УПРАВЛЯЕМЫЙ СВЧ-ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H01P1/18 

Изобретение относится к радиотехнике, а конкретно к технике сверхвысоких частот (СВЧ), и может быть использовано как в качестве самостоятельного устройства, так и в качестве фазовращательной ячейки преимущественно для настройки или контроля СВЧ-систем в лабораторных условиях или же в учебных целях для демонстрации работы СВЧ-устройств.

Известен управляемый СВЧ-фазовращатель, содержащий входное и выходное плечи, к которым подключена составленная из участков с разными импедансами линия передачи, к которой на четвертьволновом расстоянии друг от друга подключены две отражательные ячейки, каждая из которых содержит p-i-n диод, один вывод которого заземлен через конденсатор, а другой подключен к линии передачи посредством отрезка линии передачи, а также содержащий цепи для подачи управляющих сигналов на p-i-n диоды. Полярность заземленных выводов p-i-n диодов одинакова для обеих отражательных ячеек (Хиж Г.С. Вендик И.Б. Серебряков Е. А. СВЧ-фазовращатели и переключатели. Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. М. Радио и связь, 1984, с. 25, рис. 1.15).

Недостатками указанного устройства являются: во-первых, отсутствие наглядной визуальной качественной индикации относительно подачи управляющих сигналов, изменения величины фазового сдвига и локализации неисправного диода; во-вторых, величина модуля разности фазовых сдвигов для двух крайних (с полностью открытыми и полностью закрытыми p-i-n диодами) состояний фазовращателя меньше (в 2 раза), чем величина разности фазовых сдвигов для двух крайних (с полностью открытым и полностью закрытым p-i-n диодом) состояний отражательной ячейки.

Известен регулируемый проходной фазовращатель, содержащий трехдецибельный направленный ответвитель, к одной паре развязанных плеч которого подключены входное и выходное плечи, а к каждому плечу другой пары развязанных плеч которого подключено несколько отражательных ячеек, каждая из которых содержит варакторный диод, один вывод которого заземлен, а другой соединен посредством отрезка линии передачи и конденсаторов с p-i-n диодами, служащими для подключения отражательных ячеек, а также содержащий цепи для подачи управляющих сигналов на диоды (авт. св. СССР N 1517077, кл. H 01 P 1/18, 1989).

Недостатками указанного устройства являются: во-первых, отсутствие наглядной визуальной качественной индикации относительно подачи управляющих сигналов, изменения величины фазового сдвига и локализации неисправного диода; во-вторых, большое количество диодов, приходящихся на одну отражательную ячейку (так, на каждую отражательную ячейку приходятся три диода: один варакторный диод и два p-i-n диода); в-третьих, трудность реализации трехдецибельного направленного ответвителя, в частности в микрополосковом исполнении (при боковой электромагнитной связи в 3 дБ зазор между микрополосками направленного ответвителя становится слишком узким и, следовательно, технологически нереализуемым).

Известен взятый в качестве прототипа управляемый СВЧ-фазовращатель, содержащий входное плечо, выходное плечо, цепь для подачи управляющих сигналов, мостовое устройство, к одной паре развязанных плеч которого через конденсаторы подключены входное и выходное плечи, а к каждому плечу другой пары развязанных плеч которого подключена отражательная ячейка, содержащая p-i-n диод, один вывод которого заземлен, а другой посредством отрезка линии передачи с присоединенным к нему разомкнутым шлейфом соединен с мостовым устройством, причем полярность заземленных выводов p-i-n диодов одинакова для обеих отражательных ячеек (Хиж Г.С. Вендик И.Б. Серебряков Е.А. СВЧ-фазовращатели и переключатели. Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. -М. Радио и связь, 1984, с. 163, рис. 5.4).

Недостатком указанного устройства является отсутствие наглядной визуальной качественной индикации, во-первых, относительно подачи управляющих сигналов (для получения информации об управляющем сигнале необходимо подключать к указанному устройству специальную низкочастотную измерительную аппаратуру (например, вольтметр, миллиамперметр), тогда как, например, при работе указанного устройства в режиме только с двумя (крайними) состояниями фазового сдвига качественная информация о наличии или отсутствии управляющего сигнала является достаточной для практических целей), во-вторых, относительно изменения величины фазового сдвига (для получения информации об измерении фазового сдвига необходимо подключать к указанному устройству специальную высокочастотную измерительную аппаратуру (например, СВЧ- измеритель S-параметров), тогда как, например, при работе указанного устройства в режиме только с двумя (крайними) состояними фазового сдвига качественная информация о том, в каком из двух состояний находится величина фазового сдвига, является достаточной для практических целей, в-третьих, относительно локализации неисправного диода (в связи с параллельным (по низкой частоте) включением p-i-n диодов в указанном устройстве в случае, например, неисправности одного из p-i-n диодов трудоемко определить, какой конкретно из двух диодов неисправен (так как, например, для контрольного измерения параметров низкочастотных управляющих сигналов, проходящих через один диод, приходится отсоединять другой диод)).

Решаемой технической задачей изобретения является введение наглядной визуальной качественной индикации, во-первых, относительно подачи управляющих сигналов, во-вторых, относительно изменения величины фазового сдвига и, в-третьих, относительно локализации неисправного диода.

Решаемая техническая задача достигается за счет того, что в известном управляемом СВЧ- фазовращателе, содержащем входное плечо, выходное плечо, цепь для подачи управляющих сигналов, мостовое устройство, к одной паре развязанных плеч которого через конденсаторы подключены входное и выходное плечи, а к каждому плечу другой пары развязанных плеч которого подключена отражательная ячейка, содержащая соединенный с мостовым устройством отрезок линии передачи, в каждую отражательную ячейку введен светодиод, один вывод которого заземлен, причем полярность заземленных выводов светодиодов одинакова для обеих отражательных ячеек, а другой вывод соединен с отрезком линии передачи, причем отрезок линии передачи выполнен в виде импедансопонижающего трансформатора.

Предложенное техническое решение удовлетворяет критерию "изобретательский уровень", так как в предложенном управляемом СВЧ-фазовращателе признаки - введение в каждую отражательную ячейку светодиода, один вывод которого заземлен, причем полярность заземленных выводов светодиодов одинакова для обеих отражательных ячеек, а другой вывод соединен с отрезком линии передачи, причем отрезок линии передачи выполнен в виде импедансопонижающего трансформатора -являются существенными отличительными признаками. Из известных источников научно-технической информации такого технического решения управляемого СВЧ- фазовращателя не обнаружено.

На фиг. 1 изображена обобщенная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 схема варианта реализации предложенного устройства; на фиг. 3 зависимость величины модуля максимальной разности фазовых сдвигов предложенного устройства от отношения выходного и входного импедансов импедансопонижающего трансформатора (k) для случая 50-омного входного импеданса трансформатора.

Управляемый СВЧ-фазовращатель (фиг. 1 и 2) содержит входное плечо 1 (например, с 50-омным импедансом), выходное плечо 2 (например, с 50-омным импедансом), цепь для подачи управляющих сигналов 3, мостовое устройство 4 (например, микрополосковый двухшлейфный мост с центральной частотой 1 ГГЦ, с 35-омным импедансом шлейфов, с 50-омным импедансом линий моста и с 50-омным импедансом каждого из четырех плеч (фиг.2)), к одной паре развязанных плеч которого через конденсаторы 5 (например, навесные конденсаторы номиналом 47 пФ) подключены входное и выходное плечи, а к каждому плечу другой пары развязанных плеч которого отражательная ячейка 6, содержащая соединенный с мостовым устройством отрезок линии передачи 7, а также в каждую отражательную ячейку введен светодиод 8 (например, фосфидгаллиевый светодиод АЛ301А с красным свечением), один вывод которого заземлен, причем полярность заземленных выводов светодиодов одинакова для обеих отражательных ячеек (например, положительная полярность заземленных выводов), а другой вывод соединен с отрезком линии передачи 7, причем отрезок линии передачи 7 выполнен в виде импедансопонижающего трансформатора (например, одноступенчатый трансформатор в виде четвертьволнового отрезка 13-омной микрополосковой линии). Цепь для подачи управляющих сигналов 3 (фиг. 2) выполнена, например, в виде подключенного к мостовому устройству посредством 100-омного четвертьволнового отрезка микрополосковой линии 9 35-омного четвертьволнового разомкнутого микрополоскового шлейфа 10, одновременно являющегося контактной площадкой для подсоединения внешнего источника управляющих сигналов (не показан). При реализации мостового устройства 4 в виде двухшлейфного моста элементы моста и соединенные со светодиодами отрезки линий передач 7 гальванически соединены по низкой частоте, поэтому цепь для подачи управляющих сигналов может быть подключена к любой точке моста или отрезков линий передач (например, к плечу моста (фиг. 2)). Предложенное устройство выполнено, например, по микрополосковой технологии на диэлектрической подложке (например, толщиной 0,5 мм с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 9,6), на одной стороне которой нанесен проводящий СВЧ-экран, а на другой стороне расположены топология предложенного устройства и навесные элементы.

При работе предложенного устройства поступившая во входное плечо 1 (фиг. 1 и 2) мощность СВЧ-сигнала (например, с центральной частотой 1 ГГц) мостовым устройством 4 делится пополам и подается на отражательные ячейки 6. Фазовый сдвиг при отражении СВЧ-сигнала от ячейки зависит, в частности от ее входного импеданса. При изменении подаваемого на светодиоды 8 через цепь для подачи управляющих сигналов 3, мостовое устройство 4 и отрезки линий передачи 7 напряжения низкочастотного управляющего сигнала (например, от прямого смещения 2,8 В до 0 В или до обратного смещения по модулю, численно не превышающего прямого, причем величина максимального тока ограничена внешним источником управляющих сигналов (не показан) и не превышает 11 мА) меняется величина комплексного импеданса светодиодов (причем изменяется как мнимая (из-за изменения емкости p-n перехода светодиода), так и вещественная (из-за изменения активного сопротивления p-n перехода светодиода) составляющие импеданса) и, следовательно, меняются входной импеданс отражательной ячейки в целом и фазовый сдвиг отраженного от ячейки СВЧ-сигнала. Отраженные (из-за несогласованности импедансов плеч мостового устройства и входных импедансов ячеек) от ячеек 6 сигналы равны по мощности (из-за равенства входных импедансов ячеек ввиду одинаковой полярности подключения светодиодов и равенства поданых на них напряжений управляющих низкочастотных сигналов (так как светодиоды включены параллельно по низкой частоте)) и, следовательно, они складываются мостовым устройством 4 и подаются в выходное плечо 2, причем величина изменения фазового сдвига на выходе предложенного устройства равна по модулю величине изменения фазового сдвига при отражении СВЧ-сигнала от ячейки с управляемым светодиодом (при изменении подаваемого на него управляющего низкочастотного сигнала). Импедансопонижающий трансформатор трансформирует диапазон изменения значений импеданса светодиода в диапазон изменения значений входного импеданса отражательной ячейки, поэтому от трансформатора зависит величина модуля максимальной разности фазовых сдвигов. Зависимость величины модуля максимальной разности фазовых сдвигов предложенного устройства от отношения выходного и входного импедансов импедансопонижающего трансформатора (k) для случая 50-омного входного импеданса может быть взята, например, из графика на фиг. 3. В примере реализации предложенного устройства (фиг. 2) величина модуля максимальной разности фазовых сдвигов равна 45^o. В силу симметрии устройства аналогичная картина происходит и при подаче мощности СВЧ-сигнала в плечо 2 и выходе ее через плечо 1.

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве введена наглядная визуальная качественная индикация, во-первых, относительно подачи управляющих сигналов (путем присутствия или отсутствия свечения светодиодов, а также градаций яркости их свечения). При работе предложенного устройства, например, в режиме только с двумя (крайними) состояниями фазового сдвига качественная визуальная информация о наличии или отсутствии управляющего сигнала является удобной и достаточной для практических целей, тогда как в прототипе для получения качественной информация о наличии или отсутствии управляющего сигнала необходимо подключать специальную низкочастотную измерительную аппаратуру (например, вольтметр, миллиамперметр).

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве введена наглядная визуальная качественная индикация, во-вторых, относительно изменения величины фазового сдвига (путем присутствия или отсутствия свечения светодиодов, а также градаций яркости их свечения). При работе предложенного устройства, например, в режиме только с двумя (крайними) состояниями фазового сдвига качественная визуальная информация о том, в каком из двух состояний находится величина фазового сдвига, является удобной и достаточной для практических целей, тогда как в прототипе для получения качественной информации о том, в каком из двух состояний находится величина фазового сдвига, необходимо подключать специальную высокочастотную измерительную аппаратуру (например, СВЧ- измеритель S-параметров).

По сравнению с прототипом в предложенном устройстве введена наглядная визуальная качественная индикация, в-третьих, относительно локализации неисправного диода (путем сравнения изменения характера свечения и градаций яркости свечения светодиода с изменением параметров другого светодиода или управляющего сигнала). В результате облегчается локализация неисправного диода, которая в предложенном устройстве осуществляется визуально, тогда как в прототипе в случае, например, неисправности одного из диодов, трудоемко определить, какой конкретно из двух диодов неисправен, в связи с параллельным (по низкой частоте) включением диодов (так как, например, для контрольного измерения параметров низкочастотных управляющих сигналов, проходящих через один диод прототипа, приходится отсоединять другой диод).

К дополнительным достоинствам предложенного устройства следует отнести то, что величина модуля максимальной разности фазовых сдвигов предложенного устройства увеличивается с уменьшением отношения выходного и входного импедансов импедансопонижающего трансформатора (фиг. 3), который может быть выполнен многоступенчатым (при этом электрические длины обоих трансформаторов в предложенном устройстве равны или отличаются на целое число длин волн).

Кроме того, к дополнительным достоинствам предложенного устройства относится то, что при его использовании в качестве элементарных фазовращательных ячеек в сложных СВЧ-системах для удобства пользователей или наглядности обучения светодиоды в каждой фазовращательной ячейке берутся с разными цветами свечения, что значительно облегчает как идентификацию включаемых фазовращательных ячеек и реализуемых фазовых сдвигов, так и настройку, контроль и ремонт фазовращательных ячеек и СВЧ-системы в целом.

Кроме того, так как светодиоды с разным цветом свечения имеют различные электрические параметры (в частности, емкости p-n переходов), то по цвету свечения получают качественную информацию о реализуемых фазовых сдвигах.

Изготовленные опытные образцы предложенного устройства показали возможность их реализации в микрополосковом исполнении, а также наглядность и удобство для настройки либо контроля в лабораторных условиях или же для использования в учебных целях.

Изобретение относится к области СВЧ-техники. Решаемая техническая задача состоит во введении наглядной визуальной качественной индикации относительно подачи управляющих сигналов, изменения величины фазового сдвига и локализации неисправного диода. Управляемый СВЧ- фазовращатель содержит входное плечо, выходное плечо, цепь для подачи управляющих сигналов, мостовое устройство, к одной паре развязанных плеч которого через конденсаторы подключены входное и выходное плечи, а к каждому плечу другой пары развязанных плеч которого подключена отражательная ячейка, содержащая соединенный с мостовым устройством отрезок линии передачи, а также в каждую отражательную ячейку введен светодиод, один вывод которого заземлен, причем полярность заземленных выводов светодиодов одинакова для обеих отражательных ячеек, а другой вывод соединен с отрезком линии передачи, причем отрезок линии передачи выполнен в виде импедансопонижающего трансформатора. Изобретение может быть использовано как в качестве самостоятельного устройства, так и фазовращательной ячейки преимущественно для настройки или контроля СВЧ-систем в лабораторных условиях или же в учебных целях для демонстрации работы СВЧ-устройств. 3 ил.

Управляемый СВЧ-фазовращатель, содержащий входное плечо, выходное плечо, цепь для подачи управляющих сигналов, мостовое устройство, к одной паре развязанных плеч которого подключены входное и выходное плечи, а к каждому плечу другой пары развязанных плеч которого подключена отражательная ячейка, отличающийся тем, что в каждую отражательную ячейку введен светодиод и N -ступенчатый импедансопонижающий трансформатор, непосредственно включенный между плечом мостового устройства и светодиодом, другой вывод которого заземлен в одинаковой полярности для обеих ячеек, между входным и выходным плечами и мостовым устройством введены развязывающие конденсаторы, а цепь для подачи управляющих сигналов подключена непосредственно к мостовому устройству, где N 1, 2, 3.