ФИКСИРОВАННЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СВЧ Российский патент 2017 года по МПК H01P1/18 

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

Известен фиксированный фазовращатель (ФФ) 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 нём ОК выполнен в виде отрезка одиночной однородной линии передачи (ЛП), а ФК 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: предполагается, что отрезок связанных ЛП в нём характеризуется идеальной направленностью, а длина отрезка, соединяющего выходные плечи связанных однородных ЛП, равна нулю.

Однако на практике потенциальные возможности ФФ 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 также ФФ СВЧ (Гительсон А.А., Михалевский В.С., Следков В.А. Синтез фазовращателей СВЧ на ступенчатых связанных линиях // Антенны. 1975. № 22. С. 117-132), содержащий ОК и ФК в виде четырёхполюсника, образованного отрезком ступенчато-неоднородных связанных ЛП.

Однако ФФ данной конструкции имеет недостаточно малое максимальное отклонение Δφ функции фазового сдвига от номинального значения φ₀. Для их реализации требуется использовать сильно связанные ЛП.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является ФФ (Аристархов Г.М., Алексеев А.А. Широкополосные фазовращатели на связанных микрополосковых линиях с кратными электрическими длинами // Радиотехника. 1987. № 12. С. 58-60), содержащий ОК и ФК в виде четырёхполюсника, образованного отрезком связанных однородных ЛП, снабжённым в месте соединения этих ЛП короткозамкнутым шлейфом.

Однако и данное техническое решение также имеет недостаточно малые максимальное отклонение Δφ функции фазового сдвига от номинального значения φ₀ и коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) на входе ФК.

Задачей заявляемого изобретения является создание новой структуры ФФ с улучшенными параметрами КСВН на входе ФК и максимального отклонения Δφ функции фазового сдвига от номинального значения φ₀.

Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение КСВН и уменьшение максимального отклонения Δφ функции фазового сдвига от номинального значения φ₀.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в ФФ СВЧ ФК выполнен в виде четырёхполюсника на ступенчато-неоднородных связанных ЛП, нагруженных в месте соединения короткозамкнутым шлейфом.

Использование ступенчато-неоднородных связанных ЛП в ФК с короткозамкнутым шлейфом обеспечило неожиданный результат в виде значительного улучшения параметров по сравнению с многоэлементным фазовращателем на связанных однородных линиях со шлейфом, несмотря на то, что максимальное отклонение Δφ функции фазового сдвига от номинального значения φ₀ в заданной полосе частот у многоэлементного ФФ существенно меньше, чем у ФФ на связанных ступенчато-неоднородных линиях с тем же числом отрезков связанных линий передачи (Meschanov V.P., Metelnikova I.V., Tupikin V.D., Chumaevskaya G.G. A new structure of microvave ultrawide-band differential phase shifter // IEEE Trans. 1994. V. MTT-42. № 5. P. 762).

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в фиксированном фазовращателе СВЧ, содержащем опорный канал и фазосдвигающий канал, выполненный в виде по крайней мере одного четырёхполюсника в виде отрезка связанных линий передачи с короткозамкнутым шлейфом, связанные линии передачи выполнены ступенчато-неоднородными.

Кроме того, заявляется фиксированный фазовращатель СВЧ, в котором фазосдвигающий канал выполнен в виде двух идентичных четырёхполюсников, соединённых каскадно.

Кроме того, заявляется фиксированный фазовращатель СВЧ, в котором связанные линии передачи выполнены симметрично двухступенчатыми.

Кроме того, заявляется фиксированный фазовращатель СВЧ, в котором связанные линии передачи выполнены симметрично трёхступенчатыми.

Осуществление заявляемого изобретения поясняется с помощью фиг. 1, 2, на которых изображены:

на фиг. 1 – ФФ с ОК в виде отрезка однородной линии передачи и ФК в виде одного четырёхполюсника на двухступенчатых связанных линиях передачи со шлейфом;

на фиг. 2 – ФФ с ОК в виде отрезка однородной линии передачи и ФК в виде двух включённых каскадно идентичных четырёхполюсников на двухступенчатых связанных линиях передачи со шлейфом.

Позициями 1-3 на фиг. 1-2 обозначены:

1 - опорный канал;

2 – четырехполюсник;

3 - короткозамкнутый шлейф.

Заявляемый ФФ СВЧ включает опорный канал (ОК) 1 и фазосдвигающий канал (ФК). ОК 1 выполнен в виде отрезка однородной одиночной ЛП. ФК выполнен в виде одного четырёхполюсника (фиг. 1) или в виде соединения выходного плеча первого из двух идентичных четырёхполюсников с входным плечом второго, т.е. каскадно соединённых двух идентичных четырехполюсников (фиг. 2). Каждый из четырёхполюсников выполнен из продольно симметричных двухступенчатых связанных ЛП с направленностью второго типа c короткозамкнутым шлейфом. Помимо двухступенчатой структуры может быть также использована трёхступенчатая.

Устройство работает следующим образом.

На входы ОК и ФК подают одинаковые сигналы. Сигналы на выходах ОК и ФК совпадают по амплитуде, а разность их фаз обеспечивается постоянной.

Для ФФ двух- и трёхступенчатой структур ФК в виде одного и двух четырёхполюсников была решена задача параметрической оптимизации одновременно фазочастотной характеристики (ФЧХ) фазовращателя и КСВН его фазосдвигающего канала с использованием среды проектирования AWR DE.

В таблицах 1-4 приведены рассчитанные оптимальные параметры ФФ двух- и трёхступенчатой структур ФК в виде одного и двух четырёхполюсников для рабочей полосы частот [f₁, f₂] с коэффициентом перекрытия QUOTE , равным 4. В таблицах использованы следующие обозначения: Δϕ - максимальное отклонение функции фазового сдвига от номинального значения ϕ₀; QUOTE - электрическая длина опорного канала (ОК), QUOTE - длина ОК, нормированная на среднюю длину волны рабочего диапазона частот; QUOTE – максимальное значение коэффициента стоячей волны напряжения на входе фазосдвигающего канала, Z_0ei, Z_0oi - волновые сопротивления чётного и нечётного типа возбуждения i-того отрезка связанных ЛП соответственно, i = 1, 2, 3; Z_шл – волновое сопротивление шлейфа. Волновые сопротивления подводящих линий полагались равными 50 Ом.

Из таблиц 1-4 следует, что увеличение числа ступеней приводит к уменьшению отклонения фазочастотной характеристики ФФ от заданного номинального значения φ₀ и уменьшению КСВН на входе ФК.

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим постоянный фазовый сдвиг между опорным каналом (компенсирующей линией) (ОК) и фазосдвигающим каналом (ФК) в широкой полосе частот. Фиксированный фазовращатель СВЧ содержит опорный канал на одиночной линии передачи и фазосдвигающий канал, выполненный в виде, по крайней мере, одного четырехполюсника в виде отрезка связанных линий передачи, нагруженных в месте соединения короткозамкнутым шлейфом. Причем связанные линии передачи выполнены ступенчато-неоднородными. Технический результат заключается в уменьшении коэффициента стоячей волны по напряжению и уменьшении максимального отклонения Δφ функции фазового сдвига от номинального значения φ₀. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Фиксированный фазовращатель СВЧ, содержащий опорный канал на одиночной линии передачи и фазосдвигающий канал, выполненный в виде, по крайней мере, одного четырехполюсника в виде отрезка связанных линий передачи, нагруженных в месте соединения короткозамкнутым шлейфом, отличающийся тем, что связанные линии передачи выполнены ступенчато-неоднородными.

2. Фиксированный фазовращатель СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что фазосдвигающий канал выполнен в виде двух идентичных четырехполюсников, соединенных каскадно.