СВЧ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), в частности к фазосдвигающим устройствам СВЧ и может быть использована в высокочастотной измерительной технике, в приемо-передающих трактах радиоэлектронных систем, в диаграммообразующих устройствах фазированных антенных решеток, в перспективных системах связи 5G.
Известны СВЧ фазовращатели отражательного типа (ФВОТ), построенные на квадратурном мосте и двух идентичных отражательных нагрузках, обеспечивающих необходимый управляемый фазовый сдвиг [1]. При этом наиболее часто в качестве квадратурного моста используют либо двушлейфный мост, либо отрезок связанных линий, в том числе ответвитель Ланге.
Недостаток ФВОТ на двушлейфном мосте - гальваническая связь между всеми портами - входным, выходным и двумя внутренними, что требует разделитель -ных конденсаторов между СВЧ каналом и цепями подачи смещения на управляющие элементы [1].
Недостатком ФВОТ, содержащего обычный противонаправленный мост на отрезке связанных линий, в том числе на ответвителе Ланге, является наличие гальванической связи как входного, так и выходного портов с соответствующими внутренними портами, что опять же требует разделительных конденсаторов и усложняет схему подачи смещения на управляющие элементы [1].
Известен ФВОТ с квадратурным мостом, сформированным из сосредоточенных LC-элементов [2]. Однако, его недостатком является гальваническая связь как входного, так и выходного портов с землей через соответствующие катушки индуктивности, что не всегда бывает приемлемым.
Как видим, все представленные аналоги ФВОТ как на распределенных двушлейфных мостах и связанных линиях, так и на сосредоточенных элементах имеют схемы подачи смещения на управляющие элементы ФВОТ неприемлемые, в случае, когда требуется передача постоянного тока по СВЧ каналу с входного порта на выходной порт.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа из-за схожести структуры и выполняемой функции, является ФВОТ описанный в [3], который содержит транснаправленный мост, построенный на отрезке связанных линий по сосредоточенно-распределенной схеме с межлинейными конденсаторами, поддерживающими фазовую и импедансную связь для обеспечения транснаправленного режима работы, а также пару идентичных отражающих нагрузок. Особенностью прототипа является гальваническая развязка между каналом СВЧ и цепями управления, обусловливающая передачу постоянного тока по СВЧ каналу с входного порта на выходной порт и простую схему подачи смещения на отражательные нагрузки.
Однако, основные недостатки этого ФВОТ состоят в сложности его схемы и конструкции, а также технологии изготовления. Сложность схемы моста заключается в том, что она является сосредоточенно-распределенной со множеством конструктивных конденсаторов, требующих высокой точности расчета и изготовления. Кроме того, конструкция содержит множество слоев, выполненных из труднодоступных диэлектрических материалов, и требует дорогостоящей технологии изготовления многослойных печатных плат. Эти особенности ведут к ухудшению повторяемости частотных характеристик и относительно невысоким рабочим частотам (около 3 ГГц).
Технический результат предлагаемой полезной модели - упрощение схемы и конструкции, улучшение повторяемости характеристик и повышение рабочих частот (более 10 ГГц).
Указанный технический результат достигается с использованием транснаправленного моста, построенного на связанных линиях с сильной связью (3 дБ), выполненных на одной вертикальной плате, установленной над заземленным основанием с небольшим воздушным зазором. При этом в сравнении с прототипом устраняются: многослойная конструкция, межлинейные конденсаторы и другие избыточные схемно-конструктивные элементы.
Заявляемый СВЧ ФВОТ содержит квадратурный мост на отрезке связанных линий, у которого в качестве входного и выходного портов выступают ближний и дальний концы одной из линий, а к ближнему и дальнему концам другой линии подключаются отражательные нагрузки. Построение и требуемое свойство транснаправленности квадратурного моста обеспечивается тем, что над заземленным основанием с небольшим воздушным зазором устанавливается вертикальная плата с высокой диэлектрической проницаемостью (около 16…20), на левой и правой поверхностях которой расположены полосковые проводники с сильной лицевой связью (около 3 дБ) и с отношением скоростей нормальных волн близким к 3:1. При этом сохраняется приемлемое импедансное согласование с подводящими линиями в портах и полная гальваническая развязка между каналом СВЧ и цепью управления.
Таким образом, упрощение схемы и конструкции ФВОТ в сравнении с прототипом достигается переходом от сосредоточенно-распределенной схемы к полностью распределенной, при котором многослойная конструкция, содержащая несколько (три и более) межлинейных конструктивных конденсаторов и несколько (два и более) диэлектрических слоев, заменяется одной вертикальной платой над заземленным основанием, что улучшает повторяемость характеристик и повышает рабочие частоты ФВ.
Заявляемая полезная модель и ее частотные характеристики изображены на следующих фигурах.
Фиг. 1 - структурно-функциональная схема ФВОТ на транснаправленном мосте.
Фиг. 2 - общий вид конструкции ФВОТ на транснаправленном мосте по настоящей заявке.
Фиг. 3 - вариант схемы электрической принципиальной ФВОТ на транснаправленном мосте.
Фиг. 4 - измеренные частотные зависимости возвратных потерь ФВОТ.
Фиг. 5 - измеренные частотные зависимости вносимых потерь ФВОТ.
Фиг. 6 - измеренные частотные зависимости управляемого фазового сдвига ФВОТ.
Структурно-функциональная схема СВЧ ФВОТ на транснаправленном мосте с требуемыми параметрами моста и обозначением портов изображена на фиг. 1; здесь также показана пара управляемых отражательных фазосдвигающих нагрузок, подключенных к двум внутренним портам.
r
п
c
Общий вид конструкции СВЧ ФВОТ согласно настоящей заявке показан на фиг. 2. ФВОТ включает в себя квадратурный мост на отрезке связанных линий, у которого в качестве входного и выходного портов выступают ближний и дальний концы одной из линий, а к ближнему и дальнему концам другой линии подключаются управляемые фазосдвигающие отражательные нагрузки 3. Построение и требуемое свойство транснаправленности квадратурного моста обеспечивается тем, что над заземленным основанием с небольшим воздушным зазором устанавливается вертикальная плата 1 с высокой диэлектрической проницаемостью (ε=16…20) с тем, чтобы достичь отношения фазовых скоростей нормальных волн (противофазной и синфазной) ν/ν близкого к 3:1 в полосковых проводниках 2 с сильной лицевой связью (около 3 дБ), которые расположены на левой и правой поверхностях вертикальной платы. При этом на центральной частоте рабочего диапазона обеспечиваются требуемые электрические длины связанных линий - 270 и 90 град., соответственно (см. фиг. 1). Также сохраняется приемлемое импедансное согласование с подводящими линиями в портах и полная гальваническая развязка между каналом СВЧ и цепью управления.
s
р
r
На фиг. 3 показана электрическая принципиальная схема варианта осуществления предлагаемого ФВОТ. Фазовращатель состоит из транснаправленного моста, сформированного на вертикальной платке, и пары отражательных нагрузок, в которых управляющими элементами являются варикапы, а сосредоточенные индуктивности L и емкости С сформированы короткими (λ/8) линиями передачи. Конструкция моста имеет межлинейную продольно-вертикальную плоскость симметрии, что позволяет применить к ней метод синфазно-противофазного возбуждения при анализе функционирования. При этом важно отметить, что вертикальная плата имеет весьма высокую диэлектрическую проницаемость ε=16…20, а окружающий ее воздух - низкую, равную примерно единице.
c
п
Принцип работы предлагаемого ФВОТ основан на использовании троекратного отношения скоростей нормальных волн при синфазном и противофазном возбуждении квадратурного моста на связанных линиях, а также преобразовании данным мостом, волн отраженных от пары отражательных нагрузок в сигнал, поступающий в выходной порт. При синфазном возбуждении моста поле концентрируется прежде всего в воздухе с малой диэлектрической проницаемостью. При противофазном возбуждении поле концентрируется прежде всего в диэлектрике вертикальной платы с высокой диэлектрической проницаемостью, образующем замедляющую среду. Таким образом, когда синфазная волна, распространяющаяся прежде всего в воздухе и являющаяся «быстрой», обретает фазовый сдвиг θ=90 град., противофазная волна, распространяющаяся прежде всего в диэлектрике вертикальной платы и являющаяся троекратно замедленной, набирает фазовый сдвиг θ=270 град. Откуда следует, что разность фаз между напряжениями противофазной («медленной») и синфазной («быстрой») и волн на выходе основной линии на центральной частоте полосы достигает 180 град., и полное напряжение становится равным нулю; следовательно, режим транснаправленной работы моста обеспечивается (см. фиг. 1). Требуемый управляемый фазовый сдвиг в выходном порту обеспечивается парой идентичных отражательных нагрузок 3, подключенных к внутренним портам (см. фиг. 2).
r
2
Для экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого ФВОТ был изготовлен макет (прототип) со следующими параметрами конструкции (см. фиг. 2): относительная диэлектрическая проницаемость вертикальной платы ε=20; толщина вертикальной платы h=0,5 мм; ее ширина, совпадающая с шириной полосковых линий с лицевой связью w=0,8 мм; расстояние (зазор) между вертикальной платой и заземленным основанием s=0,25 мм; длина вертикальной платы  Площадь горизонтального заземленного основания - 12×12 мм. Материал вертикальной платы - В-20 производства ООО «Керамика» (Санкт-Петербург); плата монтируется как обычный поверхностно-монтируемый компонент (SMD). Отражательные нагрузки содержат варикапы АА631А от АО «НИИПП» (Томск). Варикапы реализованы как GaAs диоды с барьером Шотки со следующими электрическими параметрами: средняя емкость C(Ur=6V)=(0,4±0,1) пФ; коэффициент перекрытия по емкости Kc=Cmax(Ur=0V) /Cmin(Ur=50V)=2,8…3,3; добротность Q (f=1 ГГц)=250…340. Варикапы смещались следующим обратным напряжением Ur=(0 0,5 1 2 4 6 8 10 12 20 40) В при токе менее 0,01 мА. Размеры корпуса диода - 1,3 мм (диаметр) на 1,2 мм (высота).
Измеренные характеристики прототипа ФВОТ в зависимости от частоты и обратного напряжения смещения показаны на фиг. 4-6. Обнаружено хорошее согласие расчетных и экспериментальных результатов. ФВОТ работает в диапазоне от 9,5 до 11,5 ГГц (20%), обеспечивает регулирование фазы (0…125)° с вносимыми потерями (1,5…3) дБ, включая потери в разъемах, и возвратные потери лучше, чем (12…15) дБ во всех фазовых состояниях.
Таким образом, эксперимент подтвердил, что предлагаемый ФВОТ, построенный на транснаправленном мосте на связанных линиях с вертикальной платой реализуем, работоспособен и достаточно эффективен.
Связанные линии моста ФВОТ выполняются на одной вертикальной плате, устанавливаемой как обычный поверхностно-монтируемый компонент, что упрощает схему и конструкцию, улучшает повторяемость характеристик и повышает рабочие частоты фазовращателя (более 10 ГГц).
Список использованных источников
1. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. СВЧ фазовращатели и переключатели: Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении - М.: Радио и связь, 1984. - 184 с.
2. Pat. 10181833 US. Int. Cl. H01L 29/78. Reflection type phase shifter with active device tuning / Arigong B. (US) et al. - Assignee: Infineon Tech. AG (DE), Application No: 15/460297, Filed: 16.03.2017, Publ.: 15.01.2019.
3. Мунина И.В., Туральчук П.А. Гибридный СВЧ ответвитель мощности с гальванически развязанными плечами // Всероссийская конф. С.П-б.: 4-7 июня 2012 - Микроэлектроника СВЧ. - С. 209-212. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://mwelectronics.ru/2012/Poster/C48_I.V.%20Munina_Gibiidny%60y%20SVCh%20otvetvitel'.pdf (дата обращения 5.03.2019).