ШИРОКОПОЛОСНЫЙ 180-ГРАДУСНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СВЧ Российский патент 2011 года по МПК H01P1/18 

Изобретение относится к области радиотехники, а более конкретно к фазовращателям СВЧ, вносящим постоянный фазовый сдвиг в широкой полосе частот, и может быть использовано в приемных и передающих устройствах СВЧ.

Известен широкополосный проходной фазовращатель СВЧ на секциях Шиффмана [Coats R.P. An Octave-Band Switched-Line Microstrip 3-b Diode Phase Shifter // IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, Vol.21, No.7, July 1973]. Секция Шиффмана - это реактивный всепропускающий четырехполюсник на основе связанных линий [Schiffman B.M. A new class of broad-band microwave 90-degree phase shifters // IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.6, No4, April 1958]. Этот фазовращатель обладает следующими недостатками. Во-первых, для реализации одноступенчатого фазовращателя с фазовым сдвигом 180° необходимо наибольшее значение коэффициента связи между линиями [Сверхширокополосные микроволновые устройства / под ред. А.П.Креницкого и В.П.Мещанова. - М.: Радио и связь, 2001. - с.215, 218]. В результате конструкция фазовращателя на некоторых типах линий, в частности на микрополосковой, оказывается труднореализуемой. Во-вторых, когда фазосдвигающая секция на 180° реализуется в виде двух включенных каскадно фазосдвигающих секций на 90°, усложняется топология фазовращателя и увеличиваются его габариты. В-третьих, для переключения между состояниями фазовращателя нужно два переключателя, содержащих в сумме минимум четыре активных элемента, что усложняет конструкцию изделия и понижает надежность устройства.

Известен широкополосный проходной фазовращатель СВЧ, действие которого основано на изменении направления возбуждения отрезка щелевой линии [Патент на изобретение №SU 1542363 A1, кл. H01P 1/185. Дискретный фазовращатель. Дата публикации 1995.03.10, автор Следков В.А.]. Недостатком такого фазовращателя является необходимость изготовления и закрепления в корпусе двусторонней платы.

Известен широкополосный проходной фазовращатель СВЧ, действие которого основано на переключении проводников линии передачи [United States Patent №5,680,079, 180-degree phase shifter, Inami et al., October 21, 1997]. Недостатком такого фазовращателя является невозможность реализации в чисто микрополосковом исполнении.

Известен широкополосный отражательный фазовращатель СВЧ, принятый в качестве прототипа, который состоит из квадратурного 3-децибельного направленного ответвителя (КНО), два выхода которого нагружены на полупроводниковые диоды [Miyaguchi K., et al. An ultra broad band reflection type 180 deg phase shifter with series and parallel LC circuits. // 2001 MTT-S International Microwave Symposium Digest, vol.1, p.237-240]. Для реализации фазового сдвига 180° в широкой полосе частот изменяют СВЧ импеданс диодов, подавая различное управляющее напряжение таким образом, чтобы на выходах КНО попеременно имели место режим холостого хода и режим короткого замыкания.

Этот фазовращатель обладает следующим недостатком: при неидеальном согласовании плеч КНО даже в случае идентичных по параметрам диодов, равном по мощности делении, разности фаз между выходами КНО 90°, имеет место дополнительный источник фазовой ошибки, не поддающийся компенсации [Garver R.V. Broad-Band Diode Phase Shifters // IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, Vol.4, No.5, May 1972, p.317]. При малом рассогласовании плеча КНО возникает стоячая волна между КНО и диодом. Эта стоячая волна приводит к возникновению фазовой ошибки, которая может достигать величины Δφ=±4arcsin|Г|, где Г - коэффициент отражения от входов ответвителя. Например, при |Г|=0,032 (коэффициент отражения по мощности - 30 дБ) максимальная фазовая ошибка составляет ±7,33°.

Целью изобретения является уменьшение максимально возможной фазовой ошибки широкополосного 180-градусного фазовращателя СВЧ.

Для достижения указанной цели предлагается широкополосный фазовращатель, содержащий 3-децибельный квадратурный направленный ответвитель на связанных линиях (КНО), вход которого является входом фазовращателя. Согласно изобретению в него введены второй 3-децибельный КНО, две согласованные нагрузки, четыре аттенюатора, два полевых транзистора СВЧ. Полевые транзисторы используют в усилительном режиме. Каждый КНО имеет вход, выход с фазовым сдвигом 0°, выход с фазовым сдвигом -90°, развязанный выход. Вход первого КНО является входом устройства. Развязанный выход первого КНО подключен к первой согласованной нагрузке. Выход с фазовым сдвигом 0° первого КНО подключен через первый аттенюатор к затвору первого полевого транзистора. Выход с фазовым сдвигом -90° первого КНО подключен через второй аттенюатор к затвору второго полевого транзистора. Сток первого полевого транзистора подключен через третий аттенюатор к выходу с фазовым сдвигом 0° второго КНО. Сток второго полевого транзистора подключен через четвертый аттенюатор к выходу с фазовым сдвигом -90° второго КНО. Развязанный выход второго КНО подключен ко второй согласованной нагрузке. Вход второго КНО используется как выход устройства.

Цель достигается преобразованием отражательного фазовращателя в проходной так, чтобы неидеальное согласование не приводило к возникновению фазовой ошибки.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого фазовращателя из научно-технической литературы неизвестны, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

Функциональная схема устройства изображена на фиг.1. Топология платы изготовленного макета фазовращателя изображена на фиг.2.

Фазовращатель содержит КНО 1, вход которого является входом устройства. Развязанный выход КНО 1 подключен к согласованной нагрузке 2. Выход с фазовым сдвигом 0° КНО 1 подключен через аттенюатор 3 к затвору полевого транзистора 4. Выход с фазовым сдвигом -90° КНО 1 подключен через аттенюатор 5 к затвору полевого транзистора 6. Сток полевого транзистора 4 подключен через аттенюатор 7 к выходу с фазовым сдвигом 0° КНО 8. Сток полевого транзистора 6 подключен через аттенюатор 9 к выходу с фазовым сдвигом -90° КНО 8. Развязанный выход КНО 8 подключен к согласованной нагрузке 10. Вход КНО 8 используется как выход устройства.

Аттенюатор 3 идентичен по свойствам аттенюатору 5, полевой транзистор 4 идентичен по свойствам полевому транзистору 6, аттенюатор 7 идентичен по свойствам аттенюатору 9, КНО 1 идентичен по свойствам КНО 8.

Принцип работы фазовращателя основан на свойствах 3-децибельных квадратурных направленных ответвителей на связанных линиях. Известно, что у ответвителей на связанных линиях разница по фазе между выходами составляет 90° и не зависит от частоты [Бова Н.Т., Ефремов Ю.Г., Конин В.В. и др. Микроэлектронные устройства СВЧ. - Киев: Техника, 1984. - с.28]. Полевой транзистор, на который не подано питание, обеспечивает развязку сигнала около 20 дБ.

В первом рабочем состоянии фазовращателя напряжение питания подано на полевой транзистор 4, на полевой транзистор 6 напряжение питания не подано, сигнал со входа устройства проходит на выход устройства по пути вход КНО 1 - выход КНО 1 с фазовым сдвигом 0° - аттенюатор 3 - полевой транзистор 4 - аттенюатор 7 - выход КНО 8 с фазовым сдвигом 0° - вход КНО 8.

Во втором рабочем состоянии фазовращателя напряжение питания подано на полевой транзистор 6, на полевой транзистор 4 напряжение питания не подано, сигнал со входа устройства проходит на выход устройства по пути вход КНО 1 - выход КНО 1 с фазовым сдвигом -90° - аттенюатор 5 - полевой транзистор 6 - аттенюатор 9 - выход КНО 8 с фазовым сдвигом -90° - вход КНО 8.

Таким образом, сигнал, проходящий через фазовращатель в первом рабочем состоянии, имеет фазовый сдвиг 180° относительно сигнала, проходящего через фазовращатель во втором рабочем состоянии. Свойства КНО 1,8 обеспечивают постоянство указанного фазового сдвига в широкой полосе.

Согласованные нагрузки 2, 10 и аттенюаторы 3, 5, 7, 9 служат для согласования устройства и минимизации максимально возможной фазовой ошибки.

В первом рабочем состоянии фазовращателя на полевой транзистор 6 напряжение питания не подано, поэтому вход аттенюатора 5 и выход аттенюатора 9 рассогласованы и развязаны относительно друг друга. Максимальный коэффициент отражения от входа аттенюатора 5 Г₁ по модулю не превышает квадрата модуля коэффициента передачи аттенюатора 5. Максимальный коэффициент отражения от выхода аттенюатора 9 Г₂ по модулю не превышает квадрата модуля коэффициента передачи аттенюатора 9.

Таким образом, развязанный выход КНО 1 нагружен на согласованную нагрузку, выход КНО 1 с фазовым сдвигом -90° нагружен на нагрузку с коэффициентом отражения Г₁. Развязанный выход КНО 8 нагружен на согласованную нагрузку, выход КНО 8 с фазовым сдвигом -90° нагружен на нагрузку с коэффициентом отражения Г₂. В этих условиях коэффициент передачи со входа КНО 1 на выход КНО 1 с фазовым сдвигом 0° равен:

,

где

S_ij - коэффициенты матриц рассеяния КНО 1 и КНО 8;

S₁₂ - коэффициент передачи со входа на выход с фазовым сдвигом 0°;

S₁₃ - коэффициент передачи со входа на выход с фазовым сдвигом -90°;

S₂₃ - коэффициент передачи с выхода с фазовым сдвигом 0° на выход с фазовым сдвигом -90° (определяет развязку между выходами);

S₃₃ - коэффициент отражения от выхода с фазовым сдвигом -90°.

Коэффициент передачи со входа КНО 8 на выход КНО 8 с фазовым сдвигом 0° равен:

.

Во втором рабочем состоянии фазовращателя на полевой транзистор 4 напряжение питания не подано, поэтому вход аттенюатора 3 и выход аттенюатора 7 рассогласованы и развязаны относительно друг друга. Коэффициент отражения от входа аттенюатора 3 равен Г₁, коэффициент отражения от выхода аттенюатора 7 равен Г₂. Таким образом, развязанный выход КНО 1 нагружен на согласованную нагрузку, выход КНО 1 с фазовым сдвигом 0° нагружен на нагрузку с коэффициентом отражения Г₁. Развязанный выход КНО 8 нагружен на согласованную нагрузку, выход КНО 8 с фазовым сдвигом 0° нагружен на нагрузку с коэффициентом отражения Г₂. В этих условиях коэффициент передачи со входа КНО 1 на выход КНО 1 с фазовым сдвигом -90°:

где S₂₂ - коэффициент отражения от выхода с фазовым сдвигом 0°.

Коэффициент передачи со входа КНО 8 на выход КНО 8 с фазовым сдвигом -90° равен:

Фазовый сдвиг:

φ=arg(K₃K₄)-arg(K₃K₄)

Величины E₁ и E₂ определяются коэффициентом отражения на входах аттенюаторов 3 и 5 Г₁, коэффициентом отражения на выходах аттенюаторов 7 и 9 Г₂:

при |Г₁|→0 и |Г₂|→0 E₁→0, Е₂→0.

Также величины E₁ и E₂ определяются развязкой КНО:

при |S₂₃|→0 E₁→0, Е₂→0.

вследствие свойств КНО.

Максимальная фазовая ошибка возникает при наименее благоприятном соотношении комплексных величин E₁ и E₂.

Таким образом, уменьшая |Г₁|, |Г₂|, |S₂₃|, можно добиться уменьшения максимальной фазовой ошибки.

При коэффициенте отражения по мощности от выходов ответвителя -30 дБ, развязке -30 дБ, равном делении мощности между выходами, затухании вносимом аттенюаторами 6 дБ:

max|Г₁|=max|Г₂|=0,5

|S₂₂|=|S₃₃|=|S₂₃|=0,032

|S₁₂|=|S₁₃|=0,707

max|E₁|=max|E₂|=0,0326

Δφ=±3,74°

Таким образом, изобретение позволяет уменьшить максимальную фазовую ошибку, по сравнению с прототипом.

На дату подачи заявки разработан и изготовлен опытный образец фазовращателя, обладающий следующими параметрами: рабочий диапазон частот 6-14 ГГц, фазовый сдвиг между двумя состояниями 180±3°, КСВН входа и выхода в двух состояниях не более 1,4, вносимое ослабление сигнала -2±1 дБ, разность между ослаблением сигнала в двух состояниях не более 2 дБ.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в приемных и передающих устройствах СВЧ. Техническим результатом является уменьшение максимальной фазовой ошибки за счет использования свойств квадратурных направленных ответвителей на связанных линиях и проходной схемы фазовращателя. 180-градусный фазовращатель содержит два 3-децибельных квадратурных направленных ответвителя на связанных линиях (КНО), две согласованные нагрузки, четыре аттенюатора, два полевых транзистора СВЧ. Полевые транзисторы используют в усилительном режиме. Вход первого КНО является входом устройства. Развязанный выход первого КНО подключен к первой согласованной нагрузке. Выход с фазовым сдвигом 0° первого КНО соединен с выходом с фазовым сдвигом 0° второго КНО через первый аттенюатор, первый полевой транзистор и третий аттенюатор. Выход с фазовым сдвигом -90° первого КНО соединен с выходом с фазовым сдвигом -90° второго КНО через второй аттенюатор, второй полевой транзистор и четвертый аттенюатор. Развязанный выход второго КНО подключен ко второй согласованной нагрузке. Вход второго КНО используется как выход устройства. Питание подают только на один из двух полевых транзисторов, таким образом изменяют путь прохождения сигнала со входа на выход. Техническим результатом является уменьшение максимально возможной фазовой ошибки. 2 ил.

Широкополосный 180-градусный фазовращатель СВЧ, содержащий первый 3-децибельный квадратурный направленный ответвитель на связанных линиях, вход которого является входом фазовращателя, отличающийся тем, что в него введены второй 3-децибельный квадратурный направленный ответвитель на связанных линиях, первая и вторая согласованные нагрузки, первый, второй, третий и четвертый аттенюаторы, первый и второй полевые транзисторы, которые используют в усилительном режиме, причем развязанный выход первого направленного ответвителя подключен к первой согласованной нагрузке, выход с фазовым сдвигом 0° первого направленного ответвителя подключен через первый аттенюатор к затвору первого полевого транзистора, выход с фазовым сдвигом -90° первого направленного ответвителя подключен через второй аттенюатор к затвору второго полевого транзистора, сток первого полевого транзистора подключен через третий аттенюатор к выходу с фазовым сдвигом 0° второго направленного ответвителя, сток второго полевого транзистора подключен через четвертый аттенюатор к выходу с фазовым сдвигом -90° второго направленного ответвителя, развязанный выход второго направленного ответвителя подключен ко второй согласованной нагрузке, вход второго направленного ответвителя является выходом устройства.