе и выходе фазовращателя подключены разомкнутые отрезки 3 и 4, а в точке соединения отрезков 1 и 2 подключен разомкнутый отрезок линии передачи 7. Это шлейфовый фильтр нижних частот, согласование которого при любых одинаковых длинах отрезков 1, 2, 3, 4 обеспечивается длиной отрезка 7, а фаза коэффициента передачи которого определяется длинами отрезков 1, 2 и длинами отрезков 3, 4, 7. При этом она больше фазы коэффициента передачи, чем при открытом диоде 5 и закрытом диоде 6.
Таким образом, при изменении состояния диодов 5 и 6 происходит увеличение фазы коэффициента передачи, при согласовании в широком диапазоне частот. Величина изменения фазы (см. фиг. 2) может быть реализована от нуля до 90 градусов, при хорошем согласовании в широком диапазоне частот.
На предприятии были изготовлены макеты предлагаемого дискретного фазовращателя СВЧ L - диапазона частот. Макеты выполнены на микрополосковой линии с дискретом изменения фазы на заданной частоте равном 11.25, 22.5, 45.0, 90.0 градусов. При экспериментальной проверке были получены результаты, подтверждающие достижение поставленной цели. Макеты в диапазоне частот шириной 70% обеспечивали переключение дискретов фазы при КСВН со стороны входа меньше 1. 2. В тоже время фазовращатель-прототип обеспечивал переключение дискретов до 45 градусов с более высоким КСВН в диапазоне частот 7%. Таким образом, предлагаемый дискретный фазовращатель СВЧ по сравнению с прототипом обеспечивает расширение диапазона перестройки фазы в два раза при расширении диапазона частот согласования более чем в десять раз.