ШИРОКОПОЛОСНЫЙ 180-ГРАДУСНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СВЧ
WIDEBAND 180-DEGREE MICROWAVE PHASE CHANGER

Изобретение относится к области радиотехники, а более конкретно к фазовращателям СВЧ, вносящим постоянный фазовый сдвиг в широкой полосе частот, и может быть использовано в приемных и передающих устройствах СВЧ.
Известен широкополосный проходной фазовращатель СВЧ на секциях Шиффмана [Coats R.P. An Octave-Band Switched-Line Microstrip 3-b Diode Phase Shifter // IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, Vol.21, No.7, July 1973]. Секция Шиффмана - это реактивный всепропускающий четырехполюсник на основе связанных линий [Schiffman B.M. A new class of broad-band microwave 90-degree phase shifters // IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.6, No4, April 1958]. Этот фазовращатель обладает следующими недостатками. Во-первых, для реализации одноступенчатого фазовращателя с фазовым сдвигом 180° необходимо наибольшее значение коэффициента связи между линиями [Сверхширокополосные микроволновые устройства / под ред. А.П.Креницкого и В.П.Мещанова. - М.: Радио и связь, 2001. - с.215, 218]. В результате конструкция фазовращателя на некоторых типах линий, в частности на микрополосковой, оказывается труднореализуемой. Во-вторых, когда фазосдвигающая секция на 180° реализуется в виде двух включенных каскадно фазосдвигающих секций на 90°, усложняется топология фазовращателя и увеличиваются его габариты. В-третьих, для переключения между состояниями фазовращателя нужно два переключателя, содержащих в сумме минимум четыре активных элемента, что усложняет конструкцию изделия и понижает надежность устройства.
Известен широкополосный проходной фазовращатель СВЧ, действие которого основано на изменении направления возбуждения отрезка щелевой линии [Патент на изобретение №SU 1542363 A1, кл. H01P 1/185. Дискретный фазовращатель. Дата публикации 1995.03.10, автор Следков В.А.]. Недостатком такого фазовращателя является необходимость изготовления и закрепления в корпусе двусторонней платы.
Известен широкополосный проходной фазовращатель СВЧ, действие которого основано на переключении проводников линии передачи [United States Patent №5,680,079, 180-degree phase shifter, Inami et al., October 21, 1997]. Недостатком такого фазовращателя является невозможность реализации в чисто микрополосковом исполнении.
Известен широкополосный отражательный фазовращатель СВЧ, принятый в качестве прототипа, который состоит из квадратурного 3-децибельного направленного ответвителя (КНО), два выхода которого нагружены на полупроводниковые диоды [Miyaguchi K., et al. An ultra broad band reflection type 180 deg phase shifter with series and parallel LC circuits. // 2001 MTT-S International Microwave Symposium Digest, vol.1, p.237-240]. Для реализации фазового сдвига 180° в широкой полосе частот изменяют СВЧ импеданс диодов, подавая различное управляющее напряжение таким образом, чтобы на выходах КНО попеременно имели место режим холостого хода и режим короткого замыкания.
Этот фазовращатель обладает следующим недостатком: при неидеальном согласовании плеч КНО даже в случае идентичных по параметрам диодов, равном по мощности делении, разности фаз между выходами КНО 90°, имеет место дополнительный источник фазовой ошибки, не поддающийся компенсации [Garver R.V. Broad-Band Diode Phase Shifters // IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, Vol.4, No.5, May 1972, p.317]. При малом рассогласовании плеча КНО возникает стоячая волна между КНО и диодом. Эта стоячая волна приводит к возникновению фазовой ошибки, которая может достигать величины Δφ=±4arcsin|Г|, где Г - коэффициент отражения от входов ответвителя. Например, при |Г|=0,032 (коэффициент отражения по мощности - 30 дБ) максимальная фазовая ошибка составляет ±7,33°.
Целью изобретения является уменьшение максимально возможной фазовой ошибки широкополосного 180-градусного фазовращателя СВЧ.
Для достижения указанной цели предлагается широкополосный фазовращатель, содержащий 3-децибельный квадратурный направленный ответвитель на связанных линиях (КНО), вход которого является входом фазовращателя. Согласно изобретению в него введены второй 3-децибельный КНО, две согласованные нагрузки, четыре аттенюатора, два полевых транзистора СВЧ. Полевые транзисторы используют в усилительном режиме. Каждый КНО имеет вход, выход с фазовым сдвигом 0°, выход с фазовым сдвигом -90°, развязанный выход. Вход первого КНО является входом устройства. Развязанный выход первого КНО подключен к первой согласованной нагрузке. Выход с фазовым сдвигом 0° первого КНО подключен через первый аттенюатор к затвору первого полевого транзистора. Выход с фазовым сдвигом -90° первого КНО подключен через второй аттенюатор к затвору второго полевого транзистора. Сток первого полевого транзистора подключен через третий аттенюатор к выходу с фазовым сдвигом 0° второго КНО. Сток второго полевого транзистора подключен через четвертый аттенюатор к выходу с фазовым сдвигом -90° второго КНО. Развязанный выход второго КНО подключен ко второй согласованной нагрузке. Вход второго КНО используется как выход устройства.
Цель достигается преобразованием отражательного фазовращателя в проходной так, чтобы неидеальное согласование не приводило к возникновению фазовой ошибки.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого фазовращателя из научно-технической литературы неизвестны, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
Функциональная схема устройства изображена на фиг.1. Топология платы изготовленного макета фазовращателя изображена на фиг.2.
Фазовращатель содержит КНО 1, вход которого является входом устройства. Развязанный выход КНО 1 подключен к согласованной нагрузке 2. Выход с фазовым сдвигом 0° КНО 1 подключен через аттенюатор 3 к затвору полевого транзистора 4. Выход с фазовым сдвигом -90° КНО 1 подключен через аттенюатор 5 к затвору полевого транзистора 6. Сток полевого транзистора 4 подключен через аттенюатор 7 к выходу с фазовым сдвигом 0° КНО 8. Сток полевого транзистора 6 подключен через аттенюатор 9 к выходу с фазовым сдвигом -90° КНО 8. Развязанный выход КНО 8 подключен к согласованной нагрузке 10. Вход КНО 8 используется как выход устройства.
Аттенюатор 3 идентичен по свойствам аттенюатору 5, полевой транзистор 4 идентичен по свойствам полевому транзистору 6, аттенюатор 7 идентичен по свойствам аттенюатору 9, КНО 1 идентичен по свойствам КНО 8.
Принцип работы фазовращателя основан на свойствах 3-децибельных квадратурных направленных ответвителей на связанных линиях. Известно, что у ответвителей на связанных линиях разница по фазе между выходами составляет 90° и не зависит от частоты [Бова Н.Т., Ефремов Ю.Г., Конин В.В. и др. Микроэлектронные устройства СВЧ. - Киев: Техника, 1984. - с.28]. Полевой транзистор, на который не подано питание, обеспечивает развязку сигнала около 20 дБ.
В первом рабочем состоянии фазовращателя напряжение питания подано на полевой транзистор 4, на полевой транзистор 6 напряжение питания не подано, сигнал со входа устройства проходит на выход устройства по пути вход КНО 1 - выход КНО 1 с фазовым сдвигом 0° - аттенюатор 3 - полевой транзистор 4 - аттенюатор 7 - выход КНО 8 с фазовым сдвигом 0° - вход КНО 8.
Во втором рабочем состоянии фазовращателя напряжение питания подано на полевой транзистор 6, на полевой транзистор 4 напряжение питания не подано, сигнал со входа устройства проходит на выход устройства по пути вход КНО 1 - выход КНО 1 с фазовым сдвигом -90° - аттенюатор 5 - полевой транзистор 6 - аттенюатор 9 - выход КНО 8 с фазовым сдвигом -90° - вход КНО 8.
Таким образом, сигнал, проходящий через фазовращатель в первом рабочем состоянии, имеет фазовый сдвиг 180° относительно сигнала, проходящего через фазовращатель во втором рабочем состоянии. Свойства КНО 1,8 обеспечивают постоянство указанного фазового сдвига в широкой полосе.
Согласованные нагрузки 2, 10 и аттенюаторы 3, 5, 7, 9 служат для согласования устройства и минимизации максимально возможной фазовой ошибки.
1
2
В первом рабочем состоянии фазовращателя на полевой транзистор 6 напряжение питания не подано, поэтому вход аттенюатора 5 и выход аттенюатора 9 рассогласованы и развязаны относительно друг друга. Максимальный коэффициент отражения от входа аттенюатора 5 Г по модулю не превышает квадрата модуля коэффициента передачи аттенюатора 5. Максимальный коэффициент отражения от выхода аттенюатора 9 Г по модулю не превышает квадрата модуля коэффициента передачи аттенюатора 9.
1
2
Таким образом, развязанный выход КНО 1 нагружен на согласованную нагрузку, выход КНО 1 с фазовым сдвигом -90° нагружен на нагрузку с коэффициентом отражения Г. Развязанный выход КНО 8 нагружен на согласованную нагрузку, выход КНО 8 с фазовым сдвигом -90° нагружен на нагрузку с коэффициентом отражения Г. В этих условиях коэффициент передачи со входа КНО 1 на выход КНО 1 с фазовым сдвигом 0° равен:
,
где
ij
S - коэффициенты матриц рассеяния КНО 1 и КНО 8;
12
S - коэффициент передачи со входа на выход с фазовым сдвигом 0°;
13
S - коэффициент передачи со входа на выход с фазовым сдвигом -90°;
23
S - коэффициент передачи с выхода с фазовым сдвигом 0° на выход с фазовым сдвигом -90° (определяет развязку между выходами);
33
S - коэффициент отражения от выхода с фазовым сдвигом -90°.
Коэффициент передачи со входа КНО 8 на выход КНО 8 с фазовым сдвигом 0° равен:
.
1
2
1
2
Во втором рабочем состоянии фазовращателя на полевой транзистор 4 напряжение питания не подано, поэтому вход аттенюатора 3 и выход аттенюатора 7 рассогласованы и развязаны относительно друг друга. Коэффициент отражения от входа аттенюатора 3 равен Г, коэффициент отражения от выхода аттенюатора 7 равен Г. Таким образом, развязанный выход КНО 1 нагружен на согласованную нагрузку, выход КНО 1 с фазовым сдвигом 0° нагружен на нагрузку с коэффициентом отражения Г. Развязанный выход КНО 8 нагружен на согласованную нагрузку, выход КНО 8 с фазовым сдвигом 0° нагружен на нагрузку с коэффициентом отражения Г. В этих условиях коэффициент передачи со входа КНО 1 на выход КНО 1 с фазовым сдвигом -90°:
22
где S - коэффициент отражения от выхода с фазовым сдвигом 0°.
Коэффициент передачи со входа КНО 8 на выход КНО 8 с фазовым сдвигом -90° равен:
Фазовый сдвиг:
3
4
3
4
φ=arg(KK)-arg(KK)
1
2
1
2
Величины E и E определяются коэффициентом отражения на входах аттенюаторов 3 и 5 Г, коэффициентом отражения на выходах аттенюаторов 7 и 9 Г:
1
2
1
2
при |Г|→0 и |Г|→0 E→0, Е→0.
1
2
Также величины E и E определяются развязкой КНО:
23
1
2
при |S|→0 E→0, Е→0.
вследствие свойств КНО.
1
2
Максимальная фазовая ошибка возникает при наименее благоприятном соотношении комплексных величин E и E.
1
2
23
Таким образом, уменьшая |Г|, |Г|, |S|, можно добиться уменьшения максимальной фазовой ошибки.
При коэффициенте отражения по мощности от выходов ответвителя -30 дБ, развязке -30 дБ, равном делении мощности между выходами, затухании вносимом аттенюаторами 6 дБ:
1
2
max|Г|=max|Г|=0,5
22
33
23
|S|=|S|=|S|=0,032
12
13
|S|=|S|=0,707
1
2
max|E|=max|E|=0,0326
Δφ=±3,74°
Таким образом, изобретение позволяет уменьшить максимальную фазовую ошибку, по сравнению с прототипом.
На дату подачи заявки разработан и изготовлен опытный образец фазовращателя, обладающий следующими параметрами: рабочий диапазон частот 6-14 ГГц, фазовый сдвиг между двумя состояниями 180±3°, КСВН входа и выхода в двух состояниях не более 1,4, вносимое ослабление сигнала -2±1 дБ, разность между ослаблением сигнала в двух состояниях не более 2 дБ.