УПРАВЛЯЕМЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК H01P1/18 

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для управления фазой СВЧ-сигналов.

Известен сверхвысокочастотный фазовращатель [А.С. №1030889, кл. H 01 P 1/185, Бюл. №27, от 23.07.83], содержащий диэлектрическую подложку с сегнетоэлектрической пленкой, на поверхности которой нанесены три параллельные металлические полоски, на сторонах металлических полосок, обращенных друг к другу, выполнены выемки, образующие периодическую структуру. Фактически такое устройство представляет собой нерегулярную копланарную линию передачи с управляемыми параметрами. Поскольку это нерезонансная система, то сдвиг фазы в ней равен ее электрической длине на частоте сигнала, поэтому увеличить управляемый сдвиг фазы в таком устройстве при прочих равных условиях можно только лишь увеличением его длины.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является СВЧ-фазовращатель [А.С. №1177869, кл. H 01 P 1/185, Бюл. №33, от 07.09.85 (прототип)], содержащий экранирующий проводник линии передачи, сегнетоэлектрическую пленку, диэлектрическую подложку, центральный проводник линии передачи, параллельные и равные щели, размещенные в экранирующем проводнике поперек продольной оси и центрального проводника линии передачи. Фактически такое устройство представляет собой микрополосковую линию передачи с управляемыми параметрами. Поскольку это тоже нерезонансная система, то сдвиг фазы в ней равен ее электрической длине на частоте сигнала, поэтому увеличить управляемый сдвиг фазы в таком устройстве можно также только лишь увеличением длины линии. Поэтому как первый, так и второй аналоги не пригодны для работы в миллиметровом диапазоне длин волн, т.к. имеющиеся на сегодняшний день материалы имеют в этом диапазоне слишком малые величины управляемого изменения диэлектрической проницаемости.

Техническим результатом изобретения является увеличение управляемого сдвига фазы.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в управляемом фазовращателе, содержащем центральный проводник линии передачи и экранирующий проводник линии передачи, разделенные слоем из управляемого диэлектрика, новым является то, что центральный проводник линии передачи выполнен нерегулярным, причем длина и ширина регулярных участков выбираются такими, чтобы на рабочих частотах устройства в этих участках возбуждались полуволновые резонансы.

Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что экранирующий проводник линии передачи выполнен сплошным, т.е. одна сторона подложки полностью металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а центральный проводник выполнен нерегулярным, управляющее напряжение прикладывается между центральным и экранирующим проводниками линии передачи.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены варианты конструкции заявляемого фазовращателя (фиг.1, 3), типичная АЧХ заявляемой конструкции фазовращателя (фиг.2), АЧХ и ФЧХ устройства на жидком кристалле для двух значений диэлектрической проницаемости последнего (фиг.4), частотная зависимость управляемого сдвига фазы устройства (фиг.5).

Заявляемый фазовращатель содержит диэлектрическую подложку 1 (фиг.1) из управляемого материала, на которую нанесен слой металла 2, выполняющий функцию заземляемого основания. На другой стороне подложки выполнен центральный проводник линии передачи (нерегулярный полосковый проводник) 3. Управляющее напряжение прикладывается между нерегулярным полосковым проводником 3 и заземляемым основанием 2. Развязка между управляющими цепями (не показаны) и подводящими линиями передачи осуществляется емкостями (не показаны).

Управляемый фазовращатель работает следующим образом.

Благодаря скачкам волнового сопротивления каждый из регулярных отрезков МПЛ в заявляемом устройстве представляет собой полуволновый резонатор, и при правильном выборе их размеров - длины l_i и ширины w_i - на АЧХ такого устройства формируется заданная полоса пропускания, образованная соответствующими полуволновыми резонансами, с центральной частотой f₀, фиг.2. При подаче управляющего напряжения изменяется диэлектрическая проницаемость подложки и, как следствие, эффективная диэлектрическая проницаемость линии. Как известно, наклон фазо-частотной характеристики при резонансе резко увеличивается по сравнению с наклоном ФЧХ согласованной линии. Поэтому соответствующий сдвиг фазы сигнала в резонансном устройстве будет существенно большим по сравнению с нерезонансным при одинаковом изменении диэлектрической проницаемости подложки. При этом при небольших, но достаточных для эффективного управления изменениях диэлектрической проницаемости подложки вызванный ими сдвиг полосы пропускания будет не столь большим, чтобы существенно уменьшить рабочую полосу устройства.

Вышесказанное можно проиллюстрировать следующим образом. Сравним управляемый сдвиг фазы отрезка микрополосковой линии передачи длиной l в условиях резонанса и в согласованном режиме. Частотная зависимость фазы в резонансе определяется формулой [Г.С.Горелик, Колебания и волны. М.: Государственное Издательство физико-математической литературы, 1959, с.102]

где Q - добротность резонанса, ω₀ - резонансная частота, выражающаяся через длину отрезка МПЛ l и эффективную диэлектрическую проницаемость подложки ε

где с - скорость света в вакууме. Подстановкой (2) в (1) получается зависимость фазы от эффективной диэлектрической проницаемости линии

Очевидно, что при прочих равных условиях, величина управляемого сдвига фазы будет определяться производной

или, с использованием соотношения (2),

и, поскольку вблизи резонанса ω≈ω₀, то

В случае согласованного отрезка МПЛ такой же длины l сдвиг фазы прошедшего сигнала равен его электрической длине

где λ - длина волны сигнала в вакууме. В этом случае

и если ω≈ω₀, то λ≈2l, и из (8) следует

Таким образом, управляемый сдвиг фазы в резонансном устройстве примерно в Q раз больше, чем в согласованной линии, при этом следует иметь в виду, что в реальном устройстве Q - это нагруженная добротность.

На фиг.3 изображено продольное сечение управляемого фазовращателя, в котором в качестве управляемого материала используется жидкий кристалл (ЖК). В этом случае подложка 1 из обычного (неуправляемого) диэлектрика служит опорой для нерегулярного полоскового проводника 2, который выполнен на ее нижней поверхности. Концы нерегулярного полоскового проводника связаны через емкостные зазоры 3 и 4 с входной и выходной микрополосковыми линиями 5 и 6. В зазор между заземляемым основанием 7 и нерегулярным полосковым проводником 2 заливается ЖК 8, который удерживается в нем силами поверхностного натяжения. В отсутствии управляющего напряжения директор ЖК устанавливается благодаря ориентирующему взаимодействию со стенками параллельно плоскости жидкокристаллического слоя и для возбуждаемых в полосковом проводнике электромагнитных колебаний При подаче управляющего напряжения директор устанавливается перпендикулярно плоскости ЖК слоя и для возбуждаемых в полосковом проводнике электромагнитных колебаний ε=ε_||. Анизотропия в некоторых жидких кристаллах, например 5СВ, достигает величин 0.2 и более, причем даже в диапазоне миллиметровых длин волн, а управляющие напряжения в жидких кристаллах существенно меньше, чем в сегнетоэлектриках.

На фиг.4 показаны амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики устройства на жидком кристалле для двух значений ε последнего: 2.6 - сплошная линия, 2.8 - штрихованная. Толщина ЖК слоя 0.1 мм, общая длина центрального проводника линии передачи, образованного одиннадцатью регулярными отрезками линии передачи (резонаторами), 24 мм, а их ширина (w_i) меняется от 0.1 мм до 2.2 мм.

На фиг.5 приведена зависимость сдвига фазы от частоты, обусловленного вышеупомянутым изменением диэлектрической проницаемости ЖК в устройстве.

Изобретение относится к технике высоких и сверхвысоких частот и может использоваться для управления фазой сигналов в антенных решетках и системах передачи информации. Техническим результатом изобретения является увеличение управляемого сдвига фазы. Управляемый фазовращатель содержит центральный проводник линии передачи и экранирующий проводник линии передачи, разделенные слоем из управляемого диэлектрика. Центральный проводник линии передачи выполнен нерегулярным, т.е. состоящим из регулярных отрезков полосковых проводников разной, но соответствующим образом выбранной длины и ширины, которые на рабочих частотах устройства представляют собой полуволновые резонаторы и их резонансы формируют полосу пропускания устройства, управляемый сдвиг фазы которого примерно в Q раз больше по сравнению с регулярной согласованной линией передачи, где Q - нагруженная добротность резонансов. Экранирующий проводник линии передачи выполнен сплошным. 5 ил.

Управляемый фазовращатель, содержащий центральный проводник линии передачи и экранирующий проводник линии передачи, разделенные слоем из управляемого диэлектрика, отличающийся тем, что центральный проводник линии передачи выполнен нерегулярным, причем длина и ширина регулярных участков выбираются такими, чтобы на рабочих частотах устройства в этих участках возбуждались полуволновые резонансы.