СВЧ фазовращатель на микрополосковых линиях передачи дециметрового диапазона длин волн
SHF PHASE SHIFTER FOR THE DECIMETER WAVELENGTH RANGE TRANSMISSION LINES MICROSTRIP LINES

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и предназначено для изменения фазы электромагнитной волны в широкополосных устройствах СВЧ.
Известен фазовращатель на трехдецибельном направленном ответвителе (см. патент US №3748601 НКИ 333-10, публикация от 24.07.1973), нагрузками которого являются отражательные фазовращатели с управляющими элементами. В каждом разряде СВЧ-сигнал, поступающий на входное плечо направленного ответвителя делится пополам между двумя его плечами с фазовым сдвигом 90° и затем, отражаясь от включенных в них двух идентичных нагрузок, складывается в изолированном (выходном) плече направленного ответвителя. Заданный фазовый сдвиг проходящего сигнала обеспечивается разностью фаз коэффициентов отражателей фазовращателей, соответствующих двум устойчивым состояниям управляющих элементов. При этом уровень согласования каждого разряда фазовращателя значительно ухудшается при неравномерном делении мощности между двумя плечами, так как в этом случае часть мощности отражается на вход.
Габариты указанного устройства относительно велики из-за использования для обеспечения развязок по цепям питания полосно-заграждающих фильтров на полосковых четвертьволновых шлейфах.
Известен дискретный фазовращатель (см., AC SU №1822612 МКИ Н01Р 01/18, публикация от 20.05.1995), содержащий полосковую линию передачи, сигнальный провод которой выполнен в виде петли, причем в основании и вершине петли соответственно размещены первый коммутирующий pin-диод, разомкнутый шлейф и отрезок проводника длинами меньше λ/4, выход которого соединен с короткозамкнутым и разомкнутым шлейфами с суммарной длиной равной λ/4, который связан через второй коммутирующий pin-диод с короткозамкнутым шлейфом.
Известен дискретный фазовращатель (см., Техника средств связи, серия: Техника радиосвязи, 1980, вып. 4 (22), стр. 74, В.Н. Олейник, Петлевой микрополосковый фазовращатель дециметрового диапазона), выполненный по микрополосковой технологии на фазосдвигающей петле со связью с разомкнутым шлейфом, содержащий трехразрядный pin-диодный фазовращатель с 45°, 90° и 180° разрядами, причем в основании и вершине петли со связью каждого разряда соответственно размещены первый и второй pin-диоды, катод которого связан с разомкнутым на конце шлейфом, причем петля со связью и разомкнутый на конце шлейф образуют суммарную длину, равную λ/2, к определенной точке которого подсоединен короткозамкнутый шлейф длиной λ/4, кроме того в вершине петли со связью в разрыве подключен первый конденсатор, один вывод которого связан с объединенными анодами первого и второго pin-диодов, а второй вывод соединен с катодом первого pin-диода и подключен к короткозамкнутому шлейфу длиной λ/4, источник напряжения смещения, связанный через второй конденсатор с землей, подключен к основной линии передачи к каждому разряду фазовращателя через согласующий проводник длиной λ/4 к объединенным анодам первого и второго pin-диодов, причем объединенные аноды первого и второго pin-диодов 45° и 180° разрядов и катод первого pin-диода 90° разряда являются входами разрядов фазовращателя, а катод первого pin-диода 45° и 180° разрядов и объединенные аноды первого и второго pin-диодов 90° являются выходами разрядов фазовращателя, причем вход 45° разряда соединен через третий конденсатор с входом фазовращателя, а выход подключен непосредственно к входу 90° разряда, выход которого связан через четвертый конденсатор с входом 180° разряда, а выход 180° разряда является выходом фазовращателя.
В известном техническом решении фазовая ошибка во всех фазовых состояниях фазовращателя не превышает 8°, а средние потери, вносимые в тракт, не превышают 1,85 дБ, однако техническое решение обладает высоким уровнем паразитной амплитудной модуляции, имеет значительные затраты потребления тока, а также большие габариты и массу.
Известно сверхвысокочастотное устройство на микрополосковых линиях передачи (см., патент RU №2130672 МПК Н01Р 01/185, публикация от 20.05.1999) содержит фазосдвигающую петлю со связью в каждом разряде фазовращателя, причем в основании и вершине петли соответственно размещены первый и второй pin-диоды, а в вершине петли в разрыве подключен первый конденсатор, причем в разрыве петли выводы первого конденсатора соединены соответственно с объединенными выводами катода первого, анода второго pin-диодов и с анодом первого pin-диода, а выходы источника напряжения смещения подключены через второй конденсатор к земле и соответственно связаны с каждым разрядом фазовращателя через согласующий проводник с катодом второго pin-диода, причем петля со связью и согласующий проводник каждого плеча образуют суммарную длину, равную λ/4, кроме того, четырехразрядный pin-диодный фазовращатель имеет 22,5°; 45°; 90°; 180° разряды, причем 180° разряд состоит их второго и третьего 90° разрядов, а входом и выходом 45° и 22,5° разрядов являются соответственно точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов и анода второго pin-диода соответствующего разряда, входом и выходом 90° разряда являются соответственно вывод анода первого pin-диода и точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов, входом и выходом 180° разряда являются соответственно точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов второго 90° разряда и точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов третьего 90° разряда, а второй вывод первого конденсатора 45°; 22,5° и второго 90° разряда связан с высокоомным короткозамкнутым шлейфом длиной λ/4, причем вход и выход 45° разряда соединены соответственно через третий и четвертый конденсаторы с входом фазовращателя и входом 22,5° разряда, выход которого непосредственно подключен к входу 90° разряда фазовращателя, причем вход и выход второго 90° разряда связан соответственно через пятый конденсатор с выходом 90° разряда и непосредственно с входом третьего 90° разряда, выход которого подключен через шестой конденсатор к выходу фазовращателя.
Недостатком технического решения является узкая полоса рабочих частот.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фазовращатель на микрополосковых линиях передачи (см., патент RU №74744 МПК Н01Р 01/185, публикация от 13.03.2008), содержащий pin-диодные петлевые разряды 22,5°; 45°; 90°, каждый из которых подключен к соответствующему выходу источника управляющего напряжения смещения, а также pin-диодный разряд 180°, причем все pin-диодные разряды соединены между собой, причем pin-диодный петлевой разряд 180° выполнен на основе встречно-штырьевого направленного микрополоскового ответвителя, внешние развязанные плечи которого подключены одно через первый конденсатор к pin-диодному петлевому разряду 90°, а другое через второй конденсатор к первому входу выходу фазовращателя на микрополосковых линиях передачи, причем каждое внутреннее плечо встречно-штырьевого направленного ответвителя соединено через индуктивность с короткозамкнутым шлейфом и подключено к последовательно соединенным pin-диоду и согласующему проводнику, противоположные концы согласующих проводников соединены между собой и подключены к соответствующему выходу источника управляющего напряжения смещения, кроме того, каждый из противоположных концов согласующих проводников соединены соответственно с одним контактом третьего и одним контактом четвертого конденсаторов, другие их контакты заземлены, а введенный pin-диодный петлевой корректирующий разряд включен между двумя любыми pin-диодными петлевыми разрядами, причем с одним из них через пятый конденсатор соединен с источником управляющего напряжения смещения, при этом все разряды могут располагаться в произвольном порядке при условии обеспечения их согласования и режимов включения по постоянному току, при этом вторым входом-выходом фазовращателя на микрополосковых линиях передачи является подключенный через шестой конденсатор первый стоящий по порядку pin-диодный петлевой разряд.
Недостатком технического решения являются большие фазовые ошибки (среднеквадратичная ошибка составляет от 5° до 6,5°), потери и габариты фазовращателя.
Техническим результатом изобретения является уменьшение ошибок установки фазы, потерь и габаритов фазовращателя.
Технический результат достигается тем, что СВЧ фазовращатель на микрополосковых линиях передачи дециметрового диапазона длин волн, содержащий pin-диодные петлевые разряды 22,5°, 45° со связью в петле, pin-диодный разряд 90°, pin-диодный разряд 180° на встречно-штыревом направленном микрополосковом ответвителе и конденсаторы, отличающийся тем, что pin-диодные разряды 22,5° и 45° реализованы на последовательно соединенных трех pin-диодах каждый, причем третьи pin-диоды включены в отрезок микрополосковой линии между вторыми pin-диодами и первыми соединенными с корпусом конденсаторами, подключенными к соответствующему выходу устройства управления, аноды вторых pin-диодов разрядов 22,5° и 45° подключены к катодам первых диодов, а через вторые конденсаторы к анодам первых диодов, анод первого pin-диода разряда 22,5° соединен с первым помехоподавляющим фильтром подключенным к корпусу и третьим конденсатором подключенным к первому входу/выходу СВЧ фазовращателя, а катод первого pin-диода разряда 22,5° через четвертый конденсатор соединен с катодом первого pin-диода разряда 45°, анод которого связан со вторым помехоподавляющим фильтром, подключенным к корпусу и соединен с первым внешним развязанным плечом компактно свернутого встречно-штыревого направленного ответвителя pin-диодного разряда 90°, внутренние плечи встречно-штыревого направленного ответвителя разряда 90° высокоомными микрополосковыми шлейфами соединены с анодами четвертых pin-диодов, катоды которых объединены и подключены к соответственному выходу устройства управления и через первые конденсаторы разряда 90° соединены с корпусом, причем второе внешнее развязанное плечо встречно-штыревого направленного ответвителя разряда 90° подключено к третьему помехоподавляющему фильтру, который соединен с корпусом и подключен к первому входу/выходу разряда 180°, а второй вход/выход через пятый конденсатор подключен ко второму входу/выходу СВЧ фазовращателя.
х
3
Сущность предложенного технического решения состоит в том, что математическое моделирование и экспериментальные исследования позволили 4 разрядный широкополосный микрополосковый фазовращатель, обеспечивающий переключение фазы от 0° до 360° с дискретом 22,5° в полосе частот 50% с минимальными фазовыми ошибками и уменьшенными потерями выполнить в размерах (45×20×1) мм, причем pin-диодные разряды 22,5° и 45° выполнены на основе петли со связью в петле и дополнительными pin-диодами в короткозамкнутых согласующих шлейфах; pin-диодные разряды 90° и 180° выполнены на основе компактно свернутых встречно-штыревых направленных ответвителей с коммутацией режимов XX в КЗ, а все цепи заземления сопряжены с основной линией помехоподавляющими фильтрами.
Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными признаками позволяют успешно реализовать поставленную цель.
На фиг. 1 приведена электрическая схема 4-разрядного фазовращателя, иллюстрирующая предлагаемое техническое решение.
Состав фазовращателя.
1 - цепи соединения основной микрополосковой линии с корпусом -цепи заземления (основной тракт заштрихован).
2 - Pin-диодный петлевой разряд 22,5° со связью в петле.
3 - Pin-диодный петлевой разряд 45° со связью в петле.
4 - Pin-диодный разряд 90° на встречно-штыревом направленном ответвителе.
5 - Pin-диодный разряд 180°.
6 - высокоомные микрополосковые шлейфы.
к1-к4 - контакты первый, второй, третий, четвертый.
VD1-VD4 - pin-диоды первый, второй, третий, четвертый.
С1-С5 - конденсаторы первый, второй, третий, четвертый, пятый.
ZR1-ZR3 - помехоподавляющие фильтры первый, второй, третий.
В pin-диодных разрядах 22,5° (2) и 45° (3) в согласующие короткозамкнутые шлейфы помещено по одному pin-диоду VD3, которые открываются и закрываются одновременно с pin-диодами VD1 и VD2 фазосдвигающей петли, при этом фазовые ошибки этих разрядов уменьшились до ± 3° в полосе частот 50%.
В pin-диодном разряде 90° (4) встречно-штыревой направленный ответвитель компактно свернут.Фазу pin-диодного разряда 90° получаем с точностью ± 2° в полосе частот 50% при переключении режима XX в КЗ pin-диодами VD4 на концах высокоомных шлейфов длиной меньше λ/4 и подключенных к внутренним плечам встречно-штыревого направленного ответвителя.
Фазу pin-диодного разряда 180° (5) получаем с точностью ± 2° в полосе частот 50% при переключении режима XX в КЗ pin-диодами на концах низкоомных шлейфов, подсоединенных к внутренним плечам встречно-штыревого направленного ответвителя.
Цепь заземления (1) с ZR1 обеспечивает работу разряда 22,5° (2); цепь заземления (1) с ZR2 обеспечивает работу разряда 45° (3) и одного диода разряда 90° (4), цепь заземления (1) с ZR3 обеспечивает работу второго диода разряда 90° (4).
Все pin-диодные разряды выполнены на pin-диодах одного типа (VD1-VD4). Во всех цепях управления pin-диодами в качестве блокировочных и разделительных емкостей используются бескорпусные конденсаторы (С1-С5).
Работа фазовращателя осуществляется следующим образом.
Все pin-диоды VD1-VD4 открываются отрицательным напряжением. При подаче положительного напряжения на контакты к1-к4 все pin-диоды фазовращателя закрыты и СВЧ сигнал проходит по основному тракту, по петлям разрядов 22,5° (2) и 45° (3), в разрядах 90° (4) и 180° (5) отражается от разомкнутых концов шлейфов (6), подсоединенных к внутренним плечам встречно-штыревых направленных ответвителей. Получаем фазу 0°.
При подаче отрицательного напряжения на контакт к1 открываются pin-диоды VD1, VD2, VD3, фазового разряда 22,5° (2) и СВЧ сигнал через pin-диод VD1 проходит, минуя петлю, по основному тракту. Естественно, путь сократился, получаем фазу +22,5°. При этом цепь от pin-диода VD1 до заземленного конденсатора С1 (петля, конденсатор С2, pin-диод VD2, отрезок согласующего шлейфа, pin-диод VD3, отрезок согласующего шлейфа, заземленный конденсатор С1) имеет электрическую длину λ/4, трансформирует XX в точку pin-диода VD1 и не влияет на прохождение СВЧ сигнала по основному тракту.
При подаче отрицательного напряжения на контакт к2 открываются pin-диоды VD1, VD2, VD3, фазового разряда 45° (3) и СВЧ сигнал через pin-диод VD1 проходит, минуя петлю, по основному тракту. Естественно, путь сократился, получаем фазу +45°. При этом цепь от pin-диода VD1 до заземленного конденсатора С1 (петля, конденсатор С2, pin-диод VD2, отрезок согласующего шлейфа, pin-диод VD3, отрезок согласующего шлейфа, заземленный конденсатор С1) имеет электрическую длину λ/4, трансформирует XX в точку pin-диода VD1 и не влияет на прохождение СВЧ сигнала по основному тракту.
При подаче отрицательного напряжения на контакт к3, открываются pin-диоды VD4, фазового разряда 90° (4), СВЧ сигнал отражается от высокоомных короткозамкнутых шлейфов (6), подсоединенных к внутренним плечам встречно-штыревого направленного ответвителя и получаем фазу +90°.
При подаче отрицательного напряжения на контакт к4, открываются pin-диоды фазового разряда 180° (5) и СВЧ сигнал отражается от низкоомных короткозамкнутых шлейфов, подсоединенных к внутренним плечам встречно-штыревого направленного ответвителя, получаем фазу +180°.
Предлагаемое техническое решение работает в дециметровом диапазоне частот.
Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом показывает следующие результаты (предлагаемое изобретение/прототип):
- количество разрядов 4/4;
- количество диодов 10/10;
- полоса рабочих частот ΔF7F, %, 50/50;
- средние потери, дБ, 1,6/2;
- средний ток потребления на разряд, мА, 60/66;
3
- габариты (ДхШхТ), мм, (45×20×1)/(60×24×1);
- среднеквадратичная ошибка установки фазы:
н
- f 2,7°/5,5°;
cp
- f 2°/5°;
н
- f 2,5°/6,5°.
Предлагаемое техническое решение реализовано в АФАР дециметрового диапазона.
Технико-экономическим достоинством предлагаемого технического решения является уменьшение ошибок установки фазы, потерь и габаритов фазовращателя.