Фазовращатель
PHASE SHIFTER

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к элементам антенно-фидерного тракта, и может быть использовано в волноводной и антенной технике.
Известен проходной волноводный фазовращатель, содержащий Н-плоскостной волноводно-щелевой мост, в два соседних плеча которого включены отражательные фазовращатели, имеющие по три полупроводниковых выключателя каждый. [Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И. Устройства СВЧ и антенны / Под ред. Д.И. Воскресенского. Изд. 2-е, доп. и перераб. - М.: Радиотехника, 2006. - стр. 112]
Недостатком аналога являются:
- конструктивно-технологическая сложность реализации в высокочастотных диапазонах длин волн, связанная с малыми размерами регулярных участков прямоугольных волноводов между выключателями;
- большее изменение амплитуды в зависимости от фазового состояния, связанное с двойным прохождением СВЧ-сигнала через разное количество полупроводниковых выключателей;
- сложность настройки, связанная с применением полупроводниковых выключателей со схожими электрическими характеристиками для каждого фазового состояния.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является дискретный фазовращатель, состоящий из последовательно соединенных щелевых мостов, закороченных на конце отрезков прямоугольных волноводов и полупроводниковых управляющих диодов. [Силаев М.А., Брянцев С.Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ-устройств. - М.: Изд-во: ''Советское радио'', 1970. - Cтр. 179-181]
Недостатком прототипа являются:
- сложность установки управляющего диода в закороченный отрезок прямоугольного волновода, требующая сложных конструктивных решений, например, конструкция крепления управляющего диода в прямоугольном волноводе (Клич С.М. Проектирование СВЧ-устройств радиолокационных приемников - М.: Изд-во: ''Советское радио'', 1973. - Рис. 1.18 (а));
- сложность настройки и необходимость подбора закороченных отрезков волновода с управляющими диодами по параметрам, связанные с конечной точностью изготовления большого количества деталей, входящих в конструкцию крепления управляющего диода;
- малая пригодность для крупного серийного производства;
- высокая стоимость, связанная с высокой трудоемкостью изготовления.
Перед авторами стояла задача создания фазовращателя, лишенного перечисленных недостатков.
Техническим результатом заявляемого фазовращателя является повышение технологичности изготовления за счет упрощения конструкции, настройки и уменьшения трудоемкости.
m
m-1
Технический результат достигается за счет того, что в фазовращатель, содержащий n щелевых мостов, соединенных последовательно, где n - число разрядов фазовращателя, 2n короткозамкнутых отрезков прямоугольных волноводов, вносимый фазовый сдвиг которых ϕ=180°/2, где m=1,2…n - номер разряда фазовращателя, а также СВЧ-ключи, введены 2n диафрагм, выполненных на основе двухстороннего фольгированного диэлектрика, с установленным на каждой из них, по крайней мере, одним СВЧ-ключом, расположенных между выходными плечами щелевых мостов и открытыми концами короткозамкнутых отрезков прямоугольных волноводов.
СВЧ-ключ может быть выполнен в виде одного p-i-n диода.
СВЧ-ключ может быть выполнен в виде нескольких последовательно соединенных p-i-n диодов.
СВЧ-ключ может быть установлен на диафрагме при помощи пайки.
СВЧ-ключ может быть установлен на диафрагме при помощи сварки.
СВЧ-ключ может быть установлен на диафрагме при помощи токопроводящего клея.
Фазовращатель выполнен в виде набора плит, в которых выполнены пазы и отверстия, образующие при объединении между собой волноводные каналы щелевых мостов и короткозамкнутых отрезков прямоугольных волноводов.
Заявляемый фазовращатель обладает совокупностью существующих признаков, не известных из уровня техники для изделий подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.
Заявляемый фазовращатель, по мнению заявителя и авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. для специалистов он явным образом не следует из уровня техники, т.е. не известен из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежом, на котором представлен разрез трехразрядного фазовращателя вдоль продольной оси.
Фазовращатель состоит из трех последовательно соединенных щелевых мостов 1÷3, рабочие плечи которых нагружены на короткозамкнутые отрезки прямоугольных волноводов 4÷6, соответственно. Между рабочими плечами щелевых мостов 1÷3 и короткозамкнутыми отрезками прямоугольных волноводов 4÷6 размещены диафрагмы 7÷9, выполненные на основе двухстороннего фольгированного диэлектрика. При этом на одном из слоев фольги двухстороннего фольгированного диэлектрика выполнены рисунки резонансных диафрагм, а на втором слое фольги выполнены рисунки цепей питания СВЧ-ключей 10÷12. На приведенном примере на каждой диафрагме 7÷9 установлены по два СВЧ-ключа 10÷12, соответственно, каждый из которых выполнен в виде одного p-i-n диода.
m
m-1
Длина короткозамкнутых отрезков прямоугольных волноводов 4÷6 выбрана из условия обеспечения вносимого фазового сдвига (ϕ=180°/2, где m=1, 2, 3 - номер разряда фазовращателя).
Для уменьшения габаритов устройства и увеличения степени интеграции фазовращатель выполнен в виде набора плит с пазами и отверстиями, образующих при объединении между собой систему волноводных элементов.
При изготовлении фазовращателя существует возможность установки СВЧ-ключей 10÷12 на диафрагмы 7÷9 при помощи пайки, сварки или токопроводящего клея.
Устройство с учетом вышеприведенного описания работает следующим образом:
m
m
СВЧ-сигнал, поступивший на первое входное плечо щелевого моста 1, делится между выходными плечами щелевого моста 1 на два СВЧ-сигнала одинаковой амплитуды с разностью фазы 90°. В зависимости от состояния СВЧ-ключей 10 СВЧ-сигналы отражаются от диафрагмы 7 с величиной фазовой задержки α или от короткозамкнутых отрезков прямоугольных волноводов 4 с величиной фазовой задержки α+ϕ, где m=1, которая определяется длиной короткозамкнутого отрезка прямоугольного волновода 4. Далее СВЧ-сигналы повторно проходят через щелевой мост 1 и синфазно складываются во втором входном плече щелевого моста 1. Аналогичным образом работают 2 и 3 разряды, для которых величина фазовой задержки составляет α+ϕ, где m=2 и m=3, соответственно, при этом комбинация открытых и закрытых состояний СВЧ-ключей в разрядах обеспечивает на выходе фазовращателя дискретные значения вносимого фазового сдвига: α, α+45°, α+90°, α+135°, α+180°, α+225°, α+270°, α+315°.
Технический результат заявляемого фазовращателя - повышение технологичности изготовления - достигается конкретно за счет:
- упрощения крепления СВЧ-ключей 10÷12 в фазовращателе, благодаря их установки на диафрагмы 7÷9 из двухстороннего фольгированного диэлектрика и дальнейшего расположения между щелевыми мостами 1÷3 и короткозамкнутыми отрезками прямоугольных волноводов 5÷7, соответственно;
- упрощения настройки благодаря упрощению конструкции крепления СВЧ-ключей 10÷12 и, следовательно, увеличению точности их позиционирования;
- уменьшения стоимости благодаря применению автоматического оборудования в процессе изготовления фазовращателя и, следовательно, уменьшению трудоемкости изготовления.
Кроме того, появляется возможность крупносерийного производства благодаря применению автоматического оборудования для установки и монтажа СВЧ-ключей 10÷12 на диафрагмы 7÷9, исключающего ручной труд, а также реализации фазовращателя в виде набора плит, уменьшающей количество деталей, входящих в состав фазовращателя.
Для подтверждения правильности выбранного технического решения на предприятии были изготовлены опытные образцы фазовращателя Ка-диапазона, у которых в полосе рабочих частот не менее 10% величина потерь не более 1 дБ и КСВН не более 1,3.
На основании произведенных испытаний можно сделать вывод, что фазовращатель по своим электрическим характеристикам не уступает аналогам, но при этом имеет преимущество в конструктивно-технологическом исполнении, что подтверждает соответствие заявляемого решения критерию «промышленная применимость» для изобретения.