ФИКСИРОВАННЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СВЧ

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к устройствам на основе линий передачи с Т-волнами, обеспечивающим постоянный фазовый сдвиг между сигналом на выходе опорного канала (ОК) и сигналом на выходе фазосдвигающего канала (ФК)в широкой полосе частот, и может быть использовано в качестве базового элемента при создании различных устройств СВЧ.

Известен фиксированный фазовращатель (ФФ) СВЧ (Мещанов В.П., Метельникова И.В., Фокеев Л.Г. Оптимальный синтез ступенчатых фазовращателей II класса // РЭ. 1983. Т.28, №12. С.2341-2346), содержащий опорный канал и фазосдвигающий канал, при этом ОК выполнен в виде отрезка одиночной однородной линии передачи (ЛП), а ФК представляет собой связанные ступенчатые ЛП класса II (Мещанов В.П., Фельдштейн А.Л. Автоматизированное проектирование направленных ответвителей СВЧ. М.: Связь, 1980, 144 с.), у которых выходные плечи последнего отрезка связанных ЛП непосредственно соединены между собой. Как известно, связанные ступенчатые ЛП класса II образуются каскадным включением нечётного числа чередующихся отрезков однородных распределенно-связанных и несвязанных ЛП с различными электрическими длинами. Отрезки связанных ЛП имеют одинаковые коэффициенты связи, условия идеальной направленности и согласования предполагаются для них выполненными. Волновые сопротивления несвязанных ЛП полагаются равными волновому сопротивлению подводящих ЛП. Таким образом, фазосдвигающий канал в известном техническом решении теоретически является идеально согласованным.

Недостатком известного технического решения является достаточно большая величина максимального отклонения Δφ функции фазового сдвига от номинального значения φ₀. Кроме того, известное техническое решение характеризуется большой величиной коэффициента связи. Совокупность данных факторов не позволяет обеспечить высокую эффективность, компактность и технологичность устройства.

Известен фиксированный фазовращатель (Алексеев В.В., Мещанов В.В., Семенчук В.В., Шикова Л.В. Сверхширокополосные фиксированные фазовращатели на ступенчатых связанных линиях передачи со шлейфом//Радиотехника, 2015. №7. С. 26-30), содержащий ОК и ФК, при этом в качестве ФК использованы ступенчатые связанные ЛП класса I со шлейфом. Электрические длины отрезков связанных ЛП и шлейфа в них одинаковы и на центральной частоте равны 90°.

Благодаря использованию шлейфа в фазосдвигающем канале удалось улучшить частотные характеристики ФФ. Тем не менее, большое число неоднородностей различного типа влечет повышенную сложность практической реализации устройства.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является ФФ (А.с. 1264251, СССР, Фазовращатель /Мещанов В.П., Метельникова И.В., Фокеев Л.Г., Шикова Л.В.//Открытия. Изобретения. 1986. №38. С.232), включающий опорный и фазосдвигающий каналы с подводящими линиями, при этом опорный канал выполнен в виде отрезка однородной одиночной линии передачи, а фазосдвигающий канал выполнен в виде четырехполюсника, образованного каскадным включением нечётного числа чередующихся отрезков связанных линий передачи, имеющих одинаковые коэффициенты связи, и несвязанных линий передачи, имеющих одинаковые волновые сопротивления, при этом чередующиеся отрезки выполнены различной электрической длины, а последним является отрезок связанных линий передачи. С целью улучшения условий практической реализации оптимальных частотных характеристик в ФК введен отрезок однородной одиночной ЛП конечной длины, соединяющий выходные плечи последнего отрезка связанных ЛП. Волновое сопротивление данного отрезка полагают равным волновому сопротивлению подводящих ЛП.

Увеличение длины соединительного отрезка при решении задачи параметрической оптимизации фазочастотной характеристики (ФЧХ) фазовращателя позволяет получить фазочастотную характеристику, близкую к ФЧХ фазовращателя с нулевой длиной соединительного отрезка, но приводит к увеличению коэффициента связи в последнем отрезке и уменьшению его длины. Теоретически, в данном фазовращателе ФК является всепропускающим четырехполюсником. Однако на практике потенциальные возможности ФФ на основе всепропускающих четырёхполюсников не могут быть полностью реализованы из-за конструктивно-технологических ограничений при реализации средних и высоких значений коэффициентов связи. Кроме того, в связанных микрополосковых ЛП разница фазовых скоростей нормальных волн, распространяющихся в них, нарушает условия идеальной направленности и согласования.

Задачей заявляемого изобретения является создание новой структуры ФФ с улучшенным параметром максимального отклонения Δφ функции фазового сдвига от номинального значения φ₀ в широкой полосе частот.

Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение максимального отклонения Δφ функции фазового сдвига от номинального значения φ₀. Кроме того, предлагаемое решение обеспечивает уменьшение значений коэффициентов связи в структуре фазовращателя, что упрощает его практическую реализацию.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в ФФ СВЧ фазосдвигающий канал выполнен в виде четырёхполюсника на ступенчатых связанных линиях передачи класса II, нагруженных в месте соединения короткозамкнутым шлейфом, и использованием отрезков несвязанных ЛП с волновым сопротивлением, не равным волновому сопротивлению подводящих ЛП.

Использование короткозамкнутого шлейфа и отрезков несвязанных ЛП с волновым сопротивлением, отличным от волнового сопротивления подводящих ЛП, приводящее к несогласованности структуры, позволило значительного улучшить параметры ФФ по сравнению с ФФ на связанных линиях передачи с согласованными нагрузками.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в фиксированном фазовращателе СВЧ на линиях передачи с Т-волнами, содержащем опорный и фазосдвигающий каналы с подводящими линиями, при этом опорный канал выполнен в виде отрезка однородной одиночной линии передачи, а фазосдвигающий канал выполнен в виде четырехполюсника, образованного каскадным включением нечётного числа чередующихся отрезков связанных линий передачи, имеющих одинаковые коэффициенты связи, и несвязанных линий передачи, имеющих одинаковые волновые сопротивления, при этом чередующиеся отрезки выполнены различной электрической длины, а последним является отрезок связанных линий передачи, концы которого соединены отрезком одиночной линии передачи, согласно предлагаемому техническому решению отрезок, соединяющий концы последнего отрезка связанных линий передачи, представляет собой короткозамкнутый шлейф, при этом электрические длины отрезков линий передачи и шлейфа, а также их волновые сопротивления выбраны исходя из решения задачи параметрической оптимизации.

Несвязанные линии передачи выполнены с волновым сопротивлением, отличным от волнового сопротивления подводящих линий.

Длины отрезков связанных линий передачи выполнены монотонно возрастающими в направлении шлейфа, а длины отрезков несвязанных линий передачи выполнены монотонно убывающими в том же направлении.

Количество чередующихся отрезков может быть выбрано равным трем или пяти, при этом длины отрезков связаны соотношением QUOTE или QUOTE , соответственно, где QUOTE – электрическая длина i-го отрезка на средней частоте рабочего диапазона частот, QUOTE .

Осуществление заявляемого изобретения поясняется с помощью фиг. 1, на которой изображён ФФ с ОК в виде отрезка однородной линии передачи и ФК в виде четырехполюсника на трёхступенчатых связанных линиях передачи класса II со шлейфом.

Позициями на чертеже обозначены:

1 - опорный канал,

2 - четырехполюсник,

3 - короткозамкнутый шлейф,

4 - первый вход фазовращателя, являющийся входом ОК,

5 - первый выход фазовращателя, являющийся выходом ОК,

6 - второй вход фазовращателя, являющийся входом ФК,

7 - второй выход фазовращателя, являющийся выходом ФК,

8,9 - отрезки связанных линий передачи,

10 - отрезок несвязанных линий передачи,

11 - подводящие линии.

Фиксируемый фазовращатель СВЧ включает опорный канал 1 (компенсирующая линия) и фазосдвигающий канал (Фиг.1). Опорный канал 1 выполнен в виде отрезка однородной одиночной ЛП. Фазосдвигающий канал выполнен в виде четырёхполюсника 2, образованного из продольно симметричных ступенчатых связанных линий передачи класса II, нагруженного короткозамкнутым шлейфом 3. При этом четырехполюсник 2 представляет собой каскадное соединение чередующихся отрезков связанных линий передачи, имеющих одинаковые коэффициенты связи, и отрезков несвязанных линий передачи, имеющих одинаковые волновые сопротивления, отличные от волновых сопротивлений подводящих линий и уменьшающиеся с ростом ширины рабочей полосы частот. При этом число отрезков фазосдвигающего канала выбрано нечетным, а последним отрезком в цепочке является отрезок связанных линий передачи. Концы последнего отрезка связанных линий передачи соединены отрезком, выполненным в виде короткозамкнутого шлейфа 3. На Фиг.1 представлен частный вариант выполнения фазовращателя с тремя чередующимися отрезками ФК – отрезками 8, 9 связанных линий передачи и отрезком 10 несвязанных линий передачи, при этом концы отрезка 9 нагружены на короткозамкнутый шлейф 3. Шлейф 3 выполнен длиной, увеличивающейся с ростом номинального значения сдвига фазы, и с волновым сопротивлением, уменьшающимся с ростом номинального значения сдвига фазы.

Вход и выход опорного канала 1 (начало и конец отрезка ОК 1) являются первым входом 4 и первым выходом 5 фазовращателя, соответственно. Второй вход 6 фазовращателя является входом фазосдвигающего канала, а второй выход 7 - выходом фазосдвигающего канала.

Отрезки связанных линий передачи выполнены различной электрической длины, монотонно возрастающей по направлению к шлейфу, а отрезки несвязанных линий передачи выполнены различной электрической длины, монотонно убывающей по направлению к шлейфу. При этом для трёхступенчатой структуры ФК (при числе отрезковЛП в ФК равном трем) имеет место соотношение QUOTE , а для пятиступенчатой структуры (при числе отрезков ЛП в ФК, равном пяти): QUOTE , где QUOTE – электрическая длина i-го отрезка (ступени) на средней частоте рабочего диапазона частот, QUOTE . Электрические длины отрезков линий передачи и шлейфа, их волновые сопротивления выбраны из условия обеспечения заданного сдвига фаз и коэффициента стоячей волны напряжения на входе ФК. Для расчета электродинамических параметров предлагаемого фазовращателя были решены двухкритериальные минимаксные задачи.

Заявляемый фазовращатель СВЧ может быть реализован на полосковых линиях передачи, а также микрополосковых линиях передачи с учетом полученных результатов в качестве начального приближения.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

На входы 4, 6 фазовращателя в рабочей полосе частот подают равные по амплитуде и фазе СВЧ-сигналы, один из которых проходит через ОК 1, другой – через ФК. При этом первый сигнал проходит через ОК 1 и поступает на первый выход 5 фазовращателя с изменённой фазой. Второй сигнал проходит через ФК и поступает с измененной фазой на второй выход 7 фазовращателя. Разность фаз сигналов, прошедших ОК и ФК, определяет ФЧХ фазовращателя.

За счет подобранных значений длин отрезков связанных и несвязанных линий передачи ФК, компенсирующей линии и шлейфа, а также их волновых сопротивлений, на входе 6 ФК будет сигнал, удовлетворяющий заданным требованиям к коэффициенту стоячей волны напряжения КСВН на входе фазосдвигающего канала, а на выходах 5 и 7 фазовращателя будут сигналы, удовлетворяющие заданным требованиям к величине максимального отклонения разности между фазами сигналов от номинального значения.

Для ФФ с трех- и пятиступенчатой структурами ФК были решены задачи параметрической оптимизации одновременно фазочастотной характеристики (ФЧХ) фазовращателя и КСВН на входе 6-го фазосдвигающего канала. При этом проекты схем фазовращателя для числа ступеней m=3, 5 были созданы в пакете программ Microwave Office 2010 фирмы Applied Wave Research (AWR), предназначенной для проектирования устройств СВЧ. Для каждого номинального значения ϕ₀ сдвига фазы (ϕ₀=45°, 67.5°, 90°) и диапазонов частот [f₁, f₂] с коэффициентом перекрытия =2; 2.5; 3 (для m=3) и κ=3; 3.5; 4 (для m=5) были решены двухкритериальные минимаксные задачи (1). Средняя частота рабочей полосы частот fср=(f₂+f₁)/2 полагалась равной 1 ГГц.

При подаче на входы ОК и ФК фазовращателя синфазных волн одинаковой амплитуды в выходных плечах ОК и ФК на частоте f волны будут сдвинуты по фазе на угол QUOTE , где QUOTE - набег фазы в ОК на частоте f; QUOTE - набег фазы в ФК на частоте f ; QUOTE – вектор варьируемых параметров: QUOTE – электрическая длина i-й ступени (отрезков однородных связанных и несвязанных ЛП) на средней частоте fср рабочего диапазона частот, QUOTE ; θ_ОК - электрическая длина опорного канала на fср; θ_шл - электрическая длина шлейфа на fср; z_0e, z_0o – волновые сопротивления четного и нечетного типа возбуждения отрезков однородных связанных ЛП, z_од – волновое сопротивление отрезков однородных несвязанных ЛП, z_шл – волновое сопротивление шлейфа. Волновое сопротивление подводящих линий полагалось равным 50 Ом.

Постановка двухкритериальных минимаксных задач – найти вектор варьируемых параметров QUOTE , при котором достигаются:

где ϕ₀ – номинальное значение фазового сдвига.

Задачи решались в пакете программ Microwave Office 2010 (AWR) с помощью симплексного метода оптимизации Nelder-Mead(Nelder J.A., Mead R. A simplex method for function minimization. Comp. J., 7. 1965, pp. 308-313).

В таблицах 1-2 приведены рассчитанные оптимальные параметры ФФ трех- и пятиступенчатой структур ФК для рабочей полосы частот [f₁, f₂] с коэффициентом перекрытия κ=3 (). В таблицах использованы следующие обозначения: ϕ₀ – номинальное значение фазового сдвига; Δϕ - максимальное отклонение функции фазового сдвига от номинального значения ϕ₀; QUOTE – максимальное значение коэффициента стоячей волны напряжения на входе фазосдвигающего канала; QUOTE - электрическая длина опорного канала (ОК) на средней частоте рабочего диапазона частот; QUOTE - длина ОК, нормированная на среднюю длину волны рабочего диапазона частот, QUOTE – электрическая длина i-й ступени на средней частоте рабочего диапазона частот, QUOTE , m=3, 5; QUOTE – электрическая длина шлейфа на средней частоте рабочего диапазона частот, z_0e, z_0o – волновые сопротивления четного и нечетного типа возбуждения отрезков связанных ЛП, z_од – волновое сопротивление отрезков несвязанных ЛП,z_шл – волновое сопротивление шлейфа, k – коэффициент связи.

В таблице 3 приведена сравнительная оценка основных характеристик трехступенчатых (пятиступенчатых) структур прототипа и предлагаемых для ϕ₀=90° и κ=3 (κ=4).

Из таблиц 1-3 следует:

1. Увеличение числа ступеней приводит к уменьшению отклонения фазочастотной характеристики ФФ от заданного номинального значения φ₀ и уменьшению КСВН на входе ФК.

2. Фазовращатели на основе связанных ЛП класса II со шлейфом и несвязанными ЛП с волновым сопротивлением, неравным волновому сопротивлению подводящих ЛП, характеризуются существенно меньшими отклонениями ФЧХ от номинального значения сдвига фазы ц₀. Их практическая реализация упрощается, поскольку значения коэффициентов связи в этих структурах значительно меньше, чем у прототипа.