ЦИФРОВОЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СО СВЕРХШИРОКОЙ ПОЛОСОЙ ПРОПУСКАНИЯ Российский патент 2018 года по МПК H01P1/18 

Область техники

Настоящее изобретение относится к фазовращателю, в частности, к цифровому фазовращателю.

Предшествующий уровень техники

По мере непрерывной разработки широкополосных РЛС с активной фазированной решеткой увеличивался и спрос на устройства регулировки лучей антенны, и проводились углубленные исследования цепей управления.

Будучи основным устройством регулировки лучей, фазовращатель является одним из главных приборов модуля приемопередатчиков антенны по причине большого количества рабочих состояний и технических характеристик, большой занимаемой площади, высоких требований к производительности, а также сложности проектирования и изготовления. Разработка РЛС с фазированной антенной решеткой налагает более высокие требования на полосу пропускания, точность сдвига фаз, интегрированную зону фазовращателя и другие аспекты. Таким образом, это имеет большое практическое значение в исследовании высокоэффективных фазовращателей с широкой и сверхширокой полосой пропускания.

Отражательный фазовращатель широко применяется в проектировании широкополосных фазовращателей, при этом стандартный ответвитель 3 дБ, такой как ответвитель Ланге, имеет большую площадь, что усложняет интеграцию, а также увеличивает стоимость цепи. Стандартная отражательная цепь едва ли соответствует требованиям сверхширокой полосы пропускания.

Следовательно, необходимо разработать компактный цифровой фазовращатель со сверхширокой полосой пропускания, который сможет расширить полосу пропускания и сократить площадь цепи.

Сущность изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в следующем: для устранения недостатков предшествующего уровня техники данный патент предусматривает цифровой фазовращатель со сверхширокой полосой пропускания.

Технические решения: для решения вышеизложенных технических проблем настоящее изобретение предусматривает цифровой фазовращатель со сверхширокой полосой пропускания, включающий ответвитель, первую и вторую сети полного сопротивления.

Ответвитель каскадируется блоками связи спиральных индукторов; каждая ступень блока связи спиральных индукторов включает первый и второй спиральные индукторы, связанные друг с другом; многоступенчатый каскад блоков связи спиральных индукторов выполнен в виде последовательного соединения каждой ступени первого спирального индуктора и последовательного соединения каждой ступени второго спирального индуктора.

Один конец первого спирального индуктора на первой ступени блока связи спиральных индукторов, каскадируемого в ответвитель и находящегося снаружи, является входным концом ответвителя и также служит в качестве входного конца фазовращателя, а один конец второго спирального индуктора, находящегося снаружи, является соединительным концом ответвителя, соединенного с первой сетью полного сопротивления; один конец первого спирального индуктора на последней ступени блока связи спиральных индукторов в ответвителе, находящемся снаружи, является портом передачи ответвителя, соединенного со второй сетью полного сопротивления, один конец второго спирального индуктора, находящегося снаружи, является изолированным концом ответвителя и также служит в качестве выходного конца фазовращателя.

Интервал связи или полоса пропускания микрополосковой линии каждого блока связи спиральных индукторов в ответвителе снаружи внутрь постепенно увеличивается.

Предпочтительно, первая и вторая сети полного сопротивления имеют одинаковую структуру; когда целевой сдвиг по фазе равен 180 градусам, каждая сеть полного сопротивления представляет собой параллельную структуру, соединенную своим концом с соответствующим соединительным концом ответвителя; одна цепь в параллельной структуре последовательно соединена с первым коммутатором и заземлена через первый индуктор, а другая цепь последовательно соединена со вторым коммутатором и заземлена через второй конденсатор. Еще более предпочтительно, рабочие состояния первого и второго коммутаторов в первой сети полного сопротивления одинаковые, а рабочие состояния первого и второго коммутаторов во второй сети полного сопротивления также одинаковые.

Предпочтительно, первая и вторая сети полного сопротивления имеют одинаковую структуру; когда целевой сдвиг по фазе не равен 180 градусам, каждая сеть полного сопротивления представляет собой второй индуктор, соединенный своим концом с соответствующим соединительным концом ответвителя и последовательно соединенный с параллельной структурой; одна цепь в параллельной структуре последовательно соединена с первым коммутатором и заземлена через первый индуктор, а другая цепь последовательно соединена со вторым коммутатором и заземлена через второй конденсатор. Еще более предпочтительно, рабочие состояния первого и второго коммутаторов в первой сети полного сопротивления противоположные, а рабочие состояния первого и второго коммутаторов во второй сети полного сопротивления также противоположные.

В предпочтительном варианте, блоки связи спиральных индукторов соединены друг с другом путем размещения первого и второго спиральных индукторов на одном слое металла и с помощью граничной связи, либо блоки связи спиральных индукторов соединены друг с другом путем размещения первого и второго спиральных индукторов на разных слоях металла, с помощью граничной связи и связи между верхним и нижним слоями.

Шунтирующий конденсатор предпочтительно шунтируется между портами первого и второго спиральных индукторов каждого блока связи спиральных индукторов, находящегося на той же стороне, а два конца шунтирующего конденсатора соответственно заземлены через заземляющий конденсатор.

Структура цепи ответвителя предпочтительно имеет двухстороннюю и продольную симметрию.

Все элементы фазовращателя предпочтительно являются сосредоточенными элементами.

Полезные эффекты: цифровой фазовращатель со сверхширокой полосой пропускания по настоящему изобретению имеет следующие преимущества.

1. Ответвитель, каскадируемый множеством блоков связи спиральных индукторов, имеет преимущества компактной конструкции, простого изготовления, большой мощности и низких вносимых потерь, может обеспечивать более широкую рабочую полосу пропускания по сравнению с обычным ответвителем, а также обладает исключительными преимуществами в плане полосы пропускания.

2. Сети полного сопротивления выполнены с помощью индуктивно-емкостных цепей и коммутационных элементов, а состояния сетей полного сопротивления переключаются коммутатором, тем самым выполняя смещение по фазе. Таким образом, сеть полного сопротивления рациональна по своей структуре и проста в осуществлении. По сравнению с обычной сетью полного сопротивления, данная сеть полного сопротивления может обеспечивать устойчивый сдвиг по фазе в диапазоне частот сверхширокой полосы пропускания с использованием меньшего количества элементов и коммутаторов. Соединив сети полного сопротивления с ответвителем, можно достичь превосходных широкополосных характеристик фазовращателя путем оптимизации значений элементов каждого компонента.

3. Кроме того, все элементы фазовращателя по настоящему изобретению являются сосредоточенными элементами, которые значительно сокращают площадь цепи по сравнению с обычным широкополосным отражательным фазовращателем; данный фазовращатель также имеет преимущества компактной конструкции, малой площади и низкой стоимости; ответвитель и сети полного сопротивления спроектированы исходя из потребностей сверхширокой полосы пропускания, чтобы полосу пропускания фазовращателя можно было увеличивать до четырехкратной частоты и более; следовательно, данный фазовращатель имеет хорошие широкополосные характеристики, большие преимущества и применение в интегральных микросхемах, а также может широко применяться в системах беспроводной связи с радиочастотой/сверхвысокой частотой/частотой миллиметрового диапазона.

В целом, цифровой фазовращатель со сверхширокой полосой пропускания по настоящему изобретению имеет преимущества компактной конструкции и малой занимаемой площади, обладает отличными характеристиками стационарных волн, меньшими колебаниями сдвига по фазе и низкими вносимыми потерями в диапазоне частот сверхвысокой полосы пропускания, а также предпочтительно может широко применяться в системе широкополосных РЛС с активной фазированной решеткой в качестве устройства регулировки лучей.

Краткое описание чертежей

ФИГ. 1 - структурная блок-схема цифрового фазовращателя со сверхширокой полосой пропускания по настоящему изобретению;

ФИГ. 2 - принципиальная электрическая схема одноступенчатых блоков связи спиральных индукторов;

ФИГ. 3 - принципиальная электрическая схема ответвителя, каскадируемого на четырех ступенях блоков связи спиральных индукторов;

ФИГ. 4 - принципиальная электрическая схема фазовращателя, когда целевой сдвиг по фазе равен 180 градусам;

ФИГ. 5 - принципиальная электрическая схема фазовращателя, когда целевой сдвиг по фазе не равен 180 градусам;

ФИГ. 6 - график, на котором показаны результаты моделирования обратных потерь на входе и выходе из цифрового фазовращателя на 90 градусов со сверхширокой полосой пропускания 4~16 ГГц в исходном состоянии;

ФИГ. 7 - график, на котором показаны результаты моделирования обратных потерь на входе и выходе из цифрового фазовращателя на 90 градусов со сверхширокой полосой пропускания 4~16 ГГц в состоянии сдвига по фазе;

ФИГ. 8 - график, на котором показаны результаты моделирования вносимых потерь цифрового фазовращателя на 90 градусов со сверхширокой полосой пропускания 4~16 ГГц в обоих состояниях; и

ФИГ. 9 - график, на котором показан результат моделирования цифрового фазовращателя на 90 градусов со сверхширокой полосой пропускания 4~16 ГГц в состоянии сдвига по фазе.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение подробно поясняется далее со ссылкой на варианты осуществления и прилагаемые чертежи, но следующие варианты осуществления не ограничивают его каким-либо образом.

Цифровой фазовращатель со сверхширокой полосой пропускания по варианту осуществления настоящего изобретения может обеспечивать более широкую рабочую полосу частот с меньшей площадью цепи, и имеет отличную устойчивость к сдвигу по фазе. Как показано на фиг. 1, цифровой фазовращатель со сверхширокой полосой пропускания по данному варианту осуществления включает ответвитель, первую и вторую сети полного сопротивления. Ответвитель включает входной конец 1, соединительный конец 3, порт передачи 2 и изолированный конец 4, и каскадируется одно- или двухступенчатыми блоками связи спиральных индукторов.

Блоки связи спиральных индукторов имеют одинаковую структуру цепи, причем первая ступень блока связи спиральных индукторов взята в качестве примера для пояснения. Принципиальная электрическая схема первой ступени блока связи спиральных индукторов показана на фиг. 2 и включает первый спиральный индуктор L11 и второй спиральный индуктор L12, связанные друг с другом на этой ступени, шунтирующий конденсатор С1 шунтируется между портами первого и второго спиральных индукторов, находящихся с левой стороны, шунтирующий конденсатор С3 шунтируется между портами первого и второго спиральных индукторов, находящихся с правой стороны, два конца шунтирующего конденсатора С1 соответственно заземлены через заземляющие конденсаторы С01 и С02, а два конца шунтирующего конденсатора С3 соответственно заземлены через заземляющие конденсаторы С21 и С22. Два спиральных индуктора, тесно связанные вверху и внизу (т.е. первый и второй спиральные индукторы L11 и L12), предусматривают граничную связь индукторов; в блоках связи спиральных индукторов взаимная связь осуществляется путем размещения первого и второго спиральных индукторов на одном слое металла с помощью граничной связи, либо взаимная связь осуществляется путем размещения первого и второго спиральных индукторов на разных слоях металла, с помощью граничной связи и связи между верхним и нижним слоями. Четыре заземляющих конденсатора С01, С02, С21 и С22 и шунтирующие конденсаторы С1 и С3 между двумя спиральными индукторами используются для обеспечения надлежащего полного сопротивления четной и нечетной моды, чтобы выполнять функцию связи вместе. Порты 1а, 3а, 2а и 4а на рисунках представляют собой входной конец, соединительный конец, порт передачи и изолированный конец каждого блока связи спиральных индукторов соответственно.

Входной конец 1а и соединительный конец 3а первой ступени блока связи спиральных индукторов соответственно связаны с входным концом 1 и соединительным концом 3 ответвителя, а порт передачи 2а и изолированный конец 4а последней ступени блока связи спиральных индукторов соответственно связаны с портом передачи 2 и изолированным концом 4 ответвителя. То есть, один конец первого спирального индуктора на первой ступени блока связи спиральных индукторов, каскадируемого в ответвитель и находящегося снаружи, является входным концом ответвителя и также служит в качестве входного конца фазовращателя, а один конец второго спирального индуктора, находящегося снаружи, является соединительным концом ответвителя, соединенного с первой сетью полного сопротивления; один конец первого спирального индуктора на последней ступени блока связи спиральных индукторов в ответвителе, находящемся снаружи, является портом передачи ответвителя, соединенного со второй сетью полного сопротивления, один конец второго спирального индуктора, находящегося снаружи, является изолированным концом ответвителя и также служит в качестве выходного конца фазовращателя.

Как показано на фиг. 1, многоступенчатый каскад блоков связи спиральных индукторов выполнен в виде последовательного соединения каждой ступени первого спирального индуктора и последовательного соединения каждой ступени второго спирального индуктора. Как показано на фиг. 3, ответвитель со сверхвысокой полосой пропускания, образованный четырьмя блоками связи спиральных индукторов, взят в качестве примера для подробного описания.

Для расширения широкой полосы четыре блока связи индукторов каскадируются так, чтобы образовался последовательный ответвитель, как изображено на фиг. 3. Порты 1, 2, 3 и 4 - входной конец, порт передачи, соединительный конец и изолированный конец ответвителя сверхширокой полосы пропускания соответственно, и они соответственно записываются как первая, вторая, третья и четвертая ступени блока связи спиральных индукторов в порядке слева направо. Многоступенчатый каскад блоков связи спиральных индукторов реализован посредством последовательного соединения всех ступеней первых спиральных индукторов и всех ступеней вторых спиральных индукторов. Шунтирующий и заземляющий конденсаторы, расположенные на обоих концах шунтирующего конденсатора, разделяются между двумя прилегающими ступенями. Структура цепи ответвителя имеет двустороннюю и продольную симметрию, т.е., первая, вторая, третья и четвертая ступени блока связи спирального индуктора структурно симметричны горизонтальной и вертикальной центральным линиям. Она отличается тем, что на фиг. 3 С01=С02=С01'=С02' и С1=С1'; С21=С22=С21'=С22', а С3=С3'; С41=С42; L11=L12=L11'=L12'; L21=L21=L21'=L22'; M1, М2, М2' и M1' представляют коэффициенты связи двух спиральных индукторов, плотно соединенных на первой, второй, третьей и четвертой ступенях блока связи спирального индуктора соответственно. Ввиду структурной симметрии цепи M1=М1', а М2=М2'. Назначение ответвителя во всем фазовозвращателе - изоляция входных и выходных сигналов и отражение сдвига по фазе сетей полного сопротивления в обоих состояниях.

При этом два спиральных индуктора соединены друг с другом в двух блоках связи спиральных индукторов, в настоящем примере расположенных снаружи, т.е., между первой и четвертой ступенями блока связи спиральных индукторов имеются большие интервалы и меньшие коэффициенты связи. При этом спиральные индукторы, соединенные друг с другом в двух блоках связи спиральных индукторов, расположены относительно в центре, т.е., между второй ступенью блока связи спиральных индукторов и третьим блоком связи спиральных индукторов имеются меньшие интервалы и более сильные коэффициенты связи, и достигается плотная связь. Следовательно, M1=М1'<М2=М2'. В соответствии со структурой ответвителя интервалы соединения всех блоков связи спиральных индукторов в ответвителе постепенно уменьшаются снаружи внутрь, что дает постепенное изменение коэффициента связи снаружи внутрь, следовательно, реализуя сверхширокополосную связь ответвителя.

Конечно, вышеизложенное является всего лишь примером настоящего изобретения. Ответвитель сверхширокой полосы пропускания в цифровом фазовращателе со сверхширокой полосой пропускания по настоящему изобретению может быть каскадирован многоступенчатым блоком связи спиральных индукторов согласно фактическим требованиям, например, пять, шесть, семь и даже более ступеней. Коэффициенты связи каждой ступени блоков связи спиральных индукторов могут быть постепенно изменены и регулируются снаружи внутрь посредством интервалов связи или полосы пропускания микрополосковых линий двух спиральных индукторов, соединенных друг с другом. В настоящем изобретении интервалы связи или полоса пропускания микрополосковой линии каждого блока связи спиральных индукторов в ответвителе снаружи внутрь постепенно уменьшается.

Интервалы связи в структуре цифрового фазовозвращателя со сверхширокой полосой пропускания по настоящему изобретению, а также емкость конденсатора каждого блока связи спиральных индукторов оптимизируются посредством моделирования электромагнитного поля излучения, чтобы можно было получить требуемую сверхширокую рабочую полосу пропускания. Более того, радиочастоты/частоты микроволновых сигналов, выведенные портом передачи и соединительным концом, аналогичны входным сигналам для реализации распределения мощности 3 дБ. Что касается фазы, выходной сигнал порта передачи и выходной сигнал соединительного конца отличаются на 90 градусов, что создает структуру для преобразования асимметричного сигнала в ортогональный.

Первая и вторая сети полного сопротивления цифрового фазовозвращателя со сверхширокой полосой пропускания обладают одинаковыми структурами, которые соответственно подключаются к соединительному концу и порту передачи ответвителя и реализуются с помощью индуктивно-емкостных цепей и коммутационных элементов. Одинаковая структура первой и второй сетей полного сопротивления обладает преимуществом, при котором отражаемый сдвиг по фазе сетей с полным сопротивлением может быть отражен на входной и выходной концы фазовращателя без потерь, чтобы избежать проблем уменьшения амплитуды и сложного расчета фазового синтеза на входном и выходном концах фазовращателя ввиду разных фаз амплитуды двух отраженных сигналов. Сети полного сопротивления выполнены с помощью индуктивно-емкостных цепей и коммутационных элементов, а состояния сетей полного сопротивления переключаются коммутаторами, тем самым выполняя смещение по фазе. Таким образом, сеть полного сопротивления рациональна по своей структуре и проста в осуществлении. По сравнению с обычной сетью полного сопротивления, данная сеть полного сопротивления может обеспечивать устойчивый сдвиг по фазе в диапазоне частот сверхширокой полосы пропускания с использованием меньшего количества элементов и коммутаторов. Соединив сети полного сопротивления с ответвителем, можно достичь превосходных широкополосных характеристик фазовращателя путем оптимизации значений элементов каждого компонента.

Когда целевое смещение по фазе равно 180 градусам, каждая сеть полного сопротивления представляет собой параллельную структуру, соединенную своим концом с соответствующим соединительным концом ответвителя; одна цепь в параллельной структуре последовательно соединена с первым коммутатором и заземлена через первый индуктор, а другая цепь последовательно соединена со вторым коммутатором и заземлена через второй конденсатор. Структура фазовращателя в данном случае представлена на фиг. 4. Первая сеть полного сопротивления представляет собой параллельную структуру, соединенную своим концом с соединительным концом ответвителя. Одна цепь в параллельной структуре последовательно соединена с первым коммутатором S1 и заземлена через первый индуктор L1, а другая цепь последовательно соединена со вторым коммутатором S2 и заземлена через второй конденсатор С2. Вторая сеть полного сопротивления представляет собой параллельную структуру, соединенную своим концом с портом передачи ответвителя. Одна цепь в параллельной структуре последовательно соединена с первым коммутатором S1' и заземлена через первый индуктор L1', а другая цепь последовательно соединена со вторым коммутатором S2' и заземлена через второй конденсатор С2'. Первый и второй коммутаторы в первой и второй сетях полного сопротивления находятся в положении «вкл.», когда сеточное напряжение V или V' является положительным; в данном случае коммутатор может соответствовать малому резистору Ron. Коммутаторы находятся в положении «вкл.», когда сеточное напряжение V или V' является отрицательным; в данном случае коммутатор может соответствовать малому резистору Coff. Состояния сетей полного сопротивления переключаются коммутаторами, тем самым выполняя сдвиг по фазе. Два коммутатора соответственно используются в каждой сети, полного сопротивления; в каждой из них рабочие состояния двух коммутаторов одинаковые, т.е. рабочие состояния первого коммутатора S1 и второго коммутатора S2 в первой сети полного сопротивления одинаковые, а рабочие состояния первого коммутатора S1' и второго коммутатора S2' во второй сети полного сопротивления также одинаковые.

Когда целевое смещение по фазе не равно 180 градусам, каждая сеть полного сопротивления представляет собой второй индуктор, соединенный своим концом с соответствующим соединительным концом ответвителя и последовательно соединенный с параллельной структурой; одна цепь в параллельной структуре последовательно соединена с первым коммутатором и заземлена через первый индуктор, а другая цепь последовательно соединена со вторым коммутатором и заземлена через второй конденсатор. Структура фазовращателя в данном случае представлена на фиг. 5. Первая сеть полного сопротивления представляет собой второй индуктор L2, соединенный своим концом с соединительным концом ответвителя и последовательно соединенный с параллельной структурой. Второй индуктор L2 в сети полного сопротивления последовательно соединен с параллельной структурой. Одна цепь в параллельной структуре последовательно соединена с первым коммутатором S1 и заземлена через первый индуктор L1, а другая цепь последовательно соединена со вторым коммутатором S2 и заземлена через второй конденсатор С2. Вторая сеть полного сопротивление соединена своим концом с портом передачи ответвителя. Второй индуктор L2' в сети полного сопротивления последовательно соединен с параллельной структурой. Одна цепь в параллельной структуре последовательно соединена с первым коммутатором S1' и заземлена через первый индуктор L1', а другая цепь последовательно соединена со вторым коммутатором S2' и заземлена через второй конденсатор С2'. Первый и второй коммутаторы в первой и второй сетях полного сопротивления находятся в положении «вкл.», когда сеточное напряжение V или V' является положительным; в данном случае коммутатор может соответствовать малому резистору Ron. Коммутаторы находятся в положении «вкл.», когда сеточное напряжение V или V' является отрицательным; в данном случае коммутатор может соответствовать малому резистору Coff. Состояния сетей полного сопротивления переключаются коммутаторами, тем самым выполняя сдвиг по фазе. Два коммутатора соответственно используются в каждой сети полного сопротивления; в каждой из них рабочие состояния двух коммутаторов противоположные, т.е. рабочие состояния первого коммутатора S1 и второго коммутатора S2 в первой сети полного сопротивления противоположные, а рабочие состояния первого коммутатора S1' и второго коммутатора S2' во второй сети полного сопротивления также противоположные. На фиг. 5 отображает состояние противоположное рабочему состоянию V, a отображает состояние противоположное рабочему состоянию V.

Два разных состояния коммутатора определяют два рабочих состояния фазовращателя, т.е. рабочее состояние и состояние сдвига по фазе соответственно. Сеть полного сопротивление состоит из индуктивно-емкостного элемента и коммутатора. При игнорировании коммутатора Ron, сеть полного сопротивления может соответствовать четырехэлементным структурам: одному индуктору L, одному конденсатору С, последовательным индуктивно-емкостным элементам и комбинации параллельных индуктивно-емкостных элементов. Разные состояния коммутаторов обеспечивают аналогичные структуры разности сети полного сопротивления, а сдвиг по фазе коэффициента отражения сетей полного сопротивления в двух стояниях является именно сдвигом по фазе фазовращателя.

Первая сеть полного сопротивления с целевым сдвигом по фазе 180 градусов взята в качестве примера, она установлена в исходном состоянии, когда первый коммутатор S1 и второй коммутатор S2 находятся в положении «вкл.» и установлена в состоянии сдвига по фазе, когда первый коммутатор S1 и второй коммутатор S2 находятся в положении «выкл.». В исходном состоянии коммутаторы S1 и S2 соответствуют Ron1 и Ron2, причем Ron1 и Ron2 являются малыми и могут игнорироваться, а цепь сети полного сопротивления соответствует тому, что второй конденсатор С2 параллельно соединен с первым индуктором L1; в состоянии сдвига по фазе коммутаторы S1 и S2 соответствуют Coff1 и Coff2. Второй конденсатор С2 в составной цепи коммутатора S2 последовательно соединен с Coff2, а эквивалентный конденсатор составной цепи меньше Coff2 и может игнорироваться, а цепь сети полного сопротивления соответствует тому, что конденсатор Coff1 последовательно соединен с первым индуктором L1. Вторая и первая сети полного сопротивления полностью одинаковые; в состоянии сдвига по фазе и в исходном состоянии изменения разностей фаз, созданных в соответствующих входных и выходных портах фазовращателя, отражены посредством первой и второй сетей полного сопротивления, т.е. 180-градусный сдвиг по фазе фазовращателя Ron и Coff зависит от характеристик коммутатора. Значения индуктора или конденсатора в цепи могут устанавливаться и оптимизироваться в зависимости от особой целевой полосы частот, например, четырехкратная полоса частот 4~16 ГГц.

В случае если целевой сдвиг по фазе не равен 180 градусам, первая сеть полного сопротивления с целевым сдвигом по фазе 90 градусов взята в качестве примера, она установлена в исходном состоянии, когда первый коммутатор S1 находится в положении «вкл.», а второй коммутатор S2 находится в положении «выкл.» и установлена в состоянии сдвига по фазе, когда первый коммутатор S1 находится в положении «выкл.», а второй коммутатор S2 находится в положении «вкл.». В исходном состоянии коммутаторы S1 и S2 соответствуют Ron1 и Coff2; составная цепь Ron1 коммутатора S1 может игнорироваться; в составной цепи коммутатора S2 второй конденсатор С2 последовательно соединен с Coff2, а эквивалентный конденсатор составной цепи меньше Coff2 и может игнорироваться. Цепь сети полного сопротивления соответствует тому, что первый индуктор L1 последовательно соединен со вторым индуктором L2; в состоянии сдвига по фазе коммутаторы S1 и S2 соответствуют Coff1 и Ron2; в случае если целевой сдвиг по фазе равен 90 градусам, первый индуктор L1 значительно меньше второго индуктора L2, первый индуктор L1 в составной цепи коммутатора S1 и Coff1 может игнорироваться, составная цепь Ron2 коммутатора S2 может игнорироваться, а цепь сети полного сопротивления соответствует тому, что второй индуктор L2 последовательно соединен со вторым конденсатором С2. Вторая и первая сети полного сопротивления полностью одинаковые; в состоянии сдвига по фазе и в исходном состоянии изменения разностей фаз, созданных в соответствующих входных и выходных портах фазовращателя, отражены посредством первой и второй сетей полного сопротивления, т.е. 90-градусный сдвиг по фазе фазовращателя Ron и Coff зависит от характеристик коммутатора. Значения индуктора или конденсатора в цепи могут задаваться и оптимизироваться в зависимости от особой целевой полосы частот, например, четырехкратной полосы частот 4~16 ГГц. Случаи сдвига по фазе под другим углом, отличным от 180 градусов, аналогичны сдвигу по фазе на 90 градусов. Функция сдвига по фазе под другим углом, отличным от 180 градусов, может осуществляться в зависимости от сдвига по фазе и особой полосы частот, регулируя значения индукторов и конденсаторов в сети полного сопротивления.

Все элементы фазовращателя по вышеприведенным вариантам осуществления изобретения являются сосредоточенными элементами, которые значительно сокращают площадь цепи по сравнению с обычным широкополосным отражательным фазовращателем; данный фазовращатель также имеет преимущества компактной конструкции, малой площади и низкой стоимости; ответвитель и сети полного сопротивления спроектированы исходя из потребностей сверхширокой полосы пропускания, чтобы полосу пропускания фазовращателя можно было увеличивать до четырехкратной частоты и более; следовательно, данный фазовращатель имеет хорошие широкополосные характеристики, большие преимущества и применение в интегральных микросхемах, а также может широко применяться в системах беспроводной связи с радиочастотой/сверхвысокой частотой/частотой миллиметрового диапазона.

При моделировании электромагнитного поля излучения параметры цифрового фазовращателя на 90 градусов со сверхширокой полосой пропускания по настоящему изобретению в необходимой рабочей полосе частот 4-16 ГГц соответствуют представленным на фиг. 6~9. Как показано на фиг. 6, обратные потери на входе и выходе в исходном состоянии превышают 14 дБ. Как показано на фиг. 7, обратные потери на входе и выходе в состоянии сдвига по фазе превышают 14 дБ, что дает отличную характеристику отражения, а также необходимо для каскадирования многоступенчатых фазовращателей. Как показано на фиг. 8, вносимые потери в обоих состояниях равны 4,6±1,2 дБ. Как показано на фиг. 9, величина сдвига по фазе равна 90°±6°. Из настоящего раскрытия следует, что данное устройство имеет отличную устойчивость к сдвигу по фазе в сверхширокой полосе пропускания четырехкратной частоты.

Следует отметить, что выше описаны только предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, но они не ограничивают его каким-либо образом. Различные изменения и модификации, которые могут быть выполнены специалистами в данной области техники без отступления от существа и технической концепции настоящего изобретения, входят в объем правовой охраны изобретения.

Изобретение относится к антенной технике. Фазовращатель содержит ответвитель, первую и вторую сети полного сопротивления. При этом ответвитель каскадируется блоками связи спиральных индукторов. Каждая ступень блока связи спиральных индукторов включает первый и второй спиральные индукторы, связанные друг с другом. Многоступенчатый каскад блоков связи спиральных индукторов выполнен в виде последовательного соединения каждой ступени первого спирального индуктора и последовательного соединения каждой ступени второго спирального индуктора. Один конец первого спирального индуктора на первой ступени блока связи спиральных индукторов, каскадируемого в ответвитель и находящегося снаружи, является входным концом ответвителя, и также служит в качестве входного конца фазовращателя, а один конец второго спирального индуктора, находящегося снаружи, является соединительным концом ответвителя, соединенного с первой сетью полного сопротивления. Один конец первого спирального индуктора на последней ступени блока связи спиральных индукторов в ответвителе, находящемся снаружи, является портом передачи ответвителя, соединенного со второй сетью полного сопротивления, один конец второго спирального индуктора, находящегося снаружи, является изолированным концом ответвителя и также служит в качестве выходного конца фазовращателя. Интервал связи или полоса пропускания микрополосковой линии каждого блока связи спиральных индукторов в ответвителе снаружи внутрь постепенно уменьшается. Технический результат заключается в повышении компактности конструкции и уменьшении занимаемой площади. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Цифровой фазовращатель со сверхширокой полосой пропускания, включающий ответвитель, первую и вторую сети полного сопротивления, отличающийся тем, что:

ответвитель каскадируется блоками связи спиральных индукторов; каждая ступень блока связи спиральных индукторов включает первый и второй спиральные индукторы, связанные друг с другом; многоступенчатый каскад блоков связи спиральных индукторов выполнен в виде последовательного соединения каждой ступени первого спирального индуктора и последовательного соединения каждой ступени второго спирального индуктора;

один конец первого спирального индуктора на первой ступени блока связи спиральных индукторов, каскадируемого в ответвитель и находящегося снаружи, является входным концом ответвителя и также служит в качестве входного конца фазовращателя, а один конец второго спирального индуктора, находящегося снаружи, является соединительным концом ответвителя, соединенного с первой сетью полного сопротивления; один конец первого спирального индуктора на последней ступени блока связи спиральных индукторов в ответвителе, находящемся снаружи, является портом передачи ответвителя, соединенного со второй сетью полного сопротивления, один конец второго спирального индуктора, находящегося снаружи, является изолированным концом ответвителя и также служит в качестве выходного конца фазовращателя; и

интервал связи или полоса пропускания микрополосковой линии каждого блока связи спиральных индукторов в ответвителе снаружи внутрь постепенно уменьшается.

2. Фазовращатель по п. 1, отличающийся тем, что первая и вторая сети полного сопротивления имеют одинаковую структуру; когда целевой сдвиг по фазе равен 180°, каждая сеть полного сопротивления представляет собой параллельную структуру, соединенную своим концом с соответствующим соединительным концом ответвителя; одна цепь в параллельной структуре последовательно соединена с первым коммутатором и заземлена через первый индуктор, а другая цепь последовательно соединена со вторым коммутатором и заземлена через второй конденсатор.

3. Фазовращатель по п. 1, отличающийся тем, что первая и вторая сети полного сопротивления имеют одинаковую структуру; когда целевой сдвиг по фазе не равен 180°, каждая сеть полного сопротивления представляет собой второй индуктор, соединенный своим концом с соответствующим соединительным концом ответвителя и последовательно соединенный с параллельной структурой; одна цепь в параллельной структуре последовательно соединена с первым коммутатором и заземлена через первый индуктор, а другая цепь последовательно соединена со вторым коммутатором и заземлена через второй конденсатор.

4. Фазовращатель по п. 2, отличающийся тем, что рабочие состояния первого и второго коммутаторов в первой сети полного сопротивления одинаковые, а рабочие состояния первого и второго коммутаторов во второй сети полного сопротивления также одинаковые.

5. Фазовращатель по п. 3, отличающийся тем, что рабочие состояния первого и второго коммутаторов в первой сети полного сопротивления противоположные, и рабочие состояния первого и второго коммутаторов во второй сети полного сопротивления также противоположные.

6. Фазовращатель по п. 1, отличающийся тем, что блоки связи спиральных индукторов соединены друг с другом путем размещения первого и второго спиральных индукторов на одном слое металла и с помощью концевого соединения, либо блоки связи спиральных индукторов соединены друг с другом путем размещения первого и второго спиральных индукторов на разных слоях металла с помощью концевого соединения и соединения между верхним и нижним слоями.

7. Фазовращатель по п. 1, отличающийся тем, что шунтирующий конденсатор соединяет перемычкой порты первого и второго спиральных индукторов каждого блока связи спиральных индукторов, находящегося на той же стороне, а два конца шунтирующего конденсатора соответственно заземлены через заземляющий конденсатор.

8. Фазовращатель по п. 1, отличающийся тем, что структура цепи ответвителя имеет двухстороннюю (зеркальную) симметрию и продольную симметрию.

9. Фазовращатель по п. 1, отличающийся тем, что все элементы фазовращателя являются сосредоточенными элементами.