НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ СВЧ С РЕГУЛИРУЕМЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ СВЯЗИ

Полезная модель относится к области радиотехники, а более конкретно, к направленным ответвителям СВЧ с регулируемым коэффициентом связи, и может быть использована в приемных и передающих устройствах СВЧ.
Известна схема направленного ответвителя с регулируемым коэффициентом связи, состоящего из двух направленных восьмиполюсников с равным делением мощности, соединенных через управляемые фазовращатели. [Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988. - стр 120]. Эта схема выбрана в качестве прототипа. Коэффициент связи является функцией фазового сдвига, и для регулирования коэффициента связи в пределах от 0 до 1 необходимо реализовать плавный фазовращатель, вносящий управляемый фазовый сдвиг от 0 до 180 градусов. При реализации указанной схемы на практике обнаружено, что чем больше диапазон регулировки фазового сдвига, вносимого плавным фазовращателем, тем больше неравномерность фазового сдвига в полосе частот. Плавные фазовращатели проходного типа представляют собой, как правило, линию с плавно изменяемой электрической длиной, поэтому фазовый сдвиг у таких фазовращателей прямо пропорционален частоте. Фазовращатели отражательного типа представляют собой, как правило, квадратурные направленные ответвители (КНО), нагруженные на варикапы. У варикапа под действием управляющего напряжения изменяется емкость, а фазовый сдвиг является функцией реактивной проводимости варактора 2πfC (C - емкость, f - частота). Чем более чувствителен фазовый сдвиг к изменению емкости С, тем более он чувствителен к изменению частоты f.
Поэтому недостатком указанной схемы является большая получаемая на практике неравномерность коэффициента связи в рабочей полосе частот.
Целью создания полезной модели является уменьшение неравномерности коэффициента связи направленного ответвителя в рабочей полосе частот.
Для достижения указанной цели предлагается направленный ответвитель СВЧ с регулируемым коэффициентом связи, включающий первый и второй направленные восьмиполюсники с равным делением мощности, каждый из которых имеет первый вход, второй вход, первый выход, второй выход, и первый и второй управляемые фазовращатели. Первый вход первого направленного восьмиполюсника является первым входом устройства, второй вход первого направленного восьмиполюсника является вторым входом устройства. Первый выход первого направленного восьмиполюсника подключен ко входу первого фазовращателя, второй выход первого направленного восьмиполюсника подключен ко входу второго фазовращателя. Выход первого фазовращателя подключен к первому входу второго направленного восьмиполюсника, выход второго фазовращателя подключен ко второму входу второго направленного восьмиполюсника. Первый выход второго направленного восьмиполюсника является первым выходом устройства, второй выход второго направленного восьмиполюсника является вторым выходом устройства. Согласно полезной модели, первый и второй направленные восьмиполюсники выполнены в форме квадратурных направленных ответвителей (КНО) на связанных линиях, а указанные фазовращатели являются двухсекционными, причем первая секция первого фазовращателя вносит неуправляемый фиксированный фазовый сдвиг 90 градусов относительно первой секции второго фазовращателя, а вторые секции первого и второго фазовращателей выполнены в виде плавных фазовращателей, вносящих управляемый фазовый сдвиг от 0 до 90 градусов.
На фиг.1 изображена функциональная схема устройства. На фиг.2 изображена электрическая схема направленного ответвителя с регулируемым коэффициентом связи, реализованного по схеме прототипа. На фиг.3 изображена электрическая схема направленного ответвителя с регулируемым коэффициентом связи, реализованного по предлагаемой модели.
Функциональная схема устройства изображена на фиг.1. Входы КНО 1 являются входами устройства. Первый выход КНО 1 подключен ко входу фазосдвигающей секции 2. Второй выход КНО 1 подключен ко входу фазосдвигающей секции 3. Выход фазосдвигающей секции 2 подключен ко входу фазосдвигающей секции 4. Выход фазосдвигающей секции 3 подключен ко входу фазосдвигающей секции 5. Выход фазосдвигающей секции 4 подключен к первому входу КНО 6. Выход фазосдвигающей секции 5 подключен ко второму входу КНО 6. Выходы КНО 6 являются выходами устройства.
Фазосдвигающая секция 2 вносит неуправляемый фиксированный фазовый сдвиг 90 градусов в рабочей полосе частот относительно фазосдвигающей секции 3. Фазосдвигающая секция 4 и фазосдвигающая секция 5 идентичны. При этом секция 4 обеспечивает управляемый фазовый сдвиг от 0 до 90 градусов относительно секции 5, находящейся в состоянии с минимальным вносимым фазовым сдвигом. И наоборот, секция 5 обеспечивает управляемый фазовый сдвиг от 0 до 90 градусов относительно секции 4, находящейся в состоянии с минимальным вносимым фазовым сдвигом.
Принцип работы предлагаемого направленного ответвителя с регулируемой связью проиллюстрируем на математической модели. Пусть КНО 1 и 6 являются идентичными согласованными взаимными восьмиполюсниками без потерь, обладающими идеальной направленностью. Пусть также фазосдвигающие секции 2, 3, 4, 5 являются идеально согласованными, и затухание сигнала при прохождении через секции 4 и 5 не зависит от вносимого фазового сдвига.
Тогда коэффициент связи направленного ответвителя К, равный модулю коэффициента передачи с первого входа на второй выход, и равный модулю коэффициента передачи со второго входа на первый выход, находится по формуле:
,
где
α - коэффициент, учитывающий потери в фазовращателях;
1
С - коэффициент передачи с первого входа КНО 1 на первый выход КНО 1, равный коэффициенту передачи со второго входа КНО 1 на второй выход КНО 1, равный коэффициенту передачи с первого входа КНО 2 на первый выход КНО 2, равный коэффициенту передачи со второго входа КНО 2 на второй выход КНО 2;
2
С - коэффициент передачи с первого входа КНО 1 на второй выход КНО 1, равный коэффициенту передачи со второго входа КНО 1 на первый выход КНО 1, равный коэффициенту передачи с первого входа КНО 2 на второй выход КНО 2, равный коэффициенту передачи со второго входа КНО 2 на первый выход КНО 2;
4
5,
ψ=φ-φ
где
4
φ - фазовый сдвиг, обеспечиваемый секцией 4;
5
φ - фазовый сдвиг, обеспечиваемый секцией 5.
,
,
,
.
Максимальный фазовый сдвиг уменьшен до 90 градусов по сравнению с прототипом, у которого он составляет 180 градусов. Значит, уменьшается и максимальная неравномерность фазового сдвига в рабочей полосе частот. Таким образом, достигается технический эффект, заключающийся в уменьшении неравномерности коэффициента связи в рабочей полосе частот, в силу зависимости коэффициента связи от фазового сдвига.
Достижение технического эффекта проиллюстрируем на примере.
На фиг.2 изображена электрическая схема микрополоскового направленного ответвителя с регулируемым коэффициентом связи, реализованная на основе схемы прототипа. Рабочий диапазон частот ответвителя 1,2-1,8 ГГц, относительная ширина полосы 40%. В качестве материала подложки используется керамика «Поликор» толщиной 1 мм. Направленные восьмиполюсники с равным делением мощности выполнены в виде мостов Ланге 7 и 8. Управляемые фазовращатели 9 и 10 выполнены в виде отражательных фазовращателей на основе мостов Ланге 11 и 12, у которых развязанные друг относительно друга выходы нагружены через трансформирующие цепи 13 на варикапы 14. Трансформирующие цепи 13 состоят из отрезков линий передач. Функциональное назначение трансформирующих цепей состоит в достижении фазового сдвига 180 градусов при ограниченном диапазоне изменения емкости варикапов. Цепи подачи постоянного управляющего напряжения и блокировочные конденсаторы не показаны. В качестве варикапов применяются диоды ВВ181 фирмы Philips Semiconductors с регулируемой емкостью перехода 1-12 пФ. Коэффициент связи мостов 7, 8, 11, 12 равен 0,717 на центральной частоте диапазона. Коэффициент связи направленного ответвителя изменяется в пределах от 0 до 0,91, при этом максимальная неравномерность коэффициента связи в рабочей полосе частот составляет ±0,20.
На фиг.3 изображена электрическая схема микрополоскового направленного ответвителя с регулируемым коэффициентом связи, реализованного на основе предлагаемой полезной модели. Рабочий диапазон частот ответвителя также 1,2-1,8 ГГц, элементная и технологическая база те же, что у ответвителя, изображенного на фиг.2. КНО 1 и 6 выполнены в виде мостов Ланге. Фазосдвигающая секция 2 выполнена в виде цепи Шиффмана [Schiffman В.М. A new class of broad-band microwave 90-degree phase shifters // IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.6, No 4, April 1958]. Фазосдвигающая секция 3 выполнена в виде отрезка линии передачи так, что она обеспечивает постоянный в рабочей полосе частот фазовый сдвиг 90 градусов относительно секции 2. Фазосдвигающая секция 4 и фазосдвигающая секция 5 выполнены аналогично управляемым фазовращателям 9 и 10, изображенным на фиг.2, за исключением того, что трансформирующие цепи не используются. Коэффициент связи изменяется в пределах от 0 до 0,88, при этом максимальная неравномерность коэффициента связи в рабочей полосе частот составляет ±0,11.
Таким образом, полезная модель обеспечивает уменьшение неравномерности коэффициента связи в рабочей полосе частот по сравнению с прототипом.