ДИОДНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК H01P1/185 

Изобретение относится к области радиотехники сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано для дискретного управления фазой СВЧ-сигналов, в частности, в фазированных антенных решетках с электронным управлением луча.

Известны проходные диодные СВЧ-фазовращатели на нагруженных линиях. Диоды в таких фазовращателях включены в линию передачи непосредственно или через отрезки линий передачи - шлейфы (Справочник по радиолокации, т.2, под редакцией М.Сколника, М. Сов. Радио, 1977; Pin-Diodenphasenschieber in symmetrischer Streitenleitungstechnik, Brandle R. und Sedlmair S., "Frequenz", 26. 1972, №2, s.45-50). Недостатком аналогов является нетехнологичность регулировки фазы.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является мощный СВЧ-фазовращатель проходного типа на pin диодах, описанный на страницах 237-240 в статье J.F.White, High power, p-i-n diode controlled, microwave transmission phase shifters. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.MTT-13, 1965, №2, pp.233-242). Фазовращатель содержит отрезок передающей линии, к которому одними (входными) концами подсоединены шлейфы. Другие концы шлейфов соединены с pin диодами, первые электроды которых контактируют с токонесущими проводниками шлейфов, а вторые электроды подключены по высокой частоте через проходные конденсаторы к корпусу. Управление Фазой осуществляется переключением pin диодов. При переключении pin диодов изменяются входные реактивные проводимости шлейфов, на которые нагружен отрезок передающей линии, а следовательно, меняется электрическая длина этой линии и, соответственно, фаза коэффициента передачи фазовращателя. Величина и точность установки номинальных значений фазы определяются величиной и точностью, с которой реализуются соответствующие значения реактивных составляющих входных проводимостей шлейфов при двух состояниях pin диодов.

Недостатком прототипа является отсутствие в нем регулировки фазы, которая позволяла бы плавно регулировать входные проводимости шлейфов и тем самым обеспечивала бы установку номинальных значений управляемой фазы с необходимой точностью. Поэтому точность установки номинальных значений фазы в прототипе можно достичь только путем тщательного отбора pin диодов по параметрам и соответствующей точностью изготовления. Это повышает требования к диодам, усложняет изготовление и настройку фазовращателя.

Решаемой задачей изобретения является обеспечение точности установки фазы мощного pin диодного фазовращателя, предназначенного для работы в фазированных антенных решетках. Техническим результатом является обеспечение плавной регулировки управляемой фазы фазовращателя при его изготовлении.

Технический результат достигается тем, что в диодном фазовращателе, содержащем отрезок передающей линии с подсоединенными к нему одними концами шлейфами, а другие концы которых через контактирующие ленточные пружины соединены с первыми электродами диодов, вторые электроды которых подключены к корпусу, причем в токонесущем проводнике каждого шлейфа выполнено отверстие, в котором установлен элемент регулировки, элементы регулировки выполнены в виде металлических вкладышей, вмонтированных в диэлектрический стержень, который установлен с возможностью возвратно поступательного движения его перпендикулярно шлейфам.

Синхронное и одинаковое изменение входных проводимостей шлейфов обеспечивается тем, что каждый металлический вкладыш, вмонтированный в диэлектрический стержень, заходя внутрь отверстия внутреннего проводника шлейфа, в частности во внутреннюю полость ленточной пружины, образованной посредством подсоединения двух концов последней к выходному концу внутреннего проводника шлейфа синхронно с остальными вкладышами в других шлейфах, образует две разомкнутые на конце линии передачи переменной длины: первая линия передачи образована внутренней поверхностью отверстия (пружины) и той частью вкладыша, которая находится внутри отверстия (пружины), а вторая линия передачи образована той частью вкладыша, которая находится вне отверстия (пружины), и внешним проводником шлейфа (общей шиной). Входы этих двух линий передачи соединены последовательно между внутренним и внешним проводниками шлейфа. При настройке меняется длина упомянутых линий передачи, а следовательно, меняется и результирующая проводимость последовательного соединения их входов и тем самым обеспечивается плавное изменение входной проводимости шлейфа синхронно с входными проводимостями остальных шлейфов, охваченных регулировкой.

Совокупность указанных признаков позволяет плавно регулировать электрическую длину фазовращателя и тем самым повысить точность установки номинальных значений фазы, так как реализуется плавное синхронное перемещение перпендикулярно шлейфам элементов регулировки, выполненных в виде металлических вкладышей, вмонтированных в диэлектрический стержень, с возможностью возвратно-поступательного движения.

Изобретение поясняется на фигурах 1, 2, 3. На фигурах 1, 2 показан пример конкретного выполнения изобретения: на фиг.1 показан общий вид, а на фиг.2 показаны сечение А-А в увеличенном масштабе и дополнительная проекция в области этого сечения. На фиг.3 приведены фазочастотные характеристики изобретения: на Фиг.3а приведена частотная зависимость приращения начальной фазы, а на фиг.3б - частотные зависимости сдвига фазы (управляемой фазы),соответствующие двум крайним границам пределов регулировки, в которых согласование и потери практически не изменялись.

Диодный фазовращатель (фиг.1) содержит корпус 1 и крышку 2, внутренние поверхности которых образуют общий проводник (общую шину). В корпусе расположен внутренний проводник 3 отрезка передающей линии, к которому одними концами подсоединены расположенные вдоль проводника 3 на расстояниях друг от друга в четверть длины волны проводники 4 трансформирующих линий шлейфов. Концы проводника 3 соединены с центральными проводниками выходных разъемов 5 и 6 (входом и выходом фазовращателя). Проводники 4 оканчиваются контактирующими ленточными пружинами 7, соединенными с первыми электродами (анодами) pin диодов 8. Вторые электроды (катоды) pin диодов подсоединены к диододержателям 9. Держатели 9 по высокой частоте через тонкие слюдяные прокладки 10 подсоединены к корпусу 1 и крышке 2, а по низкой частоте изолированы от них. К диододержателям 9 припаяны лепестки 11, через которые на pin диоды подаются управляющие напряжения. К проводнику 3 подключен четвертьволновый проводник 12, через который аноды pin диодов 8 соединены с корпусом 1.

В отверстия, образованные внутренними полостями пружин 7 (фигуры 1 и 2), группы шлейфов (верхние шлейфы на фиг.1) введен диэлектрический стержень 13 с вмонтированными в него металлическими вкладышами 14. Стержень 13 соединен с винтом 15, обеспечивающим плавное возвратно-поступательное движение вкладышей 14 перпендикулярно шлейфам. Шлиц винта 15 выведен на наружную боковую поверхность корпуса 1.

Проводники 3, 4 зафиксированы в корпусе 1 с помощью опор 16 и металлических штырей 17. В корпусе 1 расположены направляющие 18 для стержня 13, колодки 19 для диододержателей 9, а также диэлектрическая пластина 20 для подстройки начальной электрической длины фазовращателя. Элементы конструкции, предназначенные для монтажа цепей управления pin диодами 8, не показаны.

Фазовращатель работает следующим образом. Поданный на вход 5 СВЧ-сигнал проходит на выход 6 через проводник 3 отрезка передающей линии, нагруженного на входные проводимости шлейфов с подключенными к ним pin диодами 8. При переключении pin диодов 8 изменяются значения входных проводимостей шлейфов, а следовательно, изменяется электрическая длина фазовращателя. Различные состояния фазовращателя, обеспечивающие необходимые сдвиги фазы (разности электрических длин) относительно принятого за нулевое состояния, отличаются разными комбинациями прямо и обратно смещенных pin диодов.

Вращением винта 15 металлические вкладыши 14, вмонтируемые в стержень 13, за счет возможности возвратно-поступательного движения изменяют положение относительно пружин 7 и тем самым позволяют синхронно и плавно отрегулировать величину емкостей, включенных параллельно pin диодам 8, а следовательно, и синхронно и плавно отрегулировать входные проводимости группы шлейфов (верхние шлейфы на фиг.1) так, чтобы обеспечить наименьшие отклонения сдвигов фазы от номинальных значений.

Как отмечено выше, заявленное техническое решение относится к фазовращателям на нагруженных линиях, представляющих каскадное соединение фазовращателей с малым сдвигом фазы (секций), каждый из которых состоит из четвертьволнового отрезка линии передачи, нагруженного на концах в каждом из двух состояний диодов на одинаковые реактивные проводимости. Только в этом случае можно обеспечить согласование. Поэтому при регулировке должно соблюдаться равенство упомянутых проводимостей (входных проводимостей соответствующих шлейфов на фиг.1). Предложенное изобретение позволяет выполнить это условие, так как обеспечивает синхронное изменение одинаковых емкостей, подключенных параллельно pin диодам 8, и одновременно обеспечивает их равенство.

Упомянутые подключенные параллельно pin диодам 8 переменные емкости С, обеспечивающие регулировку входных проводимостей шлейфов, подключенных к проводнику 3, определяются тремя конструктивными емкостями:

С≅ Со+С₁·_{С2/(С1+С2),}

где Со - емкость пружины 7 относительно корпуса (общей шины); С₁ - емкость вкладыша 14 относительно пружины; C₂ - емкость вкладыша 14 относительна корпуса (общей шины).

При движении вкладышей 14 изменяются синхронно и плавно емкости вкладышей относительно пружин и емкости вкладышей относительно общей шины, а следовательно, меняются емкости С. подключенные параллельно pin диодам 8, регулирующие входные проводимости шлейфов, в результате чего изменяется электрическая длина фазовращателя.

Так сдвиг фазы, вносимый фазовращателем на двух четвертьволновых шлейфах (см выше), включенных на концах четвертьволнового отрезка передающей линии, связан с емкостью С соотношением:

Δ ϕ ≅ 2arctg(Zo/Zшtg((arctg(1/(wZш(C+Cд))+arctg(wL/Zш))/2))),

где Zо, Zш - волновое сопротивление подводящих линий и шлейфов соответственно; w - рабочая частота; Сд - емкость диода при напряжении обратного смещении; L - индуктивность диода при напряжении прямого смещения.

Начальная электрическая длина фазовращателя подстраивается перемещением диэлектрической пластиной 20 относительно проводника 3. Контроль фазы осуществляется с помощью фазометра, используемого при регулировке фазовращателя.

Реализуемый посредством существенных признаков заявленного технического решения вышеописанный механизм плавного синфазного изменения входных проводимостей группы шлейфов в фазовращателях на нагруженных линиях, обеспечивающий равенство этих проводимостей в диапазоне регулировки, неизвестен.

Применение этого механизма решает поставленную задачу: обеспечивает плавную регулировку управляемой фазы (сдвигов фазы) мощного фазовращателя на нагруженных линиях, тем самым повышается точность этой регулировки.

Изобретение опробировано на большой партии фазовращателей. На фиг.3 приведены частотные характеристики четырехдиодного шестидесятиградусного фазовращателя (f₀ - средняя частота рабочего диапазона). На фиг.3а показана зависимость приращения начальной электрической длины Δ ϕ ₀ при перемещении стержня 13 в пределах регулировки дифференциальной (управляемой) фазы. На фиг.3б показана частотная зависимость управляемой фазы Δ ϕ (сдвига фазы). Кривые на фиг.3б приведены для двух положений стержня 13, соответствующих двум границам пределов регулировки. В этих пределах согласование и потери фазовращателя практически не изменялись.

Заявленное устройство по сравнению с прототипом имеет плавную точную регулировку фазовых характеристик (сдвигов фазы), упрощающую настройку фазовращателя при его изготовлении.

Изобретение относится к области радиотехники сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано для дискретного управления фазой СВЧ-сигналов, в частности, в фазированных антенных решетках с электронным управлением луча. Техническим результатом является обеспечение точности установки фазы мощного pin диодного фазовращателя, предназначенного для работы в фазированных антенных решетках, путем обеспечения плавной регулировки управляемой фазы фазовращателя при его изготовлении. Диодный фазовращатель содержит отрезок передающей линии с подсоединенными к нему одними концами шлейфами, другие концы которых через контактирующие ленточные пружины соединены с первыми электродами диодов. Вторые электроды диодов подключены к корпусу, причем в токонесущем проводнике каждого шлейфа выполнено отверстие, в котором установлен элемент регулировки. Элементы регулировки выполнены в виде металлических вкладышей, вмонтированных в диэлектрический стержень, который установлен с возможностью его возвратно-поступательного движения перпендикулярно шлейфам. 3 ил.

Диодный фазовращатель, содержащий отрезок передающей линии с подсоединенными к нему одними концами шлейфами, другие концы которых через контактирующие ленточные пружины соединены с первыми электродами диодов, вторые электроды которых подключены к корпусу, причем в токонесущем проводнике каждого шлейфа выполнено отверстие, в котором установлен элемент настройки, отличающийся тем, что элементы регулировки выполнены в виде металлических вкладышей, вмонтированных в диэлектрический стержень, который установлен с возможностью возвратно-поступательного движения его перпендикулярно шлейфам.