СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ УСТРОЙСТВО НА МИКРОПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ Российский патент 1999 года по МПК H01P1/185 

Предлагаемое техническое решение относится к технике сверхвысокой частоты (СВЧ) и предназначено для изменения фазы электромагнитной волны в радиотехнических устройствах в широкой полосе частот при высоком уровне мощности, и может быть использовано для управления фазой проходящего сигнала в приемопередающей фазированной антенной решетке (ФАР).

Так как ФАР представляет собой антенну, концентрирующую энергию в узком конусе - главный луч антенны, то концентрация энергии достигается использованием системы большого числа излучателей, расположенных определенным образом в пространстве. Распределения амплитуды и фазы электромагнитной волны в отдельных излучателях подчиняется закону, который задается управляющим устройством так, чтобы суммарное излучение от всех излучателей концентрировалось в направлении главного луча, а в остальной части пространства отсутствовало. Для задания фазы в цепь каждого излучателя включается фазовращатель, причем использование дискретного фазовращателя приводит к некоторым особенностям формирования главного луча антенны по сравнению с плавным изменением фазового набега в ее раскрыве. Параметры ФАР зависят от дискретного фазового сдвига, который в свою очередь определяет число разрядов фазовращателя, таким образом число различных фазовых состояний фазовращателя p определяется из следующего соотношения p = 2n/Δϕ, и от числа разрядов зависит число коммутирующих ключей в фазовращателе и его конструкция.

Задача ступенчатого управления фазой проходящего сигнала и достижения высокой точности установки главного луча решается путем использования многоразрядных полупроводниковых фазовращателей различных типов, таким образом для реализации требований к ФАР современных радиолокационных станций (РЛС) необходимо, при сохранении широкой полосы рабочих частот, хорошего согласования и высокой управляемой мощности, повышение степени интеграции фазовращателей.

Известен фазовращатель на трехдецибельном направленном ответвителе (см. патент US N 3748601, НКИ 333-10, 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 градусов 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 отражений 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. авторское свидетельство SU N 1822612, МКИ H 01 P 01/18, 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 на переключаемых отрезках линий с параллельным включением шлейфа, называемый фазовращатель змейкового типа (см. Вопросы радиоэлектроники, серия: Общетехническая: 1971, вып. 10, И.М. Горячев, Дискретный полупроводниковый фазовращатель змейкового типа на pin-диодах; Электронная техника, серия: Электроника СВЧ, 1983, вып. 5, А.И. Чижов, Расчет и анализ характеристик широкополосных дискретных фазовращателей) на pin-диодах.

Известные технические решения характеризуются довольно большими потерями, а в диапазоне сантиметровых волн возрастающими фазовыми погрешностями, из-за различных фазовых скоростей четного и нечетного типа волн, распространяющихся в связанных микрополосковых линиях на основе метода четных и нечетных типов колебаний.

Использование параллельно включенного короткозамкнутого шлейфа может привести лишь к существенному ограничению полосы рабочих частот, и для получения малых дискретов значительно растет величина относительной фазовой погрешности.

Известен СВЧ-фазовращатель (см. IEEE Trans. МТТ-20, 1972, N 5, pp 314-323, Grawer Robert U. Broad-baud diode phase shiffers), содержащий основную линию передачи и подключенную к ней фазосдвигающую секцию с pin-диодами, выполненную на петле со связью.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является дискретный фазовращатель, выполненный по микрополосковой технологии (см. Техника средств связи, серия: Техника радиосвязи, 1980, вып. 4(22), стр. 74, В.Н.Олейник, Петлевой микрополосковый фазовращатель дециметрового диапазона), на фазосдвигающей петле со связью с разомкнутым шлейфом, содержащий трехразрядный pin-диодный фазовращатель с 45, 90 и 180-градусными 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 объединеным анодам первого и второго pin-диодов, таким образом объединенные аноды первого и второго pin-диодов 45 и 180-градусного разрядов и катод первого pin-диода 90-градусного разряда являются входами разрядов фазовращателя, а катод первого pin-диода 45 и 180-градусного разрядов и объединенные аноды первого и второго pin-диодов 90-градусного разряда являются выходами разрядов фазовращателя, причем вход 45-градусного разряда соединен через третий конденсатор с входом фазовращателя, а выход подключен непосредственно к входу 90-градусного разряда, выход которого связан через четвертый конденсатор с входом 180-градусного разряда, а выход 180-градусного разряда является выходом фазовращателя.

В известном техническом решении фазовая ошибка во всех фазовых состояниях фазовращателя не превышает 8 градусов, а средние потери, вносимые в тракт, не превышают 1,85 дБ, однако известное техническое решение обладает высоким уровнем паразитной амплитудной модуляции, имеет значительные затраты потребления тока, а также большие габариты и массу.

Технический результат предлагаемого решения заключается в снижении глубины паразитной амплитудной модуляции, уменьшении потребления тока, массы и габаритов.

Широкие функциональные возможности обеспечиваются тем, что сверхвысокочастотное устройство на микрополосковых линиях передачи, выполненное на фазосдвигающей петле со связью с короткозамкнутым шлейфом каждого разряда фазовращателя, содержащее четырехразрядный pin-диодный фазовращатель - 22,5; 45; 90; 180-градусные разряды, причем 180-градусный разряд состоит из второго и третьего 90-градусных разрядов, причем в основании и вершине петли со связью каждого разряда соответственно размещены первый и второй pin-диоды, а в вершине петли со связью в разрыве подключен первый конденсатор, один вывод которого связан с объединенными выводами катода первого и анода второго pin-диодов, а второй вывод соединен с анодом первого pin-диода, выходы источника напряжения смещения связаны через второй конденсатор с землей и соответственно подключены к каждому разряду фазовращателя через согласующий проводник к катоду второго pin-диода, причем петля со связью и согласующий проводник каждого плеча образуют суммарную длину, равную λ/4, а входом и выходом 45 и 22,5-градусного разряда являются соответственно точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов и анода второго pin-диода, входом и выходом 90-градусного разряда являются соответственно вывод анода первого pin-диода и точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов, входом и выходом 180-градусного разряда являются соответственно точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов первого 90-градусного разряда и точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов второго 90-градусного разряда, кроме того второй вывод первого конденсатора 45; 22,5 и первого 90-градусного разряда связан с высокоомным короткозамкнутым шлейфом длиной λ/4, причем вход и выход 45-градусного разряда соединены соответственно через третий и четвертый конденсаторы с входом фазовращателя и входом 22,5-градусного разряда, выход которого непосредственно подключен к входу 90-градусного разряда фазовращателя, причем вход и выход первого 90-градусного разряда связан соответственно через пятый конденсатор с выходом 90-градусного разряда и непосредственно с входом второго 90 градусного разряда, выход которого подключен через шестой конденсатор к выходу фазовращателя.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в использовании четырехразрядных pin-диодных фазовращателей с обратным включением диодов с дискретом 22,5 градуса, обеспечивающих требуемый закон распределения фаз на излучающей поверхности в целях создания фиксированной диаграммы направленности, с гарантированным стабильным и фиксированным фазовым сдвигом, постоянным в диапазоне частот и температур, с использованием лишь предельных (холостого хода и короткого замыкания) состояний полупроводниковых элементов, причем переход из одного состояния в другое является переключением отрезков линий СВЧ и обеспечивающим взаимность фазовых разрядов, а также использование новой цепи подачи напряжения смещения на pin-диоды фазосдвигающей петли, обеспечивающей развязку по питанию и СВЧ-сигналам.

СВЧ-устройство содержит полупроводниковый четырехразрядный фазовращатель на микрополосковой линии передачи, причем каждый разряд фазовращателя содержит петлю со связью, а 22,5-градусный разряд расположен между 45-градусным и 90-градусным разрядами.

В качестве коммутирующих элементов используется бескорпусной pin-диод серии 2А546 5-А, который смонтирован на теплоотводном выступе и соединен с микрополосковым проводником с помощью термокомпрессионной сварки.

Для связи с внешним СВЧ-трактом служит отрезок микрополосковой линии передачи фазовращателя с волновым сопротивлением 50 Ом.

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 чертеже приведена функциональная схема предлагаемого технического решения.

Сверхвысокочастотное устройство на микрополосковых линиях передачи содержит четырехразрядный pin-диодный фазовращатель 22,5; 45; 90; 180 градусов 1, 2, 3, 4, причем 180-градусный разряд выполнен на втором и третьем 90-градусных разрядах 5, 6, а каждый разряд состоит из фазосдвигающей петли со связью 7 и короткозамкнутым шлейфом 8, и выполнен на первом и втором pin-диодах D1, D2, причем в фазосдвигающей петле со связью расположен первый конденсатор C1, источник напряжения смещения 9, согласующий проводник 10 и второй, третий, четвертый и пятый конденсаторы C2, C3, C4, C5.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Управляющий сигнал с источника напряжения смещения 9 подается в каждом разряде на два последовательно соединенных pin-диода D1, D2 с обратным включением через согласующий проводник 10. Пройдя через два pin-диода D1, D2 и через высокомный отрезок λ/4 7, сигнал замыкается на землю. Таким образом, петля со связью 7 и согласующий проводник, короткозамкнутый на конце 8, служат и для развязки управляющей цепи от СВЧ-сигнала. Если на pin-диоды D1, D2 подано обратное смещение (диоды открыты), СВЧ-сигнал проходит по основной линии передачи. При этом каждое плечо петли вместе с согласующим отрезком образует шлейф длиной λ/4, короткозамкнутый на конце, и, следовательно, не влияет на проходящий СВЧ сигнал на средней частоте по основному проводнику. При положительном напряжении (диоды закрыты) СВЧ-сигнал проходит по фазосдвигающей петле 7 и тем самым обеспечивает требуемый фазовый сдвиг.

Фазовый разряд 180 градусов 4 выполнен на двух фазосдвигающих петлях со связью 7 с параллельно-последовательным включением двух пар pin-диодов 9, 10, причем работа осуществляется аналогично работе фазовых разрядов 22,5; 45; 90 градусов 1, 2, 3.

Включение соответствующего набора дискретов обеспечивает любое фазовое состояние от 0 до 360 градусов с дискретом 22,5 градуса.

Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что количество разрядов, габариты, средние потери, разброс между максимальными и минимальными потерями, ток потребления, полоса частот соответственно составляют три и четыре, 60 х 48 х 1 мм и 48 х 23 х 1 мм; 1,85 дБ и 1,6 дБ; 0,45 дБ и 0,2 дБ; 100 мА и 60 мА; 14% и 6%.

Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом позволяет устранить взаимное влияние низкочастотных и сверхвысокочастотных цепей в унифицированном узле в едином герметичном корпусе с максимально возможной интеграцией, что обусловлено минимальными потерями СВЧ-энергии (max КПД), минимальным рассогласованием (КСВ) и, как следствие, снижением вносимых фазовых ошибок. Кроме того, заявленное устройство отличается простотой конструкции и малыми габаритами при малых потерях мощности, малыми размерами и массой, а также обеспечивает фазовый сдвиг с большой точностью (0,5%), низким уровнем паразитной амплитудной модуляции, причем в устройстве сохранены высокий уровень согласования и управления мощностью.

Предлагаемое техническое решение относится к технике сверхвысокой частоты, предназначено для изменения фазы электромагнитной волны в радиотехнических устройствах в широкой полосе частот при высоком уровне мощности и может быть использовано для управления фазой проходящего сигнала в приемопередающей фазированной антенной решетке. Технический результат предлагаемого решения заключается в снижении глубины паразитной амплитудной модуляции, уменьшении потребления тока, массы и габаритов. Широкие функциональные возможности обеспечиваются тем, что сверхвысокочастотное устройство на микрополосковых линиях передачи выполнено на фазосдвигающей петле со связью с короткозамкнутым шлейфом для каждого разряда 22.5; 45; 90 и 180-градусного фазовращателя с обратным включением рin-диодов. Предлагаемое техническое решение позволяет устранить взаимное влияние низкочастотных и сверхвысокочастотных цепей в унифицированном узле в едином герметичном корпусе с максимально возможной интеграцией, что обусловлено минимальными потерями СВЧ-энергии (max КПД), минимальное рассогласование (КСВ) и, как следствие, снижение вносимых фазовых ошибок. Кроме того, заявленное устройство отличается простотой конструкции и малыми габаритами при малых потерях мощности, малыми размерами и массой, а также обеспечивает фазовый сдвиг с большой точностью (0,5%), низким уровнем паразитной амплитудной модуляции, причем в устройстве сохранены высокий уровень согласования и управления мощностью. 1 ил.

Сверхвысокочастотное устройство на микрополосковых линиях передачи 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, отличающееся тем, что 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-градусные разряды, причем 180-градусный разряд состоит их второго и третьего 90-градусных разрядов, а входом и выходом 45 и 22,5-градусного разрядов являются соответственно точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов и анода второго pin-диода соответствующего разряда, входом и выходом 90-градусного разряда являются соответственно вывод анода первого pin-диода и точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов, входом и выходом 180-градусного разряда являются соответственно точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов второго 90-градусного разряда и точка соединения катода первого, анода второго pin-диодов третьего 90-градусного разряда, а второй вывод первого конденсатора 45; 22,5 и второго 90-градусного разряда связан с высокоомным короткозамкнутым шлейфом длиной λ/4, причем вход и выход 45-градусного разряда соединены соответственно через третий и четвертый конденсаторы с входом фазовращателя и входом 22,5-градусного разряда, выход которого непосредственно подключен к входу 90-градусного разряда фазовращателя, причем вход и выход второго 90-градусного разряда связан соответственно через пятый конденсатор с выходом 90-градусного разряда и непосредственно с входом третьего 90-градусного разряда, выход которого подключен через шестой конденсатор к выходу фазовращателя.