ДИСКРЕТНЫЙ ПРОХОДНОЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ
DISCRETE TRANSMISSION PHASE SHIFTER

Предполагаемое изобретение относится к области электроники сверхвысоких частот, а именно к дискретным фазовращателям проходного типа, и может быть использовано в качестве электронно-управляемых устройств в проходной фазированной антенной решетке.
Известна конструкция проходного шлейфного фазовращателя [Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А., СВЧ фазовращатели и переключатели, 1984]. Проходной шлейфовый фазовращатель представляет собой отрезок линии передачи, который нагружен с двух сторон на одинаковые параллельные проводимости. Реактивности реализуются параллельными шлейфами, нагруженными на конце линии на p-i-n-диод. В месте подключения шлейфов к основной линии образуется трансформатор. Область подключения шлейфа описывается шестиполюсником, к которому также подключается двухполюсник - одноступенчатый отражательный фазовращатель. Изменение фазы коэффициента прохождения осуществляется коммутацией периодически включенных в линию шлейфов.
Недостатками данного фазовращателя в волноводном исполнении являются большие поперечные размеры и масса.
Известно также устройство СВЧ-фазовращателя [патент РФ №2032254, МПК: H01P 1/185]. Сущность изобретения: в СВЧ фазовращателе, содержащем управляемый фазосдвигатель и первый и второй 3-ДБ мосты, соединенные через первый и второй проходные фазосдвигатели, причем одно выходное плечо второго 3-ДБ моста является первым выходом СВЧ фазовращателя, проходные фазовращатели выполнены с фазовым сдвигом 0-180°, управляемый фазосдвигатель подключен к первому входному плечу первого моста - первому входу СВЧ фазовращателя, второе входное плечо первого моста является вторым выходом СВЧ фазовращателя.
Недостатками данного устройства является конструктивно сложное исполнение за счет введения 3-ДБ моста, в котором для получения больших фазовых сдвигов складывается мощность, поступающая от первого и второго проходных дискретных фазосдвигателей, а также большие поперечные размеры и масса в волноводном исполнении, что ограничивает его применение в составе фазированных антенных решеток.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является дискретный проходной фазовращатель [Пазухина Т.Г., Сивяков Б.К. Проектирование волноводных фазовращателей с p-i-n-диодами и планарными петлями связи/ Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. №1. Вып.1. С.246-255]. Фазовращатель содержит отрезок прямоугольного волновода и «N» петель связи, размещенных на диэлектрических пластинах, установленных в поперечном сечении волновода, p-i-n-диоды подключены одним электродом к концам петель связи, а вторым - к узкой стенке волновода. Фазовращатель состоит из нескольких одинаковых секций. Каждая секция состоит из набора последовательно включенных элементарных фазосдвигающих ячеек, содержащих два реактивных элемента.
Недостатками данного устройства является невозможность уменьшения поперечного размера волновода менее длины электромагнитной волны в свободном пространстве, необходимого для увеличения угла обзора фазированной антенной решетки, и сравнительно узкая полоса пропускания прямоугольного волновода.
Задачей изобретения и техническим результатом является уменьшение поперечного размера фазовращателя и расширение полосы рабочих частот фазовращателя.
Поставленная задача достигается тем, что в дискретном проходном фазовращателе, содержащем волновод, вдоль оси, которого в поперечном сечении размещены диэлектрические пластины с несимметричными планарными петлями связи и присоединенными к ним управляющими электродами и p-i-n-диодами, каждый из которых одним электродом подключен к концу несимметричной планарной петли связи, а другим электродом к боковой стенке волновода согласно предлагаемому техническому решению волновод имеет П-образное поперечное сечение, а диэлектрические пластины с несимметричными планарными петлями связи расположены между выступом и боковой стенкой П-образного волновода, а каждый p-i-n-диод подключен одним электродом к концу несимметричной планарной петли связи у широкой стенки П-образного волновода противоположной выступу.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами: на фиг.1 представлена схематическая конструкция фазовращателя, на фиг.2 - ее продольный разрез, на фиг.3 - фазочастотные характеристики,
где 1 - отрезок волновода П-образного сечения;
2 - диэлектрические пластины;
3 - несимметричная планарная петля связи;
4 - p-i-n-диоды;
5 - управляющий электрод.
Дискретный проходнй фазовпащатель состоит из отрезка волновода П-образного сечения 1, вдоль оси которого в поперчном сечении размещены диэлектрические пластины 2 с несимметричными планарными петлями связи 3. Диэлектрические пластины 2 расположены одна за другой между выступом и боковой стенкой отрезка волновода П-образного сечения 1 и отстоят друг от друга на растоянии четверти длины волны в таком волноводе. Между диэлектрическими пластинами 2 и боковой стенкой волновода имеется зазор. Диэлектрическая пластина 2 с нанесенной несимметричной планарной петлей связи 3 представляют собой реактивный элемент. Отстоящие друг от друга на четверть длины волны реактивные элементы образуют элементарную фазосдвигающую ячейку. Количество фазосдвигающих ячеек определяет дискретность фазовращателя. Несимметричные планарные петли связи 3 размещены на диэлектрических пластинах 2, так что на стыке двух фазосдвигающих ячеек несимметричные планарные петли связи 3 расположены с двух сторон диэлектрической пластины 2. Таким образом на входе и выходе стоят диэлектрические пластины с одной планарной петлей связи. Планарная петля связи 3 представляет собой несимметричную конструкцию, у которой один конец нагружен p-i-n-диодом 4 у широкой стенки П-образного волновода 1 противоположной выступу, а другой остается разомкнутым. Электрическая длина ненагруженного конца несимметричной планарной петли связи 3 (считая по средней линии от плоскости симметрии петли) примерно равна 90°. Каждый p-i-n-диод 4 одним электродом подключен к несимметричной планарной петле связи 3, а другим к боковой стенки волновода. Управляющий электрод 5 служит для подачи управляющего напряжения на p-i-n-диоды 4, который присоединен к центральной части несимметричной планарной петли связи 3.
Устройство работает следующим образом.
Дискреный проходной фазовращатель изменяет фазу электромагнитной волны, которая направлена от облучателя. Состояние, когда все p-i-n-диоды 4 выключены считается нулевым и от него отсчитывается изменение фазы. Элементарные фазосдвигающие ячейки включаются последовательно. Каждая реактивность может принимать два значения в зависимости от полярности напряжения, приложенного к p-i-n-диодам 4, которые включены в цепь каждой реактивности последовательно ей. При подаче на p-i-n-диоды 4 посредством управляющего электрода 5 запирающего напряжения, цепь несимметричной планарной петли связи 3 будет разомкнута для токов СВЧ, так как в этом случае p-i-n-диоды 4 будут закрыты, и несимметричная планарная петля связи 3 не будет оказывать возмущения магнитному полю. При подаче на p-i-n-диоды 4 напряжения прямого смещения, p-i-n-диоды 4 откроются. По цепи несимметричной планарной петли 3 протекает ток, который создает размагничивающий поток. Фаза прошедшей волны определяется как разность фаз коэффициентов передачи Si2 в двух состояниях элементарной ячейки. При включении первой ячейки
<mrow><mfrac><mrow><mn>3</mn><mn>6</mn><mn>0</mn><mo>°</mo></mrow><mi>N</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mn>3</mn><mn>6</mn><mn>0</mn><mo>°</mo></mrow><mi>N</mi></mfrac></mrow>
фаза коэффициента передачи меняется на
, где N - число фазосдвигающих ячеек. При каждом включении следующей ячейки фаза увеличивается с дискретом
.
Из расчитанной с помощью пакета программ электродинамического моделирования Ansoft HFSS фазочастотных характреристик фазовращателя на 16 положений фазы (фиг.3), видно, что фазочастотные характеристики имеют относительно слабую дисперсию в полосе частот с дискретом в 22,5°.
Уменьшение поперечных размеров дает возможность ставить модули фазированной антенной решетки ближе друг к другу, тем самым увеличивая угол сектора обзора пространства фазированной антенной решетки.