МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СВЧ Российский патент 2016 года по МПК H01P1/00 

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим постоянный фазовый сдвиг между компенсирующей линией (опорным каналом) и фазосдвигающим каналом (ФК) в широкой полосе частот.

Известен диференциальный фазовращатель(ДФ) СВЧ, предложенный и исследованный Шиффманом (Schiffman B. M. A new class of broadband microwave 90-degree phase shifters //IRE Trans., 1958. V. MTT-6, no 4. P. 232). В нем опорный канал выполнен в виде отрезка одиночной однородной линии передачи (ЛП), а фазосдигающий канал представляет собой отрезок связанных однородных ЛП с направленностью второго типа, выходные плечи которого непосредственно соединены между собой. Фазосдвигающий канал такого типа получил название С-звена. Теоретически С-звено является всепропускающим четырехполюсником (ЧП): предполагается, что отрезок связанных ЛП в нем характеризуется идеальной направленностью, а длина отрезка, соединяющего выходные плечи связанных однородных ЛП, равна нулю.

Однако на практике потенциальные возможности ДФ на основе С-звеньев не могут быть полностью реализованы, так как длина отрезка, соединяющего выходные плечи связанных однородных ЛП, отлична от нуля. Кроме того, в связанных микрополосковых ЛП конструктивно-технологические ограничения при реализации средних и высоких значений коэффициентов связи и разница фазовых скоростей нормальных волн, распространяющихся в них, нарушают условия идеальной направленности и согласования.

Известен ДФ СВЧ, включающий опорный и фазосдвигающий каналы (Аристархов Г. М., Алексеев А. А. Широкополосные фазовращатели на связанных микрополосковых линиях с кратными электрическими длинами //Радиотехника, 1987, №12. С. 58). В нем опорный канал выполнен в виде отрезка одиночной однородной ЛП, а фазосдигающий канал представляет собой С-звено, нагруженное короткозамкнутым шлейфом.

Однако известный ДФ СВЧ со шлейфом является отражающим. Кроме того, потенциальные возможности такого ДФ до сих пор реализованы на практике не в полной мере.

Наиболее близким к заявляемому устройству является ДФ, содержащий компенсирующую линию (опорный канал) и фазосдвигающий канал в виде, по крайней мере, двух ЧП, соединенных каскадно (авторское свидетельство SU 1580459, МПК H01P1/18). Каждый ЧП выполнен в виде отрезка связанных однородных ЛП, токонесущие проводники которых соединены один с другим на одном конце. Длина проводников в ЧП монотонно изменяется от входа ДФ к его выходу и монотонному возрастанию длины проводников соответствует монотонное убывание их коэффициента связи.

Недостатком прототипа являются плохие характеристики, такие как коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) и максимальное отклонение Δφ функции фазового сдвига от номинального значения φ₀.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в уменьшении КСВН и в уменьшении максимального отклонения Δφ функции фазового сдвига от номинального значения φ₀.

Указанный технический результат достигается тем, что многоэлементный ДФ СВЧ включает компенсирующую линию и фазосдвигающий канал в виде, по крайней мере, двух четырех полюсников,соединенных каскадно, каждый из которых выполнен в виде отрезка связанных однородных линий передачи, токонесущие проводники которых соединены один с другим на одном конце, согласно решению каждый четырехполюсник нагружен короткозамкнутым шлейфом. Компенсирующая линия выполнена в виде отрезка однородной ЛП. Длина связанных однородных ЛП различных четырехполюсников выполнена одинаковой или различной. Длина шлейфа различных четырехполюсников выполнена одинаковой или различной.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема многоэлементного ДФ СВЧ. Позициями на чертеже обозначены: компенсирующая линия; четырехполюсник; короткозамкнутый шлейф.

Заявляемый многоэлементный ДФ СВЧ включает компенсирующую линию 1 и фазосдвигающий канал. Компенсирующая линия выполнена в виде отрезка однородной одиночной ЛП. Фазосдвигающий канал выполнен в виде, по крайней мере, двух четырехполюсников 2, соединенных каскадно. Каждый из ЧП выполнен из отрезка связанных однородных ЛП, имеющего направленность второго типа, причем длина связанных однородных ЛП различных ЧП может быть выполнена одинаковой или различной. Выходные плечи отрезка связанных однородных ЛП каждого ЧП непосредственно соединены между собой, а к месту соединения связанных однородных ЛП подключен короткозамкнутый шлейф 3, причем длина шлейфа различных ЧП может быть выполнена одинаковой или различной. Таким образом, фазосдвигающий канал заявляемого изобретения образован каскадным включением нескольких одинаковых или различных элементов. Двухэлементная структура ФК приведена на чертеже.

Для двух- и трехэлементных структур была решена задача параметрической оптимизации одновременно фазочастотной характеристики (ФЧХ) фазовращателя и КСВН его фазосдвигающего канала с использованием среды проектирования AWR DE.

В таблицах 1 и 2 приведены рассчитанные оптимальные параметры ДФ двух- и трехэлементной структур ФК для рабочей полосы частот [f₁, f₂] с коэффициентом перекрытия κ=1.5; 2; 2.5 и 3. В таблицах 1 и 2 использованы следующие обозначения: Δφ - максимальное отклонение функции фазового сдвига от номинального значения φ₀; - электрическая длина ОК; - длина ОК, нормированная на среднюю длину волны рабочего диапазона частот; - максимальное значение коэффициента стоячей волны напряжения на входе фазосдвигающего канала; Z_0e, Z_0o - волновые сопротивления четного и нечетного типа возбуждения отрезка связанных ЛП соответственно; Z_шл - волновое сопротивление шлейфа. Волновые сопротивления подводящих линий полагались равными 50 Ом.

Таблица 1. Оптимальные параметры двухэлементной структуры ФК

Таблица 2. Оптимальные параметры трехэлементной структуры ФК

Из таблиц 1 и 2 следует:

1. Увеличение числа элементов приводит к уменьшению отклонения фазочастотной характеристики ДФ от заданного номинального значения φ₀ и уменьшению КСВН на входе ФК.

2. Фазовращатели на основе связанных ЛП со шлейфом характеризуются существенно меньшими отклонениями ФЧХ от номинального значения сдвига фазы φ₀. Их практическая реализация упрощается, поскольку значения коэффициентов связи в этих структурах значительно меньше, чем у прототипа.

Использование: изобретение относится к устройствам, обеспечивающим постоянный фазовый сдвиг между компенсирующей линией и фазосдвигающим каналом (ФК) в широкой полосе частот. Сущность: многоэлементный дифференциальный фазовращатель СВЧ включает компенсирующую линию и фазосдвигающий канал в виде, по крайней мере, двух четырехполюсников, соединенных каскадно, каждый из которых выполнен в виде отрезка связанных однородных линий, токонесущие проводники которых соединены один с другим на одном конце, согласно решению каждый четырехполюсник нагружен короткозамкнутым шлейфом. Компенсирующая линия выполнена в виде отрезка однородной линии передачи. Длина связанных однородных линий передачи различных четырехполюсников выполнена одинаковой или различной. Длина шлейфа различных четырехполюсников выполнена одинаковой или различной. Технический результат: уменьшение коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) и уменьшение максимального отклонения Δφ функции фазового сдвига от номинального значения φ₀. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Многоэлементный дифференциальный фазовращатель СВЧ, включающий компенсирующую линию и фазосдвигающий канал в виде, по крайней мере, двух четырехполюсников, соединенных каскадно, каждый из которых выполнен в виде отрезка связанных однородных линий передачи, токонесущие проводники которых соединены один с другим на одном конце, отличающийся тем, что каждый четырехполюсник снабжен короткозамкнутым шлейфом, подключенным к месту соединения связанных однородных линий.

2. Многоэлементный дифференциальный фазовращатель СВЧ по п.1, отличающийся тем, что компенсирующая линия выполнена в виде отрезка однородной линии.

3. Многоэлементный дифференциальный фазовращатель СВЧ по п.1, отличающийся тем, что длина связанных однородных линий передачи различных четырехполюсников выполнена различной.

4. Многоэлементный дифференциальный фазовращатель СВЧ по п.1, отличающийся тем, что длина связанных однородных линий передачи различных четырехполюсников выполнена одинаковой.

5. Многоэлементный дифференциальный фазовращатель СВЧ по п.1, отличающийся тем, что длина шлейфа различных четырехполюсников выполнена различной.

6. Многоэлементный дифференциальный фазовращатель СВЧ по п.1, отличающийся тем, что длина шлейфа различных четырехполюсников выполнена одинаковой.