Фазовращатель Советский патент 1993 года по МПК H01P1/18 

ел

с

Изобретение относится к радиоэлектронике СВЧ и может быть использовано для регулировки фазового сдвига в приемопередающей аппаратуре. Цель изобретения - увеличение проходящей мощности. Фазов- ращатель содержит входной и выходной отрезки полосковой линии на диэлектрической подложке, между которыми через последовательно-параллельно соединенные первый, второй, пятый и шестой pin-диоды включен первый отрезок, а через последовательно-параллельно соединенные третий, четвертый, седьмой и восьмой pin-диоды - второй отрезок. Вдоль продольных осей первого и второго отрезков выполнены щели, делающие половины первого и второго отрезков изолированными. На первом и втором отрезках размещен диэлектрический слой и вдоль продольных осей периодически установлены четвертьволновые отрезки. Параллельное включение pin-диодов между отрезками повышает, проходящую мощность. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано в фазированных антенных решетках, измерительной технике.

Известен полосковый фазовращатель. содержащий полосковую линию передачи, параллельно участку которой подключен коммутируемый отрезок линии передачи, у каждой точки подключения которого установлены полупроводниковые диоды, коммутируемый отрезок выполнен в виде щели в металлизированном основании, пересекающей полосковую линию передачи в каждой точке подключения, где противоположные края щели соединены между собой одним из

двух диодов, а другой подключен между краем щели и участком полосковой линии передачи.

Основным недостатком указанного фа- зовращателя является то, что он рассчитан на низкий уроёень передаваемой мощности. Мощность ограничивается как диодами, включенными между краем щели и участком полосковой линии, так и самой ще- левой линией.

Наиболее близким по технической сущности является фазовращатель на переключаемых отрезках передающих линий. образующих короткий и длинный каналы передачи СВЧ энергии и коммутирующие диоVJсо

00

ел со VI

ды, включенные последовательно между входом устройства и входными концами передающих линий, выходом устройства и выходными концами передающих пиний.

Основным недостатком этого фазовра- щателя является то, что в каждом канале передачи СВЧ энергии стоит последовательно включенный коммутирующий диод, через который проходит, если данный диод открыт, сигнал мощности, равный мощности входного сигнала. Часть мощности рассеивается на коммутирующих диодах, причем именно эта, рассеиваемая на диодах мощность, является ограничивающей пропускаемую через фазовращатель мощность. Диоды в режиме, когда о ни включены последовательно, имеют максимальную нагрузку, поэтому при повышенной передаваемой мощности их надежность уменьшается, катастрофический же отказ одного диода влечет за собой резкое возрастание коэффициента стоячей волны по входу и выходу, а также внутренние рассогласования, что в реальных условиях эксплуатации также влияет на уменьшение передаваемой мощности в рабочем режиме.

Целью изобретения.является увеличение передаваемой мощности при сохранении широкополосности. ;

Указанная цель достигается тем, что в полосковом дискретном фазовращателе СВЧ, содержащем отрезки входной и выходной полосковых линий, отрезки передающих линий на диэлектрической подложке, образующих короткий и длинный каналы передачи СВЧ сигнала, основные коммутирующие диоды и коммутирующие диоды, со- единенные с балластными нагрузками, отрезки передающих линий короткого и длинного каналов разделены на две изолированные части продольным сплошным зазором, введены дополнительные коммутирующие диоды и дополнительные отрезки линий, перекрывающие сверху симметрично обе части отрезков передающих линий обеих каналов и отделенные от частей отрезков передающих линий слоем пленочного диэлектрика, дополнительные отрезки линий разделены на секции поперечными зазорами, длина каждой секции не превышает Я /4 на верхней частоте, рабочего диапазона, основные и дополнительные коммутирующие диоды соединены попарно одноименными полюсами с концами отрезков входной и выходной полосковых линий и другими полюсами соединены с частями отрезков передающих линий так, что пары основных и дополнительных коммутирующих диодов короткого канала включены по- следовательно-параллельно, а пары

основных и дополнительных коммутирующих диодов длинного канала включены также последовательно-параллельно по отношению к друг другу и встречно по отношению к парам диодов короткого канала, секции дополнительных отрезков линий, примыкающие ко входу и выходу отрезков передающих линий длинного канала соединены через коммутирующие диоды с балластными нагрузками.

Известно применение трехпроводных связанных линий, образованных двумя пла- нарными полосками равной ширины и третьей полоской, перекрывающей первые

две Для увеличения связи между линиями длиной А /4 в направленных ответвителях. Введение дополнительной полоски приводит к увеличению связи между линиями и выравниванию фазовых скоростей нормальных волн, что позволяет повысить развязку между диагональными плечами направленного ответвителя и выполнить его как 3 дБ.

Новыми признаками заявляемого устройства являются:, разделение отрезков передающих линий короткого и длинного каналов на две изолированные части про- .Дольным сплошным.зазором, перекрытие частей дополнительными отрезками линий,

отделенных от частей передающих линий пленочным диэлектриком, дополнительные

отрезки линий разделены на секции поперечными прорезями, длина каждой секции не превышает Я/4 на верхней частоте рабо- чего диапазона, основные и дополнительные коммутирующие диоды соединены попарно одноименными полюсами с конца-,

ми отрезков входной и выходной полосковых линий и другими полюсами соединены

с частями отрезков передающих линий так, что пары основных и дополнительных коммутирующих диодов, короткого и длинного каналов включены последовательно-параллельно по отношению друг к другу и встречно по отношению к каналам, секции дополнительных отрезков линий, примыкающие ко входу и выходу длинного канала соединены через коммутирующие диоды с балластными нагрузками.

Наличие секционированных дополнительных отрезков линий, электромагнитно связанных с образовавшимися частями отрезков передающих линий при использованной схеме включения коммутирующих

диодов обеспечивает увеличение передаваемой, мощности при сохранении согласова- нйя за счет равного деления пропускаемой мощности через коммутирующие диоды, объединенные в пары НСПОДСТРИП гзльвзии

ческой развязки частей передающих линий каждого канала и одновременно сильной электромагнитной связи по СВЧ частей передающих линий.

На фиг.1 показана конструкция дискретного полоскового фазовращателя СВЧ, вид сверху; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.

Дискретный полосковый фазовраща- тель СВЧ содержит отрезки входной и выходной полосковых линий 1, 2, отрезки передающих линий длинного и короткого каналов 3, А и 5, б, разделенные на две изолированные части продольным сплошным зазором 7, дополнительные отрезки линий 8-16 и 17-18. перекрывающие сверху симметрично обе части отрезков передающих линий 3, 4 и 5, б обеих каналов и отделенные от частей отрезков 3, 4, 5, 6 слоем пленочного диэлектрика 19 (фиг.2). Дополнительные отрезки линий 8-16, 17-18 разделены на секции 8. 9, 10. 11.12, 13.14, 15, 16 и 17, 18 поперечными прорезями, длина каждой секции не превышает А/4 на верхней частоте рабочего диапазона. Основные коммутирующие диоды 20, 23, 25, 26 и дополнительные коммутирующие диоды 21, 22, 24, 27; соединенные попарно одноименными полюсами с концами отрезков входной и выходной 1, 2 полосковых линий и другими полюсами - с частями отрезков передающих линий 3, 4, 5, 6. Коммутирующие диоды 20, 21, 22, 23 включены последовательно-параллельно по отношению к друг другу, коммутирующие диоды 24, 25, 26, 27 также последовательно-параллельно друг другу и встречно диодам 20, 21, 22, 23. Коммутирующие диоды 28, 29 соединяют секции 8, 16 и балластные нагрузки 30, 31. Проводники 1-6 нанесены на диэлектрическую подложку 32.

Дискретный фазовращатель СВЧ работает следующим образом.

Входной сигнал распространяется либо по короткому, либо по длинному каналу переключением состояний пар диодов 20, 21 и т.д. Если диоды 20, 21, 22, 23 открыты, а диоды 24, 25, 26, 27 закрыты, тогда сигнал распространяется по длинному каналу, а если состояние диодов противоположное- по короткому. В устройстве пары диодов, образованные основными коммутирующими диодамии дополнительными коммутирующими диодами по постоянному току изолированы друг от друга, т.е. диод 20 гальванически развязан с диодом 21, диод 22 гальванически развязан с диодом 23 и т.д. благодаря выполнению сплошного зазора, делящего отрезки передающих линий на две части 3 и 4, 5 и 6. За счет разной физической длины частей передающих линий 3 и 4, 5 и б при их подключении к входной и выходной полосковым линиям потенциально возникают резонансные биения как за счет разности электрических длин 5 частей, так и за счет их распределенной электромагнитной связи и возникающего при этом обмена энергией между линиями. Введенные дополнительные Отрезки линий , 8-16 и 17-18 имеют сильную электромагнит0 ную связь с частями передающих линий (ко- эффициент емкостной связи 0.). Введение дополнительных коммутирующих диодов 21...22 с одновременным введением продольного зазора создает особый режим

5 возбуждения частей отрезков передающих линий и дополнительных отрезков линий: он соответствует синфазному типу как по току, так и по напряжению в частях отрезков передающих линий, синфазному типу по на0 пряжению (по отношению к частям отрезков передающих линий) в дополнительных отрезках линий. По току благодаря делению дополнительных отрезков на секции с длин от на верхней частоте создаются усло5 вия для равнозначного существования синфазных и противофазных типов колебаний, т.к. на концах секций нулевые граничные условия для токов. В результате такой складывающейся картины колебаний в системе

0 трех связанных проводников гальваническая развязка дополнительных коммутйру1 ющих диодов с основными коммутирующими диодами позволяет разделить проходящую мощность, например,

5 между диодами 20 и 21 в пропорции, близкой к отношению их дифференциальных сопротивлений, т.е. приблизительно поровну. Постоянный ток прямого смещения через диоды 20, 21, 22, 23 выравнивается за счет

0 последовательно-параллельного их включения. Это также способствует выравниванию сопротивлений диодов 20.21.22, 23 в состо янии, когда они открыты. Поскольку мощность СВЧ сигнала в широком диапазоне

5 частот между коммутирующими диодами 20 и 21, 22 и 23 делится примерно поровну и в линиях 3, 4 отсутствуют резонансные колебания, суммарная передаваемая мощность увеличивается почти в 2 раза по сравнению

0 с обычно применяемой конструкцией фа- зовращателей на переключаемых отрезках линий. При подключении короткого канала, т.е. когда основные и дополнительные коммутирующие диоды 20,...,23 закрыты, в

5 длинном канале из-за наличия емкости у диодов 20...23 возникают резонансные колебания. Включение коммутирующих диодов между секциями дополнительных проводников 8 и 16 и балластными нагрузками 30, 31 приводит к укорочению длины

вступающей в резонанс системы проводников, образованной частями отрезков передающих линий и секциями дополнительного проводника 9-15. одновременно к внесению потерь в нее. В результате та часть мощности, которая просачивается в отключенный длинный канал, гасится в образовавшейся квазираспределенной системе секция-диод-балластная нагрузка, гальванически развязанной с основной передающей линией. Все это вместе взятое позволяет независимо друг от друга подпирать диоды закрытого канала и диоды, выключающие балластные нагрузки, повышенным напряжением для того, чтобы закрытые диоды не открывались СВЧ напряжением и не ограничивали вследствие этого передаваемую мощность. Зазор междулиниями 3,4 и 5,6 берется минимальный, исходя из технологических ограничений. В силу того, что по указанным причинам (наличие дополнительных отрезков линий 8-16, 17-18) св язь между линиями 3,4 и 5, 6 сильная, критичность выбора зазора между линиями 3, 4 и 5, 6 отсутствует. Данный зазор влияет лишь на общую ширину линий ( ширина линии 3 плюс зазор, плюс ширина линии 4), которая выбирается обычным образом исходя из того, что тракт короткого и длинного каналов должен быть согласован с входной и выходной линиями 1,2. Величина поперечных зазоров, разделяющих дополнительные отрезки линий на секции, составляет для микрополосковой конструкции примерно половину ширины этих линий (при толщине подложки из поликора мм это 0,5 мм). Выбор этого зазора обусловлен наличием торцевой емкостной связи между образующимися секциями, которая для микрополосковой конструкции при зазоре 0,5 мм сильно ослабевает в сравнении с взаимной емкостью полосок 8-16 с линиями 3. 4 и полосок 17, 18 с линиями 5, 6. Длина секций, ограниченная Я /4 на верхней частоте диапазона исключает резонансные явления в системе трех проводников, например, части линий 3 и 4, перекрытых дополнительным проводником 8. В данной трехпррводной (трехполосковой) системе образуется три типа нормальных волн, каждая из которых имеет свою постоянную распространения. Однако за счет того, что длина секции ограничена Я/4, связанные волны образуются как преимущественно нормальные волны синфазного типа (синфазное возбуждение линий 3 и 4). Это условие сохраняется вплоть до частот, когда фазовый набег в секции не превышает 90 град: выше по частоте, во-первых, в секции

начинается перекачка энергии синфазных волн в волны противофазные, что влечет за собой появление дисперсии, а, во-вторых, появление перекачки энергии влечет

за собой изменение входного сопротивления, т.е. наступает состояние, соответствующее появлению фильтрующих свойств у секции. То и другое исключается ограничением длины секций Я/4.

Для проверки работоспособности предлагаемого устройства был изготовлен макет двухразрядного фазовращателя. на диапазон частот 1,5-3 ГГц. Фазовращатель выполнен на материале Флан-10 толщиной 1 мм с

использованием коммутирующих диодов типа 2А536 А-5 (см. акт испытаний). В указанной полосе частот полосковый дискретный фазовращатель СВЧ имел потери не хуже 3 дБ при переключаемом фазовом

сдвиге на частоте ,55 ГГц на два разряда А упрКЗбО град, добротность фазовращателя не хуже 120 град/дБ. Проведенная оценка передаваемой мощности показывает, что при идентичных коммутирующих диодах в

сравнении с прототипом на переключаемых отрезках линий происходит ее увеличение в 1,7-2 раза (см. акт испытаний).

Таким образом, заявляемый полосковый дискретный фазовращатель обеспечивает увеличение передаваемой мощности при сохранении щирокополосности.

Формула изобретения Фазовращатель, содержащий диэлектрическую подложку, металлизированную с оборотной стороны, на лицевой стороне которой размещены входной, выходной, пер- вый и второй отрезки полосковых линий, первый, второй, третий и четвертый pin-диоды, первый и второй pin-диоды включены однополярно между входным отрезком, первым отрезком и выходным отрезком полосковой линии соответственно, отличающийся тем, что, с целью увеличения

проходящей мощности, дополнительно введены пятый, шестой, седьмой и восьмой pin- диоды, диэлектрический спой и четвертьволновые отрезки, при этом третий и четвертый pin-диоды включены однополярно между входным отрезком, вторым отрезком и выходным отрезком полосковой линии соответственно согласно с первым и вторым pin-диодами, пятый, шестой, седьмой и восьмой pin-диоды включены параллельно первому, второму, третьему и четвертому pin-диодам соответственно и симметрично им относительно продольных осей первого и второго отрезков полосковой линии, вдоль которых выполнены щели, диэлектрический слой размещен на первом ирого отрезков полосковой линии периодиче- втором отрезках полосковой линии, на кото-ски установлены четвертьволновые отрез- ром вдоль продольных осей первого и вто-ки.

Фиг. I