СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ФИКСИРОВАННЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ, ОСНОВАННЫЙ НА ЁМКОСТНОЙ НАГРУЗКЕ Российский патент 2018 года по МПК H01P1/18 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к фазовращателю, в частности, к сверхширокополосному фиксированному фазовращателю.

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 широкополосных и сверхширокополосных фазовращателей.

Однако всегда имеют место некоторые недостатки при фактическом использовании фазовращателя в системе связи. Например, в действующей многоканальной системе (такой как фазированная решетка) фазы в каждом канале не согласованы и имеют некоторые отличия из-за разницы в длине линий передачи доступа, разницы в длине золотой соединительной проволоки и разницы фазовых характеристик микросхемы при распределении в щите. Таким образом, крайне необходимо разработать широкополосный фиксированный фазовращатель, благодаря которому можно будет легко выполнять отладку системы и изменять фазы широкополосной системы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения заключается в следующем: для устранения недостатков предшествующего уровня техники данный патент предусматривает сверхширокополосный фиксированный фазовращатель, основанный на емкостной нагрузке.

Технические решения: для решения вышеизложенных технических проблем, сверхширокополосный фиксированный фазовращатель, основанный на емкостной нагрузке по настоящему изобретению, включает:

N физически разделенных блоков сдвига фаз, причем состояния сдвига фаз (N-1) создаются путем доступа к сигнальным входным концам и сигнальным выходным концам разных блоков сдвига фаз.

Каждый блок сдвига фаз включает ортогональный ответвитель, первую и вторую линии передачи, первую и вторую емкостные нагрузки, причем ортогональный ответвитель включает входной конец, соединительный конец, конец прямого подключения и изолированный конец, один конец первой линии передачи служит в качестве сигнального входного конца блока сдвига фаз, а другой конец соединен с входным концом ортогонального ответвителя, один конец второй линии передачи служит в качестве сигнального выходного конца блока сдвига фаз, а другой конец соединен с изолированным концом ортогонального ответвителя; один конец первой емкостной нагрузки соединен с соединительным концом ортогонального ответвителя, а другой конец заземлен; один конец второй емкостной нагрузки соединен с концом прямого подключения ортогонального ответвителя, а другой конец заземлен.

Предпочтительно, первая и вторая емкостные нагрузки, соответственно соединенные с соединительным концом и концом прямого подключения ортогонального ответвителя в каждом блоке сдвига фаз, являются элементами с чистой емкостью. Характеристическое сопротивление первой и второй линий передачи, соответственно соединенных с входным концом и изолированным концом ортогонального ответвителя, предпочтительно составляет 50 Ом.

Предпочтительно, ортогональные ответвители, применяющиеся в N блоках сдвига фаз, полностью идентичны.

Еще более предпочтительно, ортогональный ответвитель является сверхширокополосным ортогональным ответвителем, каскадируемым блоками связи спиральных индукторов; каждая ступень блока связи спиральных индукторов включает два соединенных друг с другом спиральных индуктора; две смежные ступени блоков связи спиральных индукторов соответственно последовательно соединены с одним из двух спиральных индукторов на последующей ступени блока связи спиральных индукторов посредством двух спиральных индукторов на предыдущей ступени блока связи спиральных индукторов, чтобы создать каскад предыдущей-последующей ступеней.

Один конец одного спирального индуктора, каскадируемый на первой ступени блока связи спиральных индукторов в ортогональном ответвителе и находящийся снаружи, является соединительным концом ортогонального ответвителя, а один конец другого спирального индуктора, находящийся снаружи, является входным концом ортогонального ответвителя; один конец одного спирального индуктора, каскадируемый на последней ступени блока связи спиральных индукторов в ортогональном ответвителе и находящийся снаружи, является концом прямого подключения ортогонального ответвителя, а один конец другого спирального индуктора, находящийся снаружи, является изолированным концом ортогонального ответвителя.

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

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

В другом предпочтительном варианте, шунтирующий конденсатор шунтируется между портами двух спиральных индукторов каждого блока связи спиральных индукторов, находящегося на той же стороне, а два конца шунтирующего конденсатора соответственно заземлены через заземляющий конденсатор.

Предпочтительно, структура цепи ортогонального ответвителя имеет двухстороннюю и продольную симметрию, а все элементы являются сосредоточенными элементами.

Полезные эффекты: сверхширокополосный фиксированный фазовращатель, основанный на емкостной нагрузке по настоящему изобретению, имеет следующие преимущества.

1. Применение емкостной нагрузки исключает использование крупногабаритного спирального индуктора в стандартной нагрузке конденсатора/индуктора последовательной/параллельной формы, сокращает размер цепи и снижает затраты; с другой стороны, исключаются дополнительные потери при внедрении спиральных индукторов в стандартную структуру, поэтому вносимые потери фазовращателя меньше.

2. В цепи каждого блока сдвига фаз разные значения сдвига фаз могут быть получены путем корректировки значений емкости первой и второй емкостных нагрузок и корректировки длины первой и второй линий передачи по завершении проектирования цепи ортогонального ответвителя, тем самым существенно упрощая конструкцию фазовращателя. Кроме того, полностью идентичные ортогональные ответвители могут применяться в настоящем изобретении в качестве основных цепей фазовращателя, чтобы еще больше упростить его конструкцию.

3. Емкостные нагрузки не будут увеличивать полосу пропускания фазовращателя, т.е. рабочая полоса частот фазовращателя главным образом определяется рабочей полосой частот ортогонального ответвителя.

4. Включено множество цепей блока сдвига фаз, поэтому цепи питания и логического управления не требуются, а фазы в канале системы могут быть изменены путем выбора разных цепей блока сдвига фаз, что очень просто выполняется при отладке системы.

5. Более того, сверхширокополосный ортогональный ответвитель, каскадируемый спиральными индукторами связи, согласующимися и применяемыми в цепи блока сдвига фаз, позволяет эффективно поддерживать равномерность фаз в полосе пропускания ортогонального ответвителя и получать более высокие характеристики сверхширокополосного сдвига фаз.

В целом, сверхширокополосный фиксированный фазовращатель, основанный на емкостной нагрузке по настоящему изобретению, имеет компактную конструкцию, простой метод проектирования и низкие вносимые потери, не требует дополнительного источника питания и устройства логического управления, и может применяться при отладке системы широкополосных РЛС с активной фазированной решеткой.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 - принципиальная блок-схема сверхширокополосного фиксированного фазовращателя, основанного на емкостной нагрузке по настоящему изобретению;

фиг. 2 - результат эмуляции сдвига фаз при 30-, 45- и 60-градусном сдвигах фаз, которые выполняются четырьмя сверхширокополосными фиксированными фазовращателями, включающими идеальные устройства, представленные в варианте осуществления 1;

фиг. 3 - структурная блок-схема четырех сверхширокополосных фиксированных фазовращателей по варианту осуществления 2;

фиг. 4 - результат испытания сдвига фаз при 20-, 40- и 60-градусном сдвигах фаз, которые выполняются четырьмя сверхширокополосными фиксированными фазовращателями по варианту осуществления 2;

фиг. 5 - результат испытания на погрешность сдвига фаз при 20-, 40- и 60-градусном сдвигах фаз, которые выполняются четырьмя сверхширокополосными фиксированными фазовращателями по варианту осуществления 2;

фиг. 6 - результат испытания на вносимые потери четырех сверхширокополосных фиксированных фазовращателей по варианту осуществления 2; и

фиг. 7 - результат испытания на обратные потери четырех сверхширокополосных фиксированных фазовращателей по варианту осуществления 2.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

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

Сверхширокополосный фиксированный фазовращатель, основанный на емкостной нагрузке 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, сверхширокополосный фиксированный фазовращатель, основанный на емкостной нагрузке по настоящему изобретению, включает N блоков сдвига фаз, причем N блоков сдвига фаз физически разделены и физически коммутируют разные блоки сдвига фаз путем доступа к сигнальным входным концам и сигнальным выходным концам разных блоков сдвига фаз. Могут создаваться состояния сдвига фаз (N-1), причем N не меньше 2. N-ый блок сдвига фаз взят в качестве примера, в котором присутствуют ортогональный ответвитель N, первая линия передачи, вторая линия передачи, первая емкостная нагрузка и вторая емкостная нагрузка. Ортогональный ответвитель включает входной конец С, соединительный конец А, конец прямого подключения В и изолированный конец D, один конец первой линии передачи служит в качестве сигнального входного конца блока сдвига фаз и используется как вход N для приема входного сигнала, а другой конец первой линии передачи соединен с входным концом С ортогонального ответвителя, один конец второй линии передачи служит в качестве сигнального выходного конца блока сдвига фаз и используется как выход N для передачи выходного сигнала, а другой конец второй линии передачи соединен с изолированным концом D ортогонального ответвителя; один конец первой емкостной нагрузки соединен с соединительным концом А ортогонального ответвителя, а другой конец заземлен; один конец второй емкостной нагрузки соединен с концом прямого подключения В ортогонального ответвителя, а другой конец заземлен. То есть, соединительный конец ортогонального ответвителя заземлен через первую емкостную нагрузку, а конец прямого подключения ортогонального ответвителя заземлен через вторую емкостную нагрузку.

Ортогональные ответвители, применяющиеся в вышеописанных блоках сдвига фаз, могут быть полностью идентичными.

Вариант осуществления 1/

На фиг. 1 показана принципиальная блок-схема сверхширокополосного фиксированного фазовращателя, включающего N блоков сдвига фаз по настоящему изобретению, причем N не меньше 2. Моделирование принципа работы сверхширокополосного фиксированного фазовращателя, основанного на емкостной нагрузке по данному варианту осуществления, выполняется следующим образом:

Сверхширокополосный фиксированный фазовращатель, включающий четыре блока сдвига фаз при N=4, взят в качестве примера для моделирования, причем любая частота ортогонального ответвителя, используемого для моделирования, представляет собой идеальную реакцию, т.е. амплитуды выходного и соединительного концов равны, а разность фаз составляет 90 градусов; изолированный конец полностью изолирован. Элемент с идеальной емкостью (бесконечный коэффициент качества) применяется в качестве емкостной нагрузки, а линия передачи является идеальной линией передачи, имеющей характеристическое полное сопротивление 50 Ом. Конкретные параметры цепи представлены в таблице 1.

Результаты моделирования характера сдвига фаз в вышеуказанных четырех идеальных фиксированных фазовращателях представлены на фиг. 2, где 30-, 45- и 60-градусный сдвиги фаз выполнены в диапазоне частота 5-30 ГГц. Поскольку в моделировании применяются идеальные устройства, их характеристики передачи и отражения идеальны; кроме того, коэффициент передачи равен 1, а коэффициент стоячей волны - 1. Моделирование вышеуказанных идеальных устройств подтверждает, что, по сути, в структуре могут происходить незначительные колебания сдвига фаз в шестикратных частотных интервалах.

Вариант осуществления 2:

На практике, в настоящем изобретении применяется несколько методов реализации ортогонального ответвителя, например, квадратурное гибридное соединение, направленный ответвитель, основанный на линии передачи с распределенной связью, или сосредоточенный ответвитель, который реализует эффекты распределения посредством сосредоточенных элементов. Вариант осуществления 2 предусматривает сверхширокополосный фиксированный фазовращатель, основанный на емкостной нагрузке, причем структура его блока сдвига фаз согласуется с описанием структуры выше и не будет поясняться, а ортогональный ответвитель представляет собой сверхширокополосный ортогональный ответвитель, каскадируемый блоками связи спиральных индукторов. Ортогональный ответвитель имеет преимущества миниатюризации, низких вносимых потерь и высокой развязки.

На фиг. 3 показана структурная блок-схема сверхширокополосного фиксированного фазовращателя, включающего четыре цепи блока сдвига фаз по варианту осуществления 2. Сверхширокополосный фиксированный фазовращатель, основанный на емкостной нагрузке по варианту осуществления 2, может создавать три состояния сдвига фаз. Структуры четырех блоков сдвига фаз, соответствующих N=1, 2, 3, 4, согласуются с описанием структуры вышеуказанных блоков сдвига фаз и не будут поясняться.

Как показано на фиг. 3, сверхширокополосный ортогональный ответвитель, применяемый в варианте осуществления 2, реализован сосредоточенными элементами, такими как блоки связи индукторов, цепи и конденсаторы связи, чтобы сократить размер цепи; чтобы увеличить рабочую полосу частот ортогонального ответвителя, сверхширокополосный ортогональный ответвитель каскадируется многоступенчатыми блоками связи спиральных индукторов, и каждая ступень блока связи спиральных индукторов включает два соединенных друг с другом спиральных индуктора. Чтобы увеличить рабочую полосу частот ортогонального ответвителя в варианте осуществления 2, сверхширокополосный ортогональный ответвитель в каждом блоке сдвига фаз каскадируется четырьмя блоками связи спиральных индукторов, а подробное описание данного сверхширокополосного ортогонального ответвителя по настоящему изобретению включено в этот вариант осуществления для примера.

Как показано на фиг. 3, блоки связи спиральных индукторов имеют одинаковую структуру цепи, причем первая ступень блока связи спиральных индукторов широкополосного ответвителя 1 в первом блоке сдвига фаз взята в качестве примера для пояснения. Предусмотрены первый спиральный индуктор L11 и второй спиральный индуктор L12, соединенные друг с другом в данной цепи, причем а шунтирующий конденсатор С0 шунтируется между портами первого и второго спиральных индукторов, находящихся на левой стороне, шунтирующий конденсатор С2 шунтируется между портами первого и второго спиральных индукторов, находящихся на правой стороне, два конца шунтирующего конденсатора С0 соответственно заземлены через заземляющие конденсаторы С01 и С02, а два конца шунтирующего конденсатора С2 соответственно заземлены через заземляющие конденсаторы С21 и С22. Два спиральных индуктора, плотно соединенные вверху и внизу, обеспечивают связь индукторов. В блоках связи спиральных индукторов взаимная связь осуществляется путем размещения двух спиральных индукторов на одном слое металла с помощью граничной связи, либо взаимная связь осуществляется путем размещения двух 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 С0 и С2 между двумя спиральными индукторами используются для обеспечения надлежащего полного сопротивления четной и нечетной моды, чтобы выполнять функцию связи вместе.

Каждый блок связи спиральных индукторов соединен с правым портом предыдущей ступени блока через левый порт последующей ступени блока для создания многоступенчатого каскада. Две смежные ступени блоков связи спиральных индукторов соответственно последовательно соединены с одним из двух спиральных индукторов на последующей ступени блока связи спиральных индукторов посредством двух спиральных индукторов на предыдущей ступени блока связи спиральных индукторов, чтобы создать каскад предыдущей-последующей ступеней. В частности, смежные ступени блоков связи спиральных индукторов создают каскад предыдущей-последующей ступеней путем последовательного соединения первого спирального индуктора на предыдущей ступени с первым спиральным индуктором на последующей ступени, и последовательного соединения второго спирального индуктора на предыдущей ступени со вторым спиральным индуктором на последующей ступени, либо смежные ступени блоков связи спиральных индукторов создают каскад предыдущей-последующей ступеней путем последовательного соединения первого спирального индуктора на предыдущей ступени со вторым спиральным индуктором на последующей ступени, и последовательного соединения второго спирального индуктора на предыдущей ступени с первым спиральным индуктором на последующей ступени. Цепи предыдущей и последующей ступеней блоков связи спиральных индукторов объединены и оснащены шунтирующими и заземляющими конденсаторами на двух концах.

Чтобы упростить проектирование цепи, ее структура в ортогональном ответвителе имеет двухстороннюю и продольную симметрию, т.е.: С01=С02=С81=С82; С21=С22=С61=С62; С41=С42; С0=С8; С2=С6; L11=L12=L71=L72; и L31=L32=L51=L52. Более того, M1, М3, М5 и М7 представляют собой коэффициенты связи двух спиральных индукторов, плотно соединенных на первой, второй, третьей и четвертой ступенях блока связи спиральных индукторов соответственно; в силу структурной симметрии цепи М1=М7, а М3=М5.

Один конец одного спирального индуктора, каскадируемый на первой ступени блока связи спиральных индукторов в ортогональном ответвителе и находящийся снаружи, является соединительным концом ортогонального ответвителя, а один конец другого спирального индуктора, находящийся снаружи, является входным концом ортогонального ответвителя; один конец одного спирального индуктора, каскадируемый на последней ступени блока связи спиральных индукторов в ортогональном ответвителе и находящийся снаружи, является концом прямого подключения ортогонального ответвителя, а один конец другого спирального индуктора, находящийся снаружи, является изолированным концом ортогонального ответвителя; конкретнее, верхний левый и нижний левый порты первой ступени блока связи индукторов в каждом ортогональном ответвителе по данному варианту осуществления являются соединительным концом А и входным концом С ортогонального ответвителя соответственно; верхний левый и нижний правый порты последней ступени блока связи индукторов являются концом прямого подключения В и изолированным концом D ортогонального ответвителя.

При этом два спиральных индуктора, соединенные друг с другом в двух блоках связи спиральных индукторов, в настоящем примере расположенных снаружи в ортогональном ответвителе, т.е. между первой и четвертой ступенями блока связи спиральных индукторов, имеют большие интервалы и меньшие коэффициенты связи. Однако два спиральных индуктора, соединенные друг с другом в двух блоках связи спиральных индукторов, расположенных относительно в центре, т.е. между второй ступенью блока связи спиральных индукторов и третьим блоком связи спиральных индукторов, имеют меньшие интервалы и обеспечивают плотную связь. Следовательно, М1=М7<М3=М5. В соответствии со структурой ортогонального ответвителя интервалы связи всех блоков связи спиральных индукторов в ортогональном ответвителе постепенно уменьшаются снаружи внутрь, что дает постепенное изменение коэффициента связи снаружи внутрь, следовательно, реализуя сверхширокополосную связь ортогонального ответвителя.

Разумеется, вышеизложенный вариант осуществления является только примером данного изобретения, и различные формы ортогональных ответвителей могут использоваться в сверхширокополосном фиксированном фазовращателе, основанном на емкостной нагрузке по настоящему изобретению. Когда применяется сверхширокополосный ортогональный ответвитель по настоящему изобретению, он каскадируется многоступенчатыми блоками связи спиральных индукторов в количестве более 2 по фактическим требованиям, например, две, три, четыре, пять, шесть, семь и более ступеней. Коэффициенты связи каждой ступени блоков связи спиральных индукторов могут меняться постепенно и корректироваться снаружи внутрь посредством интервалов связи или полос пропускания микрополосковых линий двух спиральных индукторов, соединенных друг с другом. В сверхширокополосном ортогональном ответвителем по настоящему изобретению интервалы связи или полосы пропускания микрополосковой линии каждого блока связи спиральных индукторов в ортогональном ответвителе снаружи внутрь постепенно уменьшаются.

В структуре по настоящему изобретению, при условии установки всех значений эталонного полного сопротивления на 50 Ом, интервалы связи и 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 концом прямого подключения и соединительным концом, аналогичны входным сигналам для реализации распределения мощности 3 дБ. Что касается фазы, выходной сигнал конца прямого подключения и выходной сигнал соединительного конца отличаются на 90 градусов, что создает структуру для преобразования асимметричного сигнала в ортогональный.

Разумеется, вышеизложенный вариант осуществления является только примером реализации сверхширокополосного ортогонального ответвителя по настоящему изобретению и никоим образом не ограничивает его.

Как показано на фиг. 1, первая и вторая емкостные нагрузки в сверхширокополосном фиксированном фазовращателе соответственно соединены с соединительным концом А и концом прямого подключения В ортогонального ответвителя. Применение элементов с чистой емкостью в качестве нагрузок для конца прямого подключения и соединительного конца ортогонального ответвителя исключает использование индуктивных элементов более низкого качества, что не только сокращает размер микросхемы, но и снижает ее потери. Кроме того, применение элементов с чистой емкостью в качестве нагрузок не будет увеличивать полосу пропускания фазовращателя, т.е. полоса пропускания фазовращателя полностью зависит от полосы пропускания ортогонального ответвителя. Стандартная индуктивно-емкостная последовательная параллельная нагрузка имеет недостатки большого размера и высоких потерь с одной стороны, а с другой стороны ее индуктивность и емкость сложно выбрать, либо она ограничивает рабочую полосу частот фазовращателя.

Как показано на фиг. 1, первая и вторая линии передачи в сверхширокополосном фиксированном фазовращателе соответственно соединены с входным концом С и изолированным концом D ортогонального ответвителя. Основные эффекты первой и второй линий передачи включают: 1) взаимодействие для выбора емкости емкостной нагрузки и корректирование фаз входного и выходного концов фазовращателя вместе; и 2) линии передачи могут сокращать расстояния между входными концами (или выходными концами) множества цепей блока сдвига фаз в микросхеме, поэтому входной конец (или выходной конец) фазовращателя более компакте и удобен для соединения при фактическом использовании.

По завершении проектирования и выбора ортогонального ответвителя по настоящему изобретению, емкость емкостной нагрузки в каждой цепи блока сдвига фаз и электрическая длина линии передачи могут быть выбраны в зависимости от фактических требований. Четыре блока сдвига фаз, представленные в варианте осуществления 2 выше, приняты в качестве примеров для пояснения, причем все линии передачи в цепях блока сдвига фаз реализованы с помощью микрополосковых линий 50 Ом, а оба характеристических сопротивления первой и второй линии передачи составляют 50 Ом. Емкостные нагрузки в цепях блока сдвига фаз реализованы с помощью конденсаторов с монолитной интегральной СВЧ-схемой. Как правило, параметры в эталонной цепи 1 блока сдвига фаз определяются первыми. Предпочтительно, чтобы упростить проектирование, параметры выбираются симметрично, т.е. электрические длины первой и второй линий передачи в эталонной цепи 1 могут быть выбраны дополнительно и оставлены. Необходимо принять во внимание следующие аспекты при выборе емкости: 1) емкость эталонной цепи относительно меньше; и 2) меньшая емкость приведет к возникновению большего отклонения опорной фазы в эталонной цепи из-за влияния текущих погрешностей. В случае соблюдения двух вышеуказанных условий емкость емкостной нагрузки эталонной цепи 1 можно выбрать дополнительно. Впоследствии определяются параметры в неэталонной цепи N блока сдвига фаз; фазу между блоком сдвига фаз неэталонной цепи и блоком сдвига фаз эталонной цепи получают путем увеличения емкости и электрической длины, а оптимальное значение должно быть смоделировано и оптимизировано.

В фактическом измерении, когда применяется сверхширокополосный ортогональный ответвитель, характеристики сверхширокополосного фиксированного фазовращателя, основанного на емкостной нагрузке по настоящему изобретению, в требуемом рабочем диапазоне частот 6-18 ГГц, представлены на фиг. 4-7. Как показано на фиг. 4, четыре сверхширокополосных фиксированных фазовращателя, представленные в варианте осуществления 2 выше, могут обеспечивать три состояния сдвига фаз, которые составляют 20, 40 и 60 градусов соответственно. Как показано на фиг. 5, погрешность сдвига фаз в полосе частот сверхширокополосного фиксированного фазовращателя меньше, а его точность выше. Как показано на фиг. 6, вносимые потери четырех блоков сдвига фаз в полосе частот 6-18 ГГц составляют менее 3,5 дБ, что меньше потерь цифрового фазовращателя. Как показано на фиг. 7, характеристика обратных потерь сверхширокополосного фиксированного фазовращателя превосходна.

В настоящем изобретении, разные состояния сдвига фаз могут быть получены путем изменения электрической длины линий передачи и емкости конденсатора нагрузки; следовательно, настоящее изобретение удобно в проектировании, имеет отличные характеристики сдвига фаз, а также позволяет достичь полной согласованности амплитуд. Более того, для упрощения проектирования в N блоках сдвига фаз могут применяться полностью идентичные конструкции. Также, сверхширокополосный ортогональный ответвитель, каскадируемый спиральными индукторами связи по настоящему изобретению, применяется в цепи блока сдвига фаз, что позволяет эффективно поддерживать равномерность фаз в полосе пропускания ортогонального ответвителя и получать более высокие характеристики сверхширокополосного сдвига фаз, а также имеет преимущества миниатюризации, низких вносимых потерь и высокой развязки. Кроме того, будучи отличной от стандартного фазовращателя с числовым управлением, данная конструкция не требует наличия дополнительного источника питания и логических цепей, и хорошо подходит для изменения фаз при отладке, создавая многоканальные системы в больших масштабах. В то же время, фиксированный фазовращатель также может выступать в качестве стандартной цифровой фазосдвигающей цепи при согласовании с соответствующими однополюсными переключателями на N направлений на входе и выходе соответственно, и имеет преимущества простой конструкции, точного сдвига фаз и высокой дополнительной согласованности амплитуд.

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.

В настоящем изобретении раскрыт сверхширокополосный фиксированный фазовращатель, основанный на емкостной нагрузке, который включает N физически разделенных блоков сдвига фаз, и каждый блок сдвига фаз включает ортогональный ответвитель, первую и вторую линии передачи, первую и вторую емкостные нагрузки, причем ортогональный ответвитель включает входной конец, соединительный конец, конец прямого подключения и изолированный конец, один конец первой линии передачи служит в качестве сигнального входного конца блока сдвига фаз, а другой конец соединен с входным концом ортогонального ответвителя, один конец второй линии передачи служит в качестве сигнального выходного конца блока сдвига фаз, а другой конец соединен с изолированным концом ортогонального ответвителя; один конец первой емкостной нагрузки соединен с соединительным концом ортогонального ответвителя, а другой конец заземлен; один конец второй емкостной нагрузки соединен с концом прямого подключения ортогонального ответвителя, а другой конец заземлен. Сверхширокополосный фиксированный фазовращатель, основанный на емкостной нагрузке, имеет компактную конструкцию, занимает мало места и предусматривает низкие вносимые потери, не требует дополнительного источника питания и устройства логического управления и может широко применяться в различных сферах. 7 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Сверхширокополосный фиксированный фазовращатель, основанный на емкостной нагрузке, включающий:

N физически разделенных блоков сдвига фаз, причем состояния сдвига фаз (N-1) создаются путем доступа к сигнальным входным концам и сигнальным выходным концам разных блоков сдвига фаз, отличающийся тем, что:

каждый блок сдвига фаз включает ортогональный ответвитель, первую и вторую линии передачи, первую и вторую емкостные нагрузки, причем ортогональный ответвитель включает входной конец, соединительный конец, конец прямого подключения и изолированный конец, один конец первой линии передачи служит в качестве сигнального входного конца блока сдвига фаз, а другой конец соединен с входным концом ортогонального ответвителя, один конец второй линии передачи служит в качестве сигнального выходного конца блока сдвига фаз, а другой конец соединен с изолированным концом ортогонального ответвителя; один конец первой емкостной нагрузки соединен с соединительным концом ортогонального ответвителя, а другой конец заземлен; один конец второй емкостной нагрузки соединен с концом прямого подключения ортогонального ответвителя, а другой конец заземлен.

2. Фазовращатель по п. 1, отличающийся тем, что первая и вторая емкостные нагрузки, соответственно соединенные с соединительным концом и концом прямого подключения ортогонального ответвителя в каждом блоке сдвига фаз, являются элементами с чистой емкостью.

3. Фазовращатель по п. 1, отличающийся тем, что характеристическое сопротивление первой и второй линий передачи, соответственно соединенных с входным концом и изолированным концом ортогонального ответвителя, составляет 50 Ом.

4. Фазовращатель по п. 1, отличающийся тем, что ортогональные ответвители, применяющиеся в N блоках сдвига фаз, полностью идентичны.

5. Фазовращатель по п. 1, отличающийся тем, что ортогональный ответвитель является сверхширокополосным ортогональным ответвителем, каскадируемым блоками связи спиральных индукторов; каждая ступень блока связи спиральных индукторов включает два соединенных друг с другом спиральных индуктора; две смежные ступени блоков связи спиральных индукторов соответственно последовательно соединены с одним из двух спиральных индукторов на последующей ступени блока связи спиральных индукторов посредством двух спиральных индукторов на предыдущей ступени блока связи спиральных индукторов, чтобы создать каскад предыдущей-последующей ступеней;

один конец одного спирального индуктора, каскадируемый на первой ступени блока связи спиральных индукторов в ортогональном ответвителе и находящийся снаружи, является соединительным концом ортогонального ответвителя, а один конец другого спирального индуктора, находящийся снаружи, является входным концом ортогонального ответвителя; один конец одного спирального индуктора, каскадируемый на последней ступени блока связи спиральных индукторов в ортогональном ответвителе и находящийся снаружи, является концом прямого подключения ортогонального ответвителя, а один конец другого спирального индуктора, находящийся снаружи, является изолированным концом ортогонального ответвителя; и

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

6. Фазовращатель по п. 5, отличающийся тем, что блоки связи спиральных индукторов соединены друг с другом путем размещения двух спиральных индукторов на одном слое металла и с помощью граничной связи либо блоки связи спиральных индукторов соединены друг с другом путем размещения двух спиральных индукторов на разных слоях металла, с помощью граничной связи и связи между верхним и нижним слоями.

7. Фазовращатель по п. 5, отличающийся тем, что шунтирующий конденсатор шунтируется между портами двух 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. 5, отличающийся тем, что структура цепи ортогонального ответвителя имеет двухстороннюю и продольную симметрию, а все элементы являются сосредоточенными элементами.