ПОЛОСКОВЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК H01P1/185 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для дискретного управления фазой в системах широкого назначения - связных и радиолокационных системах с фазированными антенными решетками (ФАР), в измерительной технике и др.

Известен дискретный фазовращатель с переключаемыми отрезками линий передачи, схема которого показана на фиг.1,а (G.D. Lynes, G.E. Johnson, B.Е. Huckleberry, N. H. Forrest. Design of a broadband 4-bit loaded switched-line phase shifter // IEEE Trans.- 1974.- Vol.-MTT-22, N 6, P. 693-697, см. также Воробьев В.В. Устройства электронного управления лучом фазированных антенных решеток // Зарубежная радиоэлектроника.- 1976.- N 1- С. 68-109). Принцип его действия основан на переключении каналов распространения волны с помощью двухканальных переключателей, использующих, например, полупроводниковые диоды. Этот фазовращатель дискретно управляет частотно-независимой временной задержкой или, другими словами, линейно нарастающим с частотой фазовым сдвигом сигнала. Для подавления паразитных резонансов в состоянии минимального фазового сдвига при работе "короткого" опорного канала, один из концов отключенного "длинного" канала через коммутируемый диодом поглощающий резистор соединен с корпусом (см. фиг. 1,а). Конструктивно фазовращатель обычно изготавливается в планарном исполнении (фиг. 1,б).

Недостатком этого планарного фазовращателя являются относительно большие габариты (с одним из габаритных размеров более λ/4 ) при больших требуемых управляемых фазовых сдвигах, в частности более 180 град.

Наиболее близким по технической сущности (по схемно-конструктивным признакам) к изобретению является полосковый фазовращатель в объемном многослойном исполнении с малыми габаритами (Малюта Н.Д., Сычев А.Н. Управляемые устройства на основе двумерных полосковых структур с неоднородным диэлектриком. - Томск: Изд-во Том. ун-та. Препринт N 6, 1990. - 30 с.). Этот фазовращатель имеет несколько иную конструкцию и схему коммутации диодами отрезков линий передачи (фиг.2,а).

Конструкция (см. фиг. 2,б) представляет собой многослойную многопроводную структуру, содержащую меандровую линию, заключенную между двумя диэлектрическими платами с широкими полосками на внешних сторонах. Пакет из двух плат подвешен в корпусе. Кроме того, гальванические перемычки соединяют между собой широкие полоски. С помощью четырех диодов выполняется переключение между двумя каналами передачи.

Основным недостатком этого фазовращателя является наличие паразитных резонансов, которые существенно ограничивают полосу рабочих частот при увеличении управляемого фазового сдвига.

Конкретно, в состоянии минимального фазового сдвига при работе "короткого" канала, образованного широкими полосками, на резонансных частотах, когда длина закрытого меандрового проводника становится кратной 180 град (фиг. 3), появляются пики вносимого ослабления (порядка 4 дБ и более) и фазовые ошибки. Здесь в отключенный канал просачивается часть энергии, увеличивающаяся с ростом частоты. Просачивание обусловливается неидеальностью коммутирующих элементов (диодов), а именно из-за преобладания в их эквивалентной схеме в прямо смещенном состоянии резистивно-индуктивной составляющей импеданса. При этом учитываются индуктивности соединительно-монтажных проводников диодов.

В данном рассматриваемом ближайшем аналоге, принятом за прототип, при работе короткого канала, на его входе и выходе образуются эквивалентные делители напряжения, составленные из паразитных индуктивностей прямосмещенных диодов и входного/выходного сопротивлений короткого канала. Эти эквивалентные делители обусловливают просачивание части энергии в отключенную меандровую линию на определенных частотах, вызывающее паразитные резонансы.

Конечно, как показали расчеты, если у прямо смещенных диодов их последовательные сопротивления и индуктивности равны нулю, то в фазовращателе вообще никаких паразитных резонансов не возникает, но это только теоретически.

Таким образом, ближайший аналог не может быть использован в широкой полосе рабочих частот при больших значениях (более 180 град) управляемого фазового сдвига.

В заявляемый полосковый фазовращатель, содержащий полосковый проводник, выполненный в форме меандра и заключенный между двумя диэлектрическими платами, на внешних сторонах которых расположены широкие полоски, гальванически соединенные между собой перемычками, первую пару коммутирующих диодов, включенных на входном и выходном концах между меандром и одной из широких полосок, вторую пару диодов, включенных на входном и выходном концах одной из широких полосок и экраном, введены последовательно соединенные пятый диод и поглощающий резистор, включенные между меандром и одной из широких полосок на расстоянии четверти длины волны самого коротковолнового паразитного резонанса от одного из концов меандра, при этом оптимальное сопротивление поглощающего резистора должно быть равно половине волнового сопротивления подводящих линий.

Заметим, что известное включение поглощающего резистора между одной из точек меандровой линии и корпусом (как в аналоге планерной конструкции, см. фиг. 1) ликвидации резонансов не дает, а наоборот увеличивает их.

Таким образом, введение коммутируемого поглощающего резистора с определенным сопротивлением в определенное место схемы заявляемого полоскового фазовращателя (фиг. 4) обеспечивает увеличение широкополосности при коммутации больших величин фазового сдвига (180 и более град) вследствие подавления паразитных резонансов в состоянии минимального фазового сдвига.

На фиг. 5 показан вариант схемы электрической принципиальной полоскового фазовращателя.

На фиг. 6 приведены упрощенные эквивалентные схемы полоскового фазовращателя в состоянии минимального (фиг. 6.а) и максимального (фиг.6.б) управляемых фазовых сдвигов.

На фиг. 7 показан общий вид конструкции (аксонометрическая проекция) полоскового фазовращателя с условно разнесенными проводящими и диэлектрическими слоями.

На фиг. 8 представлены три ортогональные проекции одной из возможных конструкций полоскового фазовращателя.

На фиг. 9 представлены экспериментально измеренные частотные характеристики полоскового фазовращателя и наиболее близкого аналога.

Полосковый фазовращатель (см. фиг. 8) содержит полосковый проводник, выполненный в форме меандра 1 и заключенный между первой 2 и второй 3 диэлектрическими платами, первую 4 и вторую 5 коммутируемые широкие полоски, расположенные на внешних сторонах плат вдоль меандра и электромагнитно связанные с ним лицевой связью, перемычки 6, гальванически соединяющие между собой широкие полоски, первую пару коммутирующих диодов 7, включенных на входном и выходном концах между меандром и одной из широких полосок 5, вторую пару диодов 8, включенных на входном и выходном концах одной из широких полосок 4 и экраном, а также последовательно соединенные пятый диод 10 и поглощающий резистор 11, включенные между меандром и одной из коммутируемых широких полосок на расстоянии четверти длины волны самого коротковолнового резонанса от одного из концов меандра, при этом номинальное сопротивление поглощающего резистора равно половине волнового сопротивления подводящих линий.

Принцип действия. Фазовращатель может находиться в двух коммутируемых состояниях минимального (см. фиг. 6.а) и максимального (см. фиг. 6,б) управляемого фазового сдвигов.

При подаче прямого тока смещения на диоды 7, установленные между концами меандрового проводника и коммутируемыми широкими полосками (см. фиг. 8 ), и соответственно обратного напряжения на диоды, установленные между экранирующими пластинами и планарным экраном 8, образуется эквивалентная копланарно-высокодобротная полосковая линия с двумя широкими полосками в качестве токонесущих проводников, имеющих геометрическую длину l₁ (см. фиг. 6,а ). Электрическая длина этой линии θ₁обеспечивает минимальный фазовый сдвиг.

Подавление паразитных резонансов в этом состоянии обеспечивают последовательно соединенные пятый диод 10 и поглощающий резистор 11, включенные между меандром и одной из коммутируемых широких полосок на расстоянии четверти длины волны самого коротковолнового паразитного резонанса от одного из концов меандра, при этом номинальное сопротивление поглощающего резистора равно половине волнового сопротивления подводящих линий. Длина "короткого" канала выбрана так, что его первая резонансная частота находится выше рабочей полосы частот.

Детально. В этом состоянии минимального фазового сдвига меандровый проводник вместе с двумя соединенными параллельно с помощью перемычек широкими полосками, а также паразитной индуктивностью прямо смещенных диодов образует параллельно-кольцевой резонатор (см. фиг. 6.а), который целесообразно анализировать как резонатор короткозамкнутый по концам (см. фиг.3).

Паразитные резонансы в этом состоянии возникают тогда, когда на геометрической длине меандровой линии l₂ укладывается целое число полуволн сигнала λ_n/2, т.е. выполняется соотношение l₂ = n λ_n /2, где (n = 1,2,...N) - текущий номер полуволнового паразитного резонанса, N - номер самого высокочастотного или другими словами самого коротковолнового паразитного резонанса. На фиг. 3 показано нормированное распределение потенциала вдоль меандровой линии короткозамкнутой по концам в случае укладки пяти резонансных полуволн, т. е. в случае работы фазовращателя в относительной полосе частот более чем 5:1.

Априорно зная полосу рабочих частот, можем пересчитать ее в полосу рабочих длин волн, затем найти количество и длины полуволн, вызывающих паразитные резонансы, и из них вычленить самую коротковолновую длину полуволны λ_N/2, вызывающую самый коротковолновый (самый высокочастотный) паразитный резонанс.

Отсюда, место установки коммутируемого диодом поглощающего резистора будет находится на расстоянии l₁₂ = λ_N /4 = l₂/(2N) от одного из концов меандровой линии (см. фиг. 6, а). Такое место установки позволяет подавить в достаточной степени весь спектр возможных паразитных резонансов, начиная с самого высокочастотного и кончая самым низкочастотным (см. фиг. 3).

Оптимальное сопротивление поглощающего резистора для обеспечения режима согласования слева и справа от места установки должно быть равно половине волнового сопротивления подводящих линий.

При подаче обратного напряжения на диоды 7, установленные между концами меандрового проводника и широкими полосками, а также на диод 10 и, соответственно, прямого тока смещения на диоды 8 на широких полосках устанавливается потенциал корпуса, при этом образуется эквивалентная симметричная полосковая линия с меандром в качестве токонесущего проводника, имеющих геометрическую длину l₂ (см. фиг. 6,б). Этот проводник имеет большую электрическую длину θ₂. Отсюда управляемый фазовый сдвиг будет иметь величину равную φ_упр = θ₂-θ₁. Параметры конструкции выбраны так, что в этом состоянии (максимального фазового сдвига) паразитные резонансы возбуждаются за пределами рабочей полосы частот.

Для экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого технического решения фазовращателя были изготовлены макеты наиболее близкого аналога, а также предлагаемого фазовращателя. Экспериментально измеренные частотные характеристики представлены на фиг. 9.

Из них видно, что полоса рабочих частот по уровню вносимого ослабления |S21| = -1 дБ у наиболее близкого аналога (фиг. 9,а) равна 0,66-3,00 ГГц (т. е. 4,5:1 или 2,34 ГГц), а у предлагаемого фазовращателя (фиг. 9,б) - 0,66-3,25 ГГц (т. е. 4,9:1 или 2,59 ГГц), т.е. предлагаемый фазовращатель с подавлением одного паразитного резонанса становится на 8% или на 250 МГц широкополоснее наиболее близкого аналога. Максимальный K_GTU макета предлагаемого фазовращателя в двух состояниях во всей полосе рабочих частот равен 1,8 (фиг. 9, в). Управляемый фазовый сдвиг обоих фазовращателей на верхней частоте диапазона более 270 град, однако у наиболее близкого аналога на верхней частоте диапазона в состоянии минимального фазового сдвига наблюдаются фазовые ошибки (фиг. 9,г).

Таким образом, эксперименты подтверждают, что предлагаемый фазовращатель обеспечивает более широкую полосу рабочих частот, чем наиболее близкий известный аналог. Достигнутые электрические параметры не являются предельными, и конструктивно-технологическая оптимизация позволит их улучшить. На сегодняшний день наиболее оптимальны такие фазовращатели в диапазоне частот 0,5-5 ГГц.

Полосковый фазовращатель может быть использован для дискретного управления фазой в системах различного назначения - связных и радиолокационных системах с фазированными антенными решетками в измерительной технике. Полосковый фазовращатель содержит полосковый проводник, выполненный в форме меандра и заключенный между первой и второй диэлектрическими платами, первую и вторую коммутируемые широкие полоски, расположенные на внешних сторонах плат вдоль меандра, перемычки, гальванически соединяющие между собой широкие полоски, первую пару коммутирующих диодов, включенных на входном и выходном концах между меандром и одной из широких полосок, вторую пару диодов, включенных на входном и выходном концах одной из широких полосок и экраном, а также последовательно соединенные пятый диод и поглощающий резистор, включенные на расстоянии четверти длины волны самого коротковолнового паразитного резонанса от одного из концов меандра, при этом номинальное сопротивление поглощающего резистора равно половине волнового сопротивления подводящих линий. Техническим результатом является обеспечение более широкой полосы рабочих частот при больших (более 180^o) управляемых фазовых сдвигах и малых габаритах. 9 ил.

Полосковый фазовращатель, содержащий полосковый проводник, выполненный в форме меандра и заключенный между двумя диэлектрическими платами, на внешних сторонах которых расположены широкие полоски, гальванически соединенные между собой перемычками, первую пару коммутирующих диодов, включенных на входном и выходном концах между меандром и одной из широких полосок, вторую пару диодов, включенных на входном и выходном концах одной из широких полосок и экраном, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные пятый диод и поглощающий резистор, включенные между меандром и одной из широких полосок на расстоянии четверти длины волны самого коротковолнового паразитного резонанса от одного из концов меандра, при этом номинальное сопротивление поглощающего резистора равно половине волнового сопротивления подводящих линий.