МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ФИКСИРОВАННЫЙ СВЧ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ Российский патент 2023 года по МПК H01P1/185 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к устройствам фазового смещения радиосигналов, и может быть использовано при создании широкополосной радиоэлектронной аппаратуры.

Известен фазовращатель со структурой электрической цепи фазосдвигающего канала в виде полуволнового отрезка линии передачи с волновым сопротивлением Z, нагруженного разомкнутым и короткозамкнутым шлейфами длиной λ_ср/8 (где λ_ср - длина волны в линии передачи на центральной частоте рабочего диапазона) и волновым сопротивлением Z_stub.

К достоинствам этой структуры можно отнести простоту изготовления, а к недостаткам - значительное отклонение фазочастотной характеристики от номинала (Microwave& RF. - 1979. - № 12. - р. 167-168).

Известны также структуры фазосдвигающего канала фиксированных фазовращателей на основе одиночных полуволновых линий передачи с четвертьволновыми шлейфами в виде Т- и П-образных соединений (Радиотехника и электроника. - 1988. - Т.33. - в.1. - С. 63-69).

Величина отклонения фазочастотной характеристики от номинала фазовращателей с такими фазосдвигающими каналами (ФК) снижена по сравнению с предыдущим решением, однако при этом значительно возросло значение коэффициента стоячей волны по напряжению плеч фазосдвигающего канала, что является главным недостатком этих структур.

Другим известным фиксированным фазовращателем является структура с ФК на основе ступенчатой одиночной линии передачи класса I, представляющая собой симметричное каскадное соединение нечетного числа отрезков линий передачи, к центральному отрезку которого параллельно подключен однородный четвертьволновый короткозамкнутый шлейф. Длина центрального отрезка линии передачи равна λ_ср/2, длины всех остальных равны λ_ср/4. Волновые сопротивления подводящих линий Z₀ и отрезков линий передачи Z₁, Z₂, Z_(n+1)/2 связаны соотношением: Z₀>Z₁>Z₂>…>Z_(n+1)/2. Такая структура обеспечивает номинальный фазовый сдвиг 22,5≤ϕ₀≤135 в полосе частот шириной до полутора октав (патент РФ на полезную модель №31690, МПК Н01Р 1/18, опубл. 20.08.2003).

К недостаткам данного фиксированного фазовращателя относятся значительные габаритные размеры.

Наиболее близким к предлагаемому решению является фиксированный СВЧ фазовращатель, содержащий фазосдвигающий канал, компенсирующую линию (опорный канал) и подводящие линии передачи. Структура электрической цепи фазосдвигающего канала выполнена на основе симметричной одиночной ступенчатой линии передачи класса II, нагруженной четвертьволновым однородным короткозамкнутым шлейфом. Одиночная линия передачи класса II выполнена в виде каскадного включения нечетного числа чередующихся отрезков однородных линий передачи с волновыми сопротивлениями Z и Z₀, расположенных симметрично относительно центрального отрезка с сопротивлением Z. Длины отрезков и шлейфа выбраны из соотношений: l₁<l₃<…<l_2n-1; l₂>l₄>…>l_2n-2, l_2n-1>l_ш, где l₁, l₃, …, l_2n-1 - длины отрезков линии передачи с волновым сопротивлением Z, при этом l_2n-1 - длина центрального отрезка, l₂, l₄, …, l_2n-2 - длины отрезков линии передачи с волновым сопротивлением Z₀, l_ш - длина шлейфа. (Патент РФ на полезную модель №34036, МПК H01P 1/18, опубл. 20.11.2003).

Однако следует отметить значительные габариты и недостаточно точное обеспечение постоянного сдвига фаз в широкой полосе частот

Технической проблемой настоящего изобретения является устранение недостатков перечисленных конструкций фиксированных фазовращателей с фазосдвигающим каналом на основе одиночной линии передачи.

Техническим результатом изобретения является более точное обеспечение постоянного сдвига фаз в широкой полосе частот при снижении максимального значения коэффициента стоячей волны по напряжению входа фазосдвигающего канала при уменьшении габаритных размеров.

Технический результат достигается тем, что в микрополосковом фиксированном СВЧ фазовращателе, включающем опорный канал в виде отрезка одиночной однородной линии передачи и фазосдвигающий канал в виде одиночной ступенчато-неоднородной линии из нечетного числа чередующихся отрезков однородных линий передачи с короткозамкнутым шлейфом, включенным в центре линии и подводящие линии, согласно решению, длины отрезков линий передачи, образующих фазосдвигающий канал, имеют различную длину, отличную от λ_ср/2, количество отрезков фазосдвигающего канала равно трем, короткозамкнутый шлейф, образован каскадным соединением трех отрезков однородной линии передачи с разными волновыми сопротивлениями, при этом волновые сопротивления отрезков удовлетворяют соотношениям:

Z₁<Z₀, Z₁<Z₂, Z₀≈Z₂, Z₃<Z₄<Z₅; или

Z₀>Z₁>Z₂, Z₃>Z₄, Z₃ = Z₅, где

Z₀ - волновое сопротивление подводящих линий передачи;

Z₁, Z₂ - волновое сопротивление отрезков линий передачи, образующих ФК;

Z₃, Z₄, Z₅ - волновое сопротивление отрезков линий передачи, образующих короткозамкнутый шлейф;

λ_ср - длина волны в линии передачи на центральной частоте рабочего диапазона.

Предлагаемое изобретение поясняется иллюстрациями: на фиг. 1 приведена структура заявляемого устройства; на фиг. 2 - схематическая модель трехступенчатого микрополоскового фиксированного СВЧ фазовращателя в приближении Т-волн, на фиг. 3 - фазочастотные характеристики устройства, на фиг. 4 - зависимость КСВН от частоты, на фиг. 5, 6 - варианты изготовления СВЧ фазовращателей при различных закономерностях распределения волновых сопротивлений отрезков линий передачи.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - опорный канал (ОК);

2 - фазосдвигающий канал (ФК);

3 - одиночная ступенчатая линия передачи (ЛП);

4 - короткозамкнутый ступенчатый шлейф;

5 - подводящие ЛП;

P1 - входной порт ОК;

P2 - выходной порт ОК;

P3 - входной порт ФК;

P4 - выходной порт ФК;

Z₀ - волновое сопротивление подводящих ЛП;

Z₁, Z₂ - волновое сопротивление отрезков ЛП, образующих ФК;

Z₃, Z₄,Z₅ - волновое сопротивление отрезков ЛП, образующих короткозамкнутый шлейф;

θ₀ - электрическая длина отрезков подводящих ЛП;

θ_ОК - электрическая длина ОК;

θ₁, θ₂ - электрические длины отрезков ЛП, образующих ФК;

θ₃, θ₄, θ₅ - электрические длины отрезков ЛП, образующих короткозамкнутый шлейф.

В микрополосковом фиксированном СВЧ фазовращателе опорный канал 1 выполнен в виде отрезка одиночной однородной линии передачи, а фазосдвигающий канал 2 реализован на основе симметричной ступенчатой одиночной линии передачи 3, нагруженной короткозамкнутым ступенчатым шлейфом 4, при этом длины отрезков линий передачи, образующих фазосдвигающий канал, имеют различную длину, отличную от λ_ср/2, где λ_ср - длина волны на центральной частоте рабочего диапазона. Оптимальными являются следующие закономерности распределения волновых сопротивлений отрезков линий передачи фазосдвигающего канала: Z₁<Z₀, Z₁<Z₂, Z₀≈Z₂, Z₃<Z₄<Z₅, пунктирная линия - в случае Z₀>Z₁>Z₂, Z₃>Z₄, Z₃ = Z₅. Закономерности распределения электрических длин θ₁, θ₂ , θ₃, θ₄, θ₅ отрезков ЛП, входящих в состав ФК, и длины опорного канала θ_ОК зависят от значения номинального фазового сдвига.

Микрополосковый фиксированный СВЧ фазовращатель работает следующим образом. Синфазные электромагнитные волны равной амплитуды поступают по подводящим линиям 5 на вход опорного канала P1 и на вход фазосдвигающего канала P3 и за счет оптимально выбранных электрических длин и волновых сопротивлений отрезков ступенчатой линии передачи и шлейфа, а также длины опорного канала на выходных портах P2, P4 фиксированного фазовращателя возникают электромагнитные волны, имеющие номинальный фазовый сдвиг относительно друг друга, равный заданному значению. Уровень КСВН портов фазосдвигающего канала не превышает 1,2 в октавной полосе частот.

Фазочастотная характеристика фиксированного фазовращателя и частотная зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) плеч его фазосдвигающего канала в октавной полосе частот для номинального фазового сдвига ϕ₀=45° в приближении Т-волн представлены соответственно на фиг. 3 и фиг. 4, где сплошная линия - случай Z₁<Z₀, Z₁<Z₂, Z₀≈Z₂, Z₃<Z₄<Z₅, пунктирная линия - случай Z₀>Z₁>Z₂, Z₃>Z₄, Z₃ = Z₅.

Электрические длины отрезков ЛП зависят от номинального значения фазового сдвига ϕ₀. На фиг. 5 и 6 приведены варианты реализации ФК для номинального значения фазового сдвига ϕ₀ = 45°. Электрические длины отрезков ЛП в этом случае удовлетворяют соотношениям:

θ₁<θ₂, θ₃<θ₄, θ₄≈θ₅,

или θ₁<θ₂, θ₃≈θ₄≈θ₅, где

θ₁, θ₂ - электрические длины отрезков ЛП, образующих ФК;

θ₃, θ₄, θ₅ - электрические длины отрезков ЛП, образующих короткозамкнутый шлейф.

Благодаря выявленной закономерности распределения электрических длин и волновых сопротивлений отрезков линии передачи фазосдвигающего канала предлагаемая структура фиксированного фазовращателя по сравнению с прототипом в рабочей полосе частот одной и той же ширины имеет меньшие габаритные размеры при сопоставимых значениях частотных характеристик.

Для подтверждения полученных результатов изготовлены и экспериментально исследованы микрополосковые фиксированные фазовращатели для номинального значения фазового сдвига ϕ₀=45° и коэффициента перекрытия рабочего диапазона частот , значения волновых сопротивлений отрезков линий передачи которых удовлетворяют соотношениям Z₁<Z₀, Z₁<Z₂, Z₀≈Z₂, Z₃<Z₄<Z₅ (Фиг. 5) и Z₀>Z₁>Z₂, Z₃>Z₄, Z₃ = Z₅ (Фиг. 6). Измеренное максимальное значение КСВН фазосдвигающих каналов составляет 1,17, отклонение ФЧХ от номинального значения фазового сдвига не превышает 1,16°.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к фазовращателям. Микрополосковый фиксированный СВЧ фазовращатель состоит из опорного (ОК) и фазосдвигающего (ФК) каналов. Фазосдвигающий канал образован каскадным соединением трёх отрезков однородной одиночной микрополосковой линии передачи с различными длинами и волновыми сопротивлениями. К центральному отрезку ФК параллельно подключен короткозамкнутый шлейф, образованный каскадным соединением трех отрезков однородной линии передачи с различными длинами и волновыми сопротивлениями. При этом волновые сопротивления отрезков удовлетворяют соотношениям: Z₁<Z₀, Z₁<Z₂, Z₀≈Z₂, Z₃<Z₄<Z₅; или Z₀>Z₁>Z₂, Z₃>Z₄, Z₃ = Z₅. Технический результат - создание широкополосного микрополоскового фиксированного СВЧ фазовращателя, обладающего малыми габаритными размерами при улучшенных частотных характеристиках. 6 ил.

Микрополосковый фиксированный СВЧ фазовращатель, включающий опорный канал в виде отрезка одиночной однородной линии передачи и фазосдвигающий канал в виде одиночной ступенчато-неоднородной линии из нечетного числа чередующихся отрезков однородных линий передачи с короткозамкнутым шлейфом, включенным в центре линии и подводящие линии, отличающийся тем, что длины отрезков линий передачи, образующих фазосдвигающий канал, имеют различную длину, отличную от , количество отрезков фазосдвигающего канала равно трем, короткозамкнутый шлейф образован каскадным соединением трех отрезков однородной линии передачи с разными волновыми сопротивлениями, при этом волновые сопротивления отрезков удовлетворяют соотношениям:

Z₁<Z₀, Z₁<Z₂, Z₀≈Z₂, Z₃<Z₄<Z₅; или Z₀>Z₁>Z₂, Z₃>Z₄, Z₃ = Z₅, где

Z₀ – волновое сопротивление подводящих линий передачи;

Z₁, Z₂ – волновое сопротивление отрезков линий передачи, образующих ФК;

Z₃, Z₄, Z₅ – волновое сопротивление отрезков линий передачи, образующих короткозамкнутый шлейф;

– длина волны в линии передачи на центральной частоте рабочего диапазона.