Регулировочный фазовращатель СВЧ

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и может быть использовано в фазированных антенных решетках для выравнивания фаз СВЧ трактов после их изготовления.

Известен элемент для подстройки длины линии (см. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. И.В. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982 г., стр. 184-185, рис. 4.29, а). Элемент содержит П-образный проводник отрезка линии, соединяющий вход и выход. В параллельных плечах П-образного проводника выполнены разрывы, рядом с которыми между плечами П-образного проводника расположены проводники отрезков соединительных линий. Для регулировки фазы устанавливаются перемычки, соединяющие участки П-образного проводника и соединительных линий, так что меняется общая длина линии между входом и выходом. Недостатком элемента для подстройки длины линии является большое количество перемычек. Кроме того, фаза перестраивается ступенчато с дискретом определяемой длиной проводника между соседними разрывами, что приводит к большой погрешности регулировки фазы.

Известен фазовращатель (АС СССР №1826091, МПК Н01Р 1/185, опубл. 07.07.93), который содержит диэлектрическую пластину, на одной стороне которой размещено металлическое основание, а на другой - полосковый проводник с подключенным к нему посредством коммутирующего диода полосковым разомкнутым шлейфом. В металлическом основании параллельно полосковому шлейфу выполнена щель, один конец которой коротко замкнут и расположен напротив разомкнутого конца полоскового шлейфа, а другой ее конец разомкнут и расположен напротив первого коммутирующего диода. Второй коммутирующий диод включен кромками щели на разомкнутом конце. Полосковый шлейф может быть выполнен в виде двух соосных отрезков проводника, между соседними концами которых включен третий коммутирующий диод, а четвертый коммутирующий диод включен между кромками щели напротив третьего коммутирующего диода. Недостатком фазовращателя является наличие щелевой линии, большие габариты разомкнутого конца щели, что приводит к необходимости увеличения корпуса со стороны металлизированного основания платы для обеспечения режима работы щелевой линии.

Наиболее близким из известных аналогов к заявляемому фазовращателю является проходной фазовращатель типа нагруженной линии передачи (см. Г.С Хижа и др. СВЧ фазовращатели и переключатели. М., «Радио и связь», 1984 г., стр. 76, рис. 2.20), выбранный в качестве прототипа. Фазовращатель содержит четвертьволновый отрезок линии передачи, соединяющий вход и выход, на концах которого подключены одинаковые реактивные нагрузки, например, в виде разомкнутого шлейфа, емкость которого ступенчато изменяется посредством перемычек. Прототип согласован на средней частоте, на которой отражения от разомкнутых шлейфов компенсируют друг друга, при выбранной длине отрезка, примерно равной четверти длины волны. При отстройке от частоты согласования КСВН фазовращателя растет, причем чем больше вносимый фазовый сдвиг обеспечивает фазовращатель, тем больше увеличение КСВН. Поэтому известный фазовращатель при заданном уровне согласования в рабочем диапазоне частот обеспечивает небольшие изменения фаз. Так как изменение емкости посредством перемычек производится ступенчато, прототип имеет большую погрешность регулировки фазы. Кроме того, прототип имеет большие габариты, обусловленные использованием четвертьволнового отрезка линии.

Цель изобретения - уменьшение погрешности установки величины фазы и улучшение согласования в широком диапазоне частот при небольших габаритах.

Техническим результатом является уменьшение погрешности регулировки величины фазы при согласовании в широком диапазоне частот.

Для достижения указанного результата в предлагаемый регулировочный фазовращатель СВЧ содержащий одинаковые первый и второй отрезки линии передачи, одни концы которых соединены со входом и выходом, а другие соединены между собой третьим проводником, к середине которого подключен через перемычку разомкнутый шлейф, между участками которого включены дополнительные перемычки для ступенчатой регулировки фазы, согласно изобретению, дополнительно введен конденсатор, первый и второй отрезки расположены параллельно и соединены дополнительно через конденсатор, выводы которого подключены на одинаковых расстояниях от концов отрезков, с возможностью перемещения вдоль них при регулировке фазы, при этом емкость конденсатора постоянна и находится в пределах от1/2ωZ₀ до 1/ωZ₀, где ω - круговая частота, Z₀ - сопротивление входа и выхода, а также волновое сопротивление отрезков линий.

Предлагаемое дополнительное соединение отрезков линии передачи через конденсатор наряду с подключением разомкнутого шлейфа образует фазосдвигающее звено, согласованное в широком диапазоне частот. Возможность плавного перемещения конденсатора вдоль отрезков линии одновременно со ступенчатым изменением емкости шлейфа позволяет плавно изменять фазу коэффициента передачи. Это значительно уменьшает погрешности регулировки величины фазы при согласовании в широком диапазоне частот.

В результате поиска не обнаружено информации, позволяющей сделать вывод об известности отличительных признаков заявляемого технического решения, следовательно, заявляемое техническое решение соответствуют условию новизны.

Из предшествующего уровня техники не известно влияние отличительных признаков заявляемого технического решения на достигаемый технический результат, следовательно заявляемое техническое решение соответствуют условию изобретательского уровня.

Сущность изобретения раскрывается чертежами, где на фиг. 1 приведена топология предлагаемого регулировочного фазовращателя СВЧ, на фиг. 2 - частотная зависимость фазы (шкала справа) и КСВН (шкала слева) предлагаемого фазовращателя СВЧ при сдвиге фазы ,равном 45 градусов.

Предлагаемый регулировочный фазовращатель СВЧ содержит два одинаковых параллельных отрезка линии передачи 1, 2, одни концы которого соединены со входом и выходом. Другие концы отрезков 1, 2 соединены между собой отрезком 3. К середине соединительного отрезка 3 подключен через перемычку 4 разомкнутый шлейф. Шлейф состоит из проводников разной длины 5, 6, 7, 8, 9, которые могут быть подключены через перемычки, аналогичные перемычке 4, по одному или одновременно в разной комбинации. Отрезки линий 1,2 дополнительно соединены через конденсатор 10. Выводы конденсатора 10 подключены на одинаковых расстояниях от концов отрезков 1, 2, с возможностью перемещения вдоль них.

Отрезки линий 1, 2 одинаковы по длине. Для согласования фазовращателя в исходном состоянии (при минимальной фазе), когда конденсатор 10 и проводники разомкнутого шлейфа 5, 6, 7, 8, 9 не подключены, волновые сопротивления отрезков 1, 2, 3 равны сопротивлению входа и выхода Z₀.

Длина соединительного отрезка 3 минимальна и определяется из конструктивных соображений, например длиной используемого конденсатора 10. Длина отрезков линий 1,2 меньше четверти длины волны и определяется перестраиваемым фазовым сдвигом фазовращателя. Электрическая длина отрезков 1, 2 примерно равна половине максимального значения фазы при регулировке.

Длина проводника 5, т.е. емкость проводника, подключаемого к соединительной линии 3, определяется из минимального дискрета фазового сдвига. Длины проводников 6, 7, 8, 9 кратны длине проводника 5. Например, длина проводника 6 равна длине проводника 5, длина проводников 7, 8 равна двум длинам проводника 5, длина проводника 9 равна четырем длинам проводника 3. В этом случае при использовании перемычек между проводниками обеспечивается дискретное изменение емкости проводников с единичным шагом от одного до десяти.

Емкость С конденсатора 10 выбирается из условия согласования емкости разомкнутого шлейфа емкостью конденсатора 10, включенного между линиями 1, 2. Причем при изменении емкости шлейфа согласование обеспечивается одним и тем же конденсатором, но подключенным на разных расстояниях от точки подключения шлейфа.

Для упрощения анализа методом синфазно-противофазного возбуждения конструктивную емкость фазовращателя можно представить в виде разомкнутого шлейфа, волновое сопротивление которого в два раза меньше сопротивления Z₀ линий 1, 2. Тогда, из условия согласования следует:

где Y_c - проводимость конденсатора 10;

Q₁ - электрическая длина отрезка 1 от точки подключения разомкнутого шлейфа до точки подключения конденсатора 10;

Q₂ - эквивалентная электрическая длина разомкнутого шлейфа с волновым сопротивлением Z₀/2.

Исходя из емкости С_ш проводников 5, 6, 7, 8, 9 эквивалентная электрическая длина разомкнутого шлейфа Q₂ определяется по формуле:

,

где ω - рабочая круговая частота,

Z₀/2 - волновое сопротивление шлейфа,

Z₀ - сопротивление входа и выхода фазовращателя.

Изменение фазы коэффициента передачи фазовращателя при выполнении равенства (1) равно:

Из формулы (1) видно, что при изменении емкости разомкнутого шлейфа Q₂ с целью регулировки фазового сдвига согласование обеспечивается при постоянной емкости конденсатора 10 путем изменения его места подключения Q₁. При этом при большей емкости конденсатора 10 согласование при заданном диапазоне регулировки фазы обеспечивается при меньшем изменении длины Q₁. Оптимальным можно считать выбор емкости конденсатора 10 в пределах от С=1/2ωZ₀ до С=1/ωZ₀.

Предлагаемый регулировочный фазовращатель СВЧ работает следующим образом. При отсутствии перемычки 4 и конденсатора 10 СВЧ сигнал, поступающий на вход ВХ, проходит на выход ВЫХ по отрезкам 1, 2, 3. Так волновое сопротивление отрезков равно сопротивлению входа Z₀, фазовращатель согласован во всем диапазоне частот, при этом вносит фазовый сдвиг равный электрической длине отрезков 1, 2, 3.

При установке конденсатора 10 на минимальном расстоянии от отрезка 3 и передвижении его от отрезка 3 фаза коэффициента передачи увеличивается за счет влияния емкости конденсатора 10. КСВН фазовращателя при этом незначительно увеличивается. Для дальнейшего увеличения фазы, при сохранении согласования, перемычкой 4 подключается проводник 5. При этом КСВН уменьшается и его величина минимальна при электрической длине отрезка Q₁ между точками подключения конденсатора 10 и перемычки 4 согласно формуле (1). В этом случае отражение от параллельной емкости шлейфа компенсируются последовательной емкостью конденсатора 10. При дальнейшем увеличении расстояния между конденсатором 10 и отрезком 3 дополнительно подключаются проводники 6, 7, 8, 9, ступенчато увеличивающие емкость шлейфа с шагом, равном емкости проводника 5. При этом увеличивается фаза коэффициента передачи фазовращателя за счет увеличения емкости разомкнутого шлейфа и увеличения влияния емкости 10. КСВН фазовращателя практически не увеличивается за счет компенсации емкости шлейфа и емкости конденсатора 10.

Таким образом, перемещением конденсатора 10 по линиям 1, 2 при поочередном подключении проводников шлейфа 6, 7, 8, 9 обеспечивается плавное изменение фазы коэффициента передачи фазовращателя при согласовании в широком диапазоне частот (см. фиг .2).

На предприятии был изготовлен макет регулировочного фазовращателя СВЧ. Макет выполнен на микрополосковой линии с диапазоном изменения фазы на заданной частоте, равным 45 градусов. При экспериментальной проверке были получены результаты, подтверждающие достижение поставленной цели. Макет в диапазоне частот с перекрытием 2.0 обеспечивал плавное изменение фазы, при КСВН со стороны входа ВХ меньше 1.3. Электрическая длина линий фазовращателя составила 45 градусов. В то же время прототип обеспечивал дискретное изменение фазы с шагом 5.6 градусов, с таким же КСВН в узком диапазоне частот 10%. Кроме того, электрическая длина прототипа составила 90 градусов. Таким образом, предлагаемый регулировочный фазовращатель СВЧ по сравнению с прототипом обеспечивает уменьшение погрешности перестройки фазы, при расширении диапазона частот согласования в диапазоне частот на порядок больше. При этом длина предлагаемого перестраиваемого фазовращателя СВЧ в два раза меньше, чем прототипа.