ФИКСИРОВАННЫЙ СВЧ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H01P1/18 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве базового элемента при создании различных устройств СВЧ.

Дифференциальные (фиксированные) фазовращатели состоят из компенсирующего и фазосдвигающего каналов. В большинстве случаев компенсирующий канал представляет собой отрезок однородной одиночной линии передачи. В известных структурах дифференциальных фазовращателей фазосдвигающий канал образуется на основе либо одиночных, либо связанных линий передачи. Наибольшее распространение получили дифференциальные фазовращатели, в которых фазосдвигающий канал представляет собой всепропускающую цепочку на основе связанных линий передачи. Основное их достоинство заключается в том, что теоретически они пропускают все сигналы без отражения. Однако такие фазовращатели сложны в изготовлении, в особенности при использовании и реализации полосковых и микрополосковых линий.

Фазовращатели с фазосдвигающим каналом на одиночных линиях передачи проще в реализации, но они являются отражающими. Уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения КСВН входа фазосдвигающего канала на одиночных линиях передачи приводит к росту отклонения Δϕ от номинального значения ϕ₀ разности фаз сигналов на выходах компенсирующего и фазосдвигающего каналов. Поэтому при поиске их параметров находится компромисс между отклонением Δϕ и КСВН.

Известен дифференциальный фазовращатель СВЧ на одиночной линии передачи, фазосдвигающий канал которого содержит комбинацию полуволнового отрезка линии передачи и двух шлейфов - разомкнутого и короткозамкнутого, расположенных поперек полуволнового отрезка линии передачи. Длины шлейфов равны λ_ср/8, где λ_ср - длина волны в линии на средней частоте рабочего диапазона. (Microwave & RF. - 1979. - №12. - р.167-168).

Основным достоинством этого фазовращателя является простота изготовления. В октавной полосе частот для 15°≤ϕ_о≤90° они имеют КСВН ≤ 1.15 и Δϕ≈2°. Недостатком этого фазовращателя является относительно большая величина отклонения разности фаз от номинального значения Δϕ, не всегда приемлемая для решения практических задач.

Известны также широкополосные дифференциальные фазовращатели СВЧ на основе Т- и П-образных соединений, реализуемых на одиночных линиях передачи различных типов: симметричных и несимметричных, полосковых, копланарных и щелевых. Их фазосдвигающие каналы образованы из полуволнового отрезка одиночной линии передачи и четвертьволновых шлейфов. (Радиотехника и электроника. - 1988. - т.33. - В.1. - С.63-69).

Фазочастотные характеристики таких фазовращателей улучшены по сравнению с предыдущим решением. Но при этом максимальное значение коэффициента стоячей волны напряжения КСВН входа фазосдвигающего канала стало больше. Большая величина КСВН является их недостатком.

Известно еще два фиксированных фазовращателя СВЧ, содержащих фазосдвигающий канал на одиночной линии передачи со шлейфом, включенным в центре линии, компенсирующую линию и подводящие линии. Один из них отличается тем, что одиночная линия передачи выполнена в виде каскадного включения нечетного числа отрезков однородных линий передачи, длины которых равны λ_ср/4, длина центрального отрезка равна λ_ср/2, волновые сопротивления подводящих линий ρ₀ и отрезков однородных линий передачи ρ₁, ρ₂, ρ_(n+1)/2 связаны соотношением: ρ₀>ρ₁>ρ₂>...>ρ_(n+1)/2. (См. патент РФ на полезную модель №31690, МПК⁷ Н 01 Р 1/18). Другой фазовращатель отличается тем, что одиночная линия передачи выполнена в виде каскадного включения нечетного числа чередующихся отрезков однородных линий передачи с волновыми сопротивлениями ρ и ρ₀, расположенных симметрично относительно центрального отрезка с сопротивлением ρ, при этом длины отрезков и шлейфа выбраны из соотношений: l₁<l₃<...<l_2n-1; l₂>l₄>...>l_2n-2, l_2n-1>l_ш, где l₁, l₃,..., l_2n-1 - длины отрезков линии передачи с волновым сопротивлением ρ, при этом l_2n-1 - длина центрального отрезка, l₂, l₄, ..., l_2n-2 - длины отрезков линии передачи с волновым сопротивлением ρ₀, l_ш - длина шлейфа. (См. патент РФ на полезную модель №34036, МПК⁷ H 01 P 1/18).

Наиболее близким к предлагаемому является дифференциальный фазовращатель СВЧ, фазосдвигающий канал которого образован из полуволнового отрезка одиночной линии передачи и включенным посередине ее короткозамкнутым шлейфом, образующим Т-образное соединение. (См. Радиотехника и электроника. - 1988. - т.33. - в.1. - С.65). Фазочастотные характеристики этого фазовращателя улучшены по сравнению с вышеописанным. (Microwave & RF. - 1979. - №12. - р.167-168). Большая величина КСВН является его недостатком.

Задачей предлагаемого решения является более точное обеспечение постоянного сдвига фаз (уменьшение Δϕ) в широкой полосе частот при уменьшении КСВН входа фазосдвигающего канала.

Поставленная задача решается тем, что в фиксированном СВЧ фазовращателе, содержащем фазосдвигающий канал на одиночной линии передачи со шлейфом, включенным в центре линии, компенсирующую линию и подводящие линии, согласно предлагаемому решению одиночная линия передачи выполнена в виде симметричного каскадного включения четного числа отрезков экспоненциальных одиночных линий передачи, расположенных симметрично относительно центрального отрезка, образованного однородной одиночной линией передачи с волновым сопротивлением ρ_ц, при этом длины отрезков, их волновые сопротивления и форма экспоненты выбраны из условия обеспечения заданного сдвига фаз и коэффициента стоячей волны.

При количестве экспоненциальных отрезков, равном четырем, длины отрезков связаны соотношением l_ц>l₂>l₁, при этом волновое сопротивление первой экспоненциальной линии длиной l₁ изменяется по длине вдоль продольной координаты х, по экспоненциальному закону ρ₁(x)=ρ₁ exp(ln((ρ₀/ρ₁)(l₁-x)/l₁)), где 0≤x≤l₁ от волнового сопротивления ρ₀ подводящих линий до ρ₁, волновое сопротивление второй экспоненциальной линии длиной l₂ изменяется по длине по экспоненциальному закону ρ₂(x)=ρ_ц ехр(ln((ρ₁/ρ_ц)(l₂-х)/l₂)), где 0≤х≤l₂, от ρ₁ до ρ_ц, волновое сопротивление третьей экспоненциальной линии длиной l₂ изменяется по длине от ρ_ц до ρ₁ по экспоненциальному закону ρ₂(х)=ρ_цexp(ln((ρ₁/ρ_ц)(l₂-х)/l₂)), где 0≤x≤l₂, волновое сопротивление четвертой экспоненциальной линии длиной l₁ изменяется от ρ₁ до волнового сопротивления ρ₀ подводящих линий по экспоненциальному закону ρ₄(х)=ρ₀ехр(ln((ρ₀/ρ₁)(х-l₁)/l₁)), где 0≤х≤l₁.

Количество отрезков может быть равно шести, в этом случае длины отрезков связаны соотношением l_ц>l₂>l₁>l₃, при этом волновое сопротивление первой экспоненциальной линии длиной l₁ изменяется по экспоненциальному закону от волнового сопротивления ρ₀ подводящих линий до ρ₁, волновое сопротивление второй экспоненциальной линии длиной l₂ изменяется от ρ₁ до ρ₂, волновое сопротивление третьей экспоненциальной линии длиной l₃ изменяется от ρ₂ до ρ_ц, волновое сопротивление четвертой экспоненциальной линии длиной l₃ изменяется от ρ_ц до ρ₂, волновое сопротивление пятой экспоненциальной линии длиной l₂ изменяется от ρ₂ до ρ₁, волновое сопротивление шестой экспоненциальной линии длиной l₁ изменяется по экспоненциальному закону от ρ₁ до волнового сопротивления ρ₀ подводящих линий.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведено схематическое изображение предлагаемого фазовращателя с четырьмя экспоненциальными отрезками, на фиг.2 приведена частотная зависимость разности фаз сигналов на выходах предлагаемого 90° фазовращателя в октавной полосе частот, на фиг.3 - частотная зависимость модуля коэффициента стоячей волны предлагаемого фазовращателя в октавной полосе частот, где:

1 - фазосдвигающий канал;

2 - шлейф;

3 - компенсирующая линия;

4 - первый вход (вход фазосдвигающего канала);

5 - первый выход;

6 - второй вход;

7 - второй выход;

8 - подводящие линии;

9 - первый экспоненциальный отрезок длиной l₁;

10 - второй экспоненциальный отрезок длиной l₂;

11 - центральный отрезок одиночной однородной линии длиной l_u;

12 - третий экспоненциальный отрезок длиной l₂;

13 - четвертый экспоненциальный отрезок длиной l₁.

Фазовращатель состоит из фазовращающего канала 1 на одиночной линии передачи со шлейфом 2 и компенсирующей линии 3. Одиночная линия передачи выполнена в виде симметричного каскадного включения четного числа отрезков 9, 10, 12, 13 экспоненциальных одиночных линий передачи, расположенных симметрично относительно центрального отрезка 11, образованного однородной одиночной линией передачи с волновым сопротивлением ρ_ц, длины отрезков связаны соотношением l_ц>l₂>l₁, при этом волновое сопротивление первой экспоненциальной линии 9 длиной l₁ изменяется по экспоненциальному Закону от волнового сопротивления ρ₀ подводящих линий 8 до ρ₁, волновое сопротивление второй экспоненциальной линии 10 длиной l₂ изменяется от ρ₁ до ρ_ц, волновое сопротивление третьей экспоненциальной линии 12 длиной l₂ изменяется от ρ_ц до ρ₁, волновое сопротивление четвертой экспоненциальной линии 13 длиной l₁ изменяется от ρ₁ до волнового сопротивления ρ₀ подводящих линий 8. Шлейф 2 с волновым сопротивлением ρ_ш включен в середине центрального отрезка. Начало первого экспоненциального отрезка 9 является входом фазосдвигающего канала и первым входом 4 фазовращателя. Конец четвертого экспоненциального отрезка 13 является первым выходом 5 фазовращателя. Компенсирующая линия 3 представляет собой отрезок однородной одиночной линии передачи длиной l_к. Начало его является вторым входом 6, а конец - вторым выходом 7 фазовращателя.

Предлагаемый дифференциальный фазовращатель работает следующим образом: в рабочей полосе частот при подаче на входы 4, 6 одинаковых по амплитуде и фазе СВЧ-сигналов за счет подобранных значений длин компенсирующей линии l_k, длин экспоненциальных отрезков l₁, l₂, длины центрального отрезка l_ц, волновых сопротивлений ρ₁, ρ_ц, ρ_ш на входе 4 и на выходах 5 и 7 будут сигналы, удовлетворяющие заданным требованиям к коэффициенту стоячей волны напряжения КСВН входа фазосдвигающего канала 4 и к величине максимального отклонения разности между фазами сигналов на выходах 5 и 7 от номинального значения. Благодаря выявленной закономерности распределения длин и волновых сопротивлений линии передачи фазосдвигающего канала предлагаемый дифференциальный фазовращатель по сравнению с прототипом в одной и той же рабочей полосе частот имеет меньшие значения КСВН входа 4 и меньшие максимальные отклонения разности фаз сигналов на выходах 5 и 7 от номинального значения. Например, в октавной рабочей полосе частот при номинальном значении фазового сдвига 90° максимальное отклонение от 90° разности фаз сигналов на выходах 5 и 7 и КСВН входа 4 равны соответственно: 1.39° и 1.17 - для прототипа, 1.06° и 1.05 для предлагаемого фазовращателя (фиг.2,3).

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве базового элемента при создании различных устройств СВЧ. Техническим результатом является более точное обеспечение постоянного сдвига фаз (уменьшение Δϕ) в широкой полосе частот при уменьшении КСВН входа фазосдвигающего канала. Фиксированный СВЧ фазовращатель содержит фазосдвигающий канал на одиночной линии передачи со шлейфом, включенным в центре линии, подводящие линии с волновым сопротивлением ρ₀ и компенсирующую линию. Одиночная линия передачи выполнена в виде симметричного каскадного включения четного числа отрезков экспоненциальных одиночных линий передачи, расположенных симметрично относительно центрального отрезка, образованного однородной одиночной линией передачи с волновым сопротивлением ρ_ц, при этом длины отрезков, их волновые сопротивления и форма экспоненты выбраны из условия обеспечения заданного сдвига фаз и коэффициента стоячей волны. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Фиксированный СВЧ фазовращатель, содержащий фазосдвигающий канал на одиночной линии передачи со шлейфом, включенным в центре линии, и подводящими линиями с волновым сопротивлением ρ₀, компенсирующую линию, отличающийся тем, что одиночная линия передачи выполнена в виде симметричного каскадного включения четного числа отрезков экспоненциальных одиночных линий передачи, расположенных симметрично относительно центрального отрезка, образованного однородной одиночной линией передачи с волновым сопротивлением ρ_ц, при этом длины отрезков, их волновые сопротивления и форма экспоненты выбраны из условия обеспечения заданного сдвига фаз и коэффициента стоячей волны.2. Фиксированный СВЧ фазовращатель по п.1, отличающийся тем, что количество отрезков равно четырем, при этом длины отрезков связаны соотношением l_ц>l₂>l₁, при этом волновое сопротивление первой экспоненциальной линии длиной l₁ изменяется по длине вдоль продольной координаты х по экспоненциальному закону ρ₁(х)=ρ₁ехр(ln((ρ₀/ρ₁)(l₁-х)/l₁)), где 0≤х≤l₁, от волнового сопротивления ρ₀ подводящих линий до ρ₁, волновое сопротивление второй экспоненциальной линии длиной l₂ изменяется по длине по экспоненциальному закону ρ₂(x)=ρ_цexp(ln((ρ₁/ρ_ц)(l₂-х)/l₂)) где 0≤x≤l₂, от ρ₁ до ρ_ц, волновое сопротивление третьей экспоненциальной линии длиной l₂ изменяется по длине от ρ_ц до ρ₁ по экспоненциальному закону ρ₃(х)=ρ₁exp(ln((ρ₁/ρ_ц)(x-l₂)/l₂)), где 0≤х≤l₂, волновое сопротивление четвертой экспоненциальной линии длиной l₁ изменяется от ρ₁ до волнового сопротивления ρ₀ подводящих линий по экспоненциальному закону ρ₄(х)=ρ₀ехр(ln(ρ₀/ρ₁)(х-l₁)/l₁)), где 0≤х≤l₁.3. Фиксированный СВЧ фазовращатель по п.1, отличающийся тем, что количество отрезков равно шести, при этом длины отрезков связаны соотношением l_ц>l₂>l₁>l₃, при этом волновое сопротивление первой экспоненциальной линии длиной l₁ изменяется по экспоненциальному закону от волнового сопротивления ρ₀ подводящих линий до ρ₁, волновое сопротивление второй экспоненциальной линии длиной l₂ изменяется от ρ₁ до ρ₂, волновое сопротивление третьей экспоненциальной линии длиной l₃ изменяется от ρ₂ до ρ_ц, волновое сопротивление четвертой экспоненциальной линии длиной l₃ изменяется от ρ_ц до ρ₂, волновое сопротивление пятой экспоненциальной линии длиной l₂ изменяется от ρ₂ до ρ₁, волновое сопротивление шестой экспоненциальной линии длиной l₁ изменяется по экспоненциальному закону от ρ₁ до волнового сопротивления ρ₀ подводящих линий.