ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СВЧ Российский патент 1997 года по МПК H01P1/18 

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для измерения фазы электромагнитной волны в радиотехнических устройствах в широкой полосе частот на высоком уровне мощности.

Известный фазовращатель /2/, содержащий отрезок симметричной линии передачи, между заземленными пластинами и центральным проводником которой установлена диэлектрическая вставка, работает при перемещении этих пластина и вставки относительно центрального проводника, а следовательно, и корпуса симметричной линии передачи. К недостаткам данного фазовращателя СВЧ следует отнести его слабую электропрочность, которая обусловлена необходимостью применения контактного или дроссельного соединения между подвижной и неподвижной частями фазовращателя. Контактное соединение недолговечно и при больших мощностях неприменимо, так как приводит к искрению и пробою СВЧ мощности. Дроссельное соединение кроме снижения электропрочности снижает электрогерметичность.

Известный СВЧ фазовращатель /3/, выбранный в качестве прототипа, состоит из заземленного основания, которое выполнено в виде круглого полого заземленного цилиндра, размещенных внутри него вкладыша, выполненного из диэлектрика и имеющего переменную толщину, и полоскового проводника, имеющего П-образную форму. При повороте полоскового проводника с диэлектрическим вкладышем за счет изменения толщины вкладыша, расположенного в промежутке между заземленными основанием и полосковым проводником, меняется эффективная диэлектрическая проницаемость этого промежутка, и, следовательно, происходит изменение фазы сигнала. Недостаточная электропрочность этого фазовращателя обусловлена как концентрацией поля между полоском и нижним основанием, так и возможностью появления паразитного типа поля из-за несимметричности полоскового П-образного проводника. Подавление паразитного типа поля за счет уменьшения диаметра цилиндра приведет к сужению полосы пропускания СВЧ сигнала.

Целью настоящего изобретения является расширение полосы рабочих частот с одновременным увеличением электропрочности.

Поставленная цель достигается в предложенной конструкции фазовращателя тем, что диэлектрические вкладыши расположены с двух сторон полоскового проводника и жестко крепятся к нему, а замкнутое основание и полосковый проводник образуют симметричную полосковую линию.

На фиг. 1, 2 и 3 изображены продольный и поперечный разрезы конструкции предлагаемого фазовращателя, где
1 заземленное основание;
2 полосковый проводник;
3 диэлектрические вкладыши;
4 выводы СВЧ сигнала.

Отличительной особенностью конструкции фазовращателя является то, что диэлектрические вкладыши расположены с двух сторон полоскового проводника, а полосковый проводник с диэлектрическими вкладышами установлен симметрично между широкими стенками заземленного основания и образует симметричную полосковую линию.

Фазовращатель работает следующим образом. При повороте полоскового проводника 2 с диэлектрическими вкладышами 3 /фиг. 1, 2, 3/ вокруг своей оси меняется эффективная диэлектрическая проницаемость полосковой линии, а следовательно, и фазовая постоянная распространения электромагнитной волны, что и обеспечивает изменение фазы этой волны.

Широкополосность фазовращателя обеспечивается постоянством волнового сопротивления при изменении фазы, а высокая электропрочность отсутствием паразитного типа поля ввиду симметричности полосковой линии с вкладышами, расположенными относительно заземленного основания. Симметричность линии повышает также ее электропрочность по сравнению с прототипом, выполненным на несимметричной линии за счет распределения поля между полоском и верхним и нижним основаниями.

Электрический расчет и отработка по электрическим параметрам фазовращателя производятся следующим образом.

При выводах СВЧ сигнала /разъемах/ с волновым сопротивлением, равным 50 Ом /лит. 1, стр. 20, рис. 1.12/, определяем диаметр центрального проводника. При 50 Ом b/d 1,8. 50-омный разъем 5-го ряда имеет внутренний диаметр 15 мм. Принимает размер b равным 15 мм /фиг. 3/. Тогда d 15/1,8 8,4 мм /фиг. 1/. Определяем размер полоска прямоугольного сечения для волновых сопротивлений линии 50 Ом. При b 15 мм и W 3 /фиг. 3/ определяем W/b 3/15 0,2 /размер W берется в зависимости от требуемой электропрочности.

Из графика /лит. 1, стр. 9, рис. 1.4/ находим t/b при 50 Ом 0,65. Отсюда t 15•0,65 9,75. Наличие диэлектрика с краев пластины можно не учитывать, т. к. проникновение поля в данном случае в диэлектрик незначительно /фиг. 3/.

Рассчитаем волновое сопротивление линии при положении ротора соответственно фиг. 2 /без диэлектрика/ при W 9,75, t 3. W/b 9,75/15 0,65. t/b 3/15 0,2. Из графика /лит. 1, стр. 9, рис. 1.4/ находим, что полосковая симметричная линия с такими размерами имеет волновое сопротивление 65 Ом. Определяем диэлектрическую проницаемость ε диэлектрического заполнения для получения волнового сопротивления 50 Ом. /лит. 1, стр. 17/ Эффективная диэлектрическая проницаемость с учетом зазора между корпусными пластинами 1 и диэлектрическими вкладышами 3 /фиг. 2/ будет меньше 16,9. Следовательно, для сохранения эффективной диэлектрической проницаемости 1,69 с целью получения волнового сопротивления 50 Ом необходимо выбирать материал для вкладышей с ε>1,69.. Увеличение зазора между пластинами и вкладышами снижает эффективную диэлектрическую проницаемость и, следовательно, требует применения материала с более высокой диэлектрической проницаемостью. Чем больше величина ε, тем больше будет величина зазора для сохранения волнового сопротивления 50 Ом. Величина зазора определяется при отработке фазовращателя по КСВ путем последовательного изменения толщины диэлектрических вкладышей. При КСВ 1,1 волновое сопротивление линии с вкладышами будет равно ≈ 50 Ом. Максимальная величина сдвига фазы не ограничена и определяется длиной диэлектрических пластин. /При Const t фиг. 2/.

Таким образом, при минимальном и максимальном изменениях фазы /фиг. 2, 3/ мы имеем полосковую линию в 50 Ом, т.е. согласованную с выходными разъемами.

Далее экспериментально показано, что при вращении полосковой линии с диэлектрическим вкладышами волновое сопротивление линии изменяется в незначительных пределах, т.к. величина КСВ не становится хуже 1,45 в широкой полосе частот /фиг. 4/. Величина изменения фазы в зависимости от угла поворота пластины имеет линейный характер на большом участке графика фазовой характеристики /фиг. 5/. На этом же участке /назовем его рабочим участком/ величина КСВ в 10% полосы частот изменяется в пределах от 1,1 до 1,25 /фиг. 4/.

Электрическая прочность фазовращателя выше электрической прочности прототипа, т. к. электрическое поле расположено с двух сторон симметричной полосковой линии. Возникновение паразитного типа поля в линии не произойдет, если соблюдена симметричность линии при изготовлении или если размеры корпуса с учетом длины волны в диэлектрике.

Источники информации
1. Справочник по элементам полосковой техники. Под ред. А.Л. Фельдштейна. М. Связь, 1979.

2. А. с. СССР N 1243048, H 01 P 1/18, 1986.

3. А. с. СССР N 1238175, H 01 P 1/18, 1986, прототип.

Предлагается фазовращатель СВЧ, содержащий заземленное основание, выводы, полосковый проводник, который может вращаться вокруг своей оси, и вкладыши из диэлектрика, расположенные с двух сторон полоскового проводника. Вкладыши жестко крепятся к полосковому проводнику и вместе с ним и заземленным основанием составляют симметричную полосковую линию. Фазовращатель имеет высокую электрическую прочность при широкой полосе рабочих частот и неограниченный сдвиг фазы, зависящий от длины диэлектрических вкладышей. 5 ил.

Фазовращатель СВЧ, содержащий заземленное основание, полосковый проводник с выводами, имеющий возможность вращения вокруг своей оси, и вкладыши, выполненные из диэлектрика, отличающийся тем, что диэлектрические вкладыши расположены с двух сторон полоскового проводника и жестко крепятся к нему, а заземленное основание и полосковый проводник с вкладышами образуют симметричную полосковую линию.