Широкополосный дискретный фазовращатель

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

ЬЭ

СР

СР

44

ЬЭ

4Р

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5004352/09 (22) 3 1.07.91 (46) 15;11.93 Бюл. Na 41-42 (71) Государственное научно-производственное предприятие "Эриком" (72) Маринов ГИ. (73) Государственное научно-производственное предприятие "Эриком" (54) ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИСКРЕТНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ (57) Использование: изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в различных системах связи и измерения в качестве широкополосного дискретного фазовращателя. Сущность изобретения: в широкополосном дискретном фазовращателе, содержащем первый и второй од(19) RU (11) 2Î03210 С1 (51) 5 HOl P1 18 нополюсные двустороние переключатели, входные плечи которых являются соответственно входом и выходом устройства, к одним их выходным плечам подключен своими концами первый отрезок линии передачи, а между другими выходными плечами включен второй отрезок линии передачи, который является полочкой П-образного контура, его боковые стойки соединены с общей шиной через введенные элементы с активным сопротивлением и еще один введенный элемент с активным сопротивлением включен в разрыв первого отрезка линии передачи. В качестве элементов с активным сопротивлением могут быть выбраны резисторы либо каналы сток — исток полевого транзистора 2 зпф-лы, 5 ил.

2003210

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоэлектронных устройствах различного назначения, в частности в составе фазированных антенных решеток, систем связи с фазовой модуляцией, в измерительных системах.

Известен широкополосный дискретный фазовращатель с переключаемыми каналами, в котором изменение фазы коэффициента передачи осуществляется в результате 10 поочереднога включения в основной СВЧтракт с помощью двусторонних однополюсных переключателей четырехполюсников с различными электрическими длинами. В этом случае управляемый сдвиг равен раз- 15 ности электрических длин переключаемых четырехполюсников.

Недостатками известного устройства являются: во-первых, то, что управляемОе изменение фазы коэффициента передачи, 20 как правило, сопровождается нежелательным изменением модуля коэффициента передачи — па разит ной амплитудной модуляцией, и, ва-вторых, то, что управляемый фазовый сдвиг равен номинальной ве- 25 личине только на определенных фиксированных частотах, при отклонении частоты модулируемого СВЧ-сигнала от которых величина управляемого фазового сдвига также отклоняется от номинальной, 30 т,е. появляется фазовая ошибка. растущая с возрастанием частотной расстройки и ограничивающая ширину полосы рабочих частот фазовращателя, Наиболее близким к описываемому изо- 35 бретению является широкополосный дискретный фазовращатель, содержащий первый и второй однополосные двусторонние переключатели, входные плечи которых являются, соответственно, входом и выхо- 40 дом фазовращателя, к одним их выходным плечам подключен своими концами первый отрезок линии передачи, электрическая длина которого на средней частоте рабочего диапазона частот фазовращателя превыша- 45 ет величину управляемого фазового сдвига на четверть длины волны, а между другими выходными плечами включен второй четвертьволновый отрезок линии передачи. который является последовательной ветвью 50

П-образного контура, чьи параллельные ветви в виде четвертьволновых отрезков заземлены.

В этом фазовращателе длина первого отрезка линии передачи и нормированные 55 волновые проводимости отрезков в параллельных ветвях П-образного контура зависят от заданной величины управляемого фазового сдвига. Если этот управляемый фазовый сдвиг должен быть равен 360 /2", где n = 1,2,..., то длина первого отрезка линии передачи должна быть равна: ! = Л/4+ Л /2", (1) где Л- длина волны, соответствующая средней частоте фазовращателя, а нормированная волновая проводимость отрезков линий передачи в параллельных ветвях П-контура должна составлять У = 4/2", при этом нормированные волновые проводимости первого и второго отрезков линий передачи должны быть равны единице.

В известном фазовращателе точное равенство величины управляемого фазового сдвига заданному значению (180 или 90, или

45 и т.д,) имеет место только в средней точке полосы рабочих частот, где длина каждого из отрезков линий передачи в ветвях П-образного контура равна точно четверти длины волны, а при отклонении частоты от этой точки в любую сторону появляется фазовая ошибка. величина которой монотонно увеличивается с ростом расстройки по частоте. Таким образом, ширина полосы рабочих частот фазовращателя однозначно связана с допустимой величиной фазовой ошибки. Кроме того, поскольку первый отрезок линии передачи частотной избирательностью не обладает, а П-образный контур по самой структуре своей имеет свойства частотного фильтра, такой фазовращатель создает паразитную амплитудную модуляцию СВЧ-сигнала.

Задачей описываемого изобретения является расширение полосы рабочих частот фазавращателя при уменьшении или сохранении фазовой ошибки.

Сущность описываемого изобретения заключается в том, что в широкополосный дискретный фазовращатель, содержащий первый и второй однополюсные двусторонние переключатели, входные плечи которых являются соответственно входом и выходом устройства, к одним их выходным плечам подключен своими концами первый отрезок линии передачи, электрическая длина которого на средней частоте рабочего диапазона частот фазовращателя превышает величину управляемого фазового сдвига на четверть длины волны, а между другими выходными плечами включен второй четвертьволновый отрезок линии передачи, который является последовательной ветвью П-образного контура, чьи параллельные ветви в виде четвертьволновых отрезков заземлены, согласно изобретению, введены три элемента с активным сопротивлением, один из которых включен в разрыв первого отрезка линии передачи, а два других соединяют параллельные ветви с землей.

2003210

Каждый элемент с активным сопротивлением может быть выполнен в виде резистора, Кроме того, каждый элемент с активным сопротивлением может быть выполнен в виде канала сток — исток полевого транзистора, затвор которого соединен с входом сигнала управления.

В описываемом фаэовращателе появление элементов с активным сопротивлением в П-образном контуре приводит к такому изменению его фаэочастотных характеристик, что достигается расширение полосы рабочих частот, где фазовая ошибка не превышает заданной допустимой величины, а наличие активного сопротивления в разрыве первого отрезка линии передачи уравновешивает увеличение потерь в П-образном контуре, обусловленное появление в нем элементов с активным сопротивлением, и следовательно уменьшает вызванную этим паразитную амплитудную модуляцию.

На любой частоте величина управляемого фазового сдвига равна разности фаэ коэффициентов передачи П-образного контура и первого отрезка линии передачи. На средней частоте рабочего диапазона П-образный контур сдвигает фазу СВЧ-сигнала на минус 90 градусов, т.е. задерживает сигнал на четверть длины волны. а первый отрезок линии передачи задерживает

СВЧ-сигнал на четверть длины волны и плюс еще на заданную величину управляемого фазового сдвига, так что реальное значение управляемого фазового сдвига в фаэовращателе на этой частоте точно равно его заданной номинальной величине. При отклонении частоты от середины рабочего диапазона фаза коэффициента передачи Побразного контура изменяется быстрее, чем фаза коэффициента передачи первого отрезка линии передачи. Следовательно, разность фаз этих коэффициентов передачи также отклоняется от номинальной величины управляемого фазового сдвига, то есть, как указано выше, появляется фаэовая ошибка, растущая по мере увеличения отклонения частоты от середины рабочего диапазона.

Введение в П-образный контур элементов с активным сопротивлением, соединяющих с землей параллельные ветви контура, приводит к замедлению скорости изменения фазы коэффициента передачи П-образного контура и сближению ее со скоростью изменения фазы коэффициента передачи первого отрезка линии передачи, т,е, к уменьшению фазовой ошибки и, следовательно, к расширению полосы частот, где фазовая ошибка не превышает заданной величины.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема широкополосного дискретного фазовращателя: на фиг. 2 — принципиальная схема фазовращателя, в котором все элементы с активным сопротивлением реализованы в виде полевых транзисторов; на фиг. 3 — принципиальная схема фазовращателя, в котором однополюсные двусторонние переключатели выполнены на основе переключающих полевых транзисторов, а все элементы с активным сопротивлением реализованы в виде полевых транзисторов, расположенных в том же кристалле монолитной интегральной схемы, что и переключатели; на фиг. 4 — фазочастотные характеристики фазовращателя на 90 в зависимости от величин активных сопротивлений в П-образном контуре; на фиг. 5— зависимость амплитудно-частотных характеристик фазовращателя на 90 от величин активных сопротивлений.

Широкополосный дискретный фазовращатель (фиг. 1) содержит первый и второй однополюсные двусторонние переключатели t и 2. входные плечи которых являются соответственно входом и выходом фазовращателя, к одним их выходным плечам подключен своими концами первый отрезок линии передачи 3, электрическая длина которого на средней частоте рабочего диапазона частот фазовращателя превышает величину управляемого фазового сдвига на четверть длины волны, а между другими выходными плечами включен второй четвертьволновый отрезок линии передачи 4, который является последовательной ветвью

П-образного контура, чьи параллельные ветви в виде четвертъволновых отрезков 5 и 6 заземлены, три элемента с активным сопротивлением 7, 8 и 9, один иэ которых 7 включен в разрыв первого отрезка линии передачи 3. а два других 8 и 9 соединяют параллельные ветви. соответственно 5 и 6, П-образного контура с землей. Каждый элемент с активным сопротивлением может быть выполнен в виде резистора.

Фазовращатель работает следующим образом.

В первом фазовом состоянии переключатель 1 направляет сигнал, поступающий на вход фазовращателя, через первый отрезок линии передачи 3 с включенным в разрыв его элементом с активным сопротивлением 7 и далее через переключатель 2 на выход фаэовращателя. Во втором фазовом состоянии переключатели 1 и 2 направляют сигнал соответственно с входа на выход фазовращателя через fl-образный контур. Так как оба переключателя являются симметричными, то величина управляемого

2003210

2О

30

35 фазового сдвига в таком фазовращателе равна просто разности фаз коэффициентов передачи первого отрезка линии передачи 3 с элементом с активным сопротивлением 7 и П-образного контура. Введение элементов с активным сопротивлением 8 и 9 привело к такому изменению фаэочастотной характеристики П-образного контура, что произошло расширение рабочей полосы частот фаэовращателя при уменьшении или сохранении фазовой ошибки. В то же время, элемент с активным сопротивлением 7 s разрыве первого отрезка линии передачи 3 позволяет уменьшить ларазитную амплитудную модуляцию сигнала в фазовращателе, возникшую из-зэ появления дополнительных потерь s П-образном контуре при введении в него элементов с активным сопротивлением 8 и 9.

В другом варианте фазовращателя (фиг.

2) использовано то широко известное обстоятельство, что канал сток-исток полевого транзистора представляет собой активное сопротивление, величиной которого можно управлять в широких пределах (от единиц ом при полностью открытом канале до десятков и более килоом в режиме отсечки) с помощью напряжения на затворе транзистора. В этой схеме элемент с активным сопротивлением 7 выполнен в виде полевоro транзистора 10, исток и сток которого соединены соответственно с частями За и 36 отрезка линии передачи 3, а на затвор поступает управляющее напряжение для подбора сопротивления канала транзистора.

Элементы с активным соп-ротивлением 8 и 9 выполнены в виде полевых транзисторов 11 и 12, источники которых 13 и 14 заземлены, стоки 15 и 16 соединены с концамл параллельных ветвей П-образного контура 5 и 6 соответственно, а на затворы 17 и 18 поступают управляющие напряжения для подбора сопротивлений каналов транзисторов таким образом, чтобы получить оптимальную фазочастотную характеристику фазовращателя. Активное сопротивление канала полевого транзистора 10 подбирают так, чтобы добиться снижения паразитной амплитудной модуляции сигнала в фазовращателе за счет компенсации увеличения потерь в П-контуре возрастанием потерь в активном сопротивлении канала транзистора 10.

Фазовращатель работает так же, как и фазовращатель, изображенный на фиг. 1, однако возможность управлять сопротивлениями каналов транзисторов 10, 11 и 12 с помощью управляющих напряжений на их затворах позволяет подстраивать амплитудные и фаэочастотные характеристики фазовращателя после изготовления или корректировать параметры устройства в процессе эксплуатации.

На фиг. 3 приведена схема фазовращателя, в котором переключатели 1 и 2 выполнены на основе переключающих полевых транзисторов в едином кристалле монолитной интегральной схемы 19, Элементы с активным сопротивлением 7, 8 и 9 реализованы в виде полевых транзисторов, выполненных в том же кристалле монолитной интегральной схемы, что и переключатели 1 и 2, Это позволяет создать полностью монОлитный фаэовращатель, в котором все составляющие его элементы — и переключатели, и элементы с активным сопротивлением, и отрезки линий передачи могут быть выполнены в едином кристалле, или гибридно-монолитное устройство, в котором отрезки линий передачи изготовлены на подложке гибридно-интегральной схемы, а переключатели и полевые транзисторы, реализующие элементы с активным сопротивлением, выполнены в едином кристалле или нескольких кристаллах монолитных интегральных схем, установленных на этой подложке.

На фиг. 4 представлены результаты численного моделирования зависимости фаэочастотных характеристик дискретного фазовращателя на 90 от величин активных сопротивлений элементов 8 и 9, соединяющих концы параллельных ветвей 5 и 6 П-образного контура с землей. Расчеты выполнены в полосе нормированных рабочих частот 0,55-1,45 при нулевом сопротивлении элементов 8 и 9 (известный фазовращатель — кривая 1), при сопротивлении этих элементов по 5 Ом (кривая 2) и по

8 Ом (кривая 3) каждое. Легко видеть, что в рассматриваемой полосе частот при активных сопротивлениях элементов 8 и 9 по 5 Ом фазовая ошибка не превышает -5,6, а при сопротивлениях по 8 Ом каждое — =" 1,60. В то же время, в известном фазовращателе маленькая фазовая ошибка "-1,6 Обеспечивается только в полосе частот 0,83-1,17, а в полосе 0.55-1.45 фазовая ошибка достигает 12,2 . Другими словами, появление элементов с активным сопротивлением 8 и 9 по

8 Ом каждое позволило расширить рабочую полосу частот до 0,34-0,9, т.е. примерно в

2,5 раза.

На фиг. 5 кривая 1 представляет собой амплитудно-частотную характеристику Побразного контура при активных сопротивлениях элементов 8 и 9 по 8 Ом каждое.

Линия 2 соответствует АЧХ первого отрезка линии передачи 3 при нулевом активном.2003210

10 сопротивлении включенного в его разрыв элемента с активным сопротивлением 7, а линия 3 — АЧХ этого отрезка при активном сопротивлении элемента 7, равном 38,3 Ом.

При активном сопротивлении 38,3 Ом мак- 5 симальная величина паразитной амплитудной модуляции в указанной полосе частот составляет примерно 3,3 дБ (между кривыми 1 и 3), тогда как при нулевом активном сопротивлении элемента 7 она составляет 10

9,8 дБ (между кривыми 1 и 2). Для справки на фиг. 5 приведена АЧХ П-образного контура известного фазовращателя (кривая 4), в котором активные сопротивления всех элементов 7,8и9 равны нулю. В этом случае 15 максимальная величина паразитной амплитудной модуляции составляет 5,3 дБ (между кривыми 2 и 4)

Таким образом, по сравнению с известным в описываемом фазовращателе полоса 20 частот, в которой величина фазовой ошибки

Формула изобретения

1. ШИРОКОПОЛОСНЫИ ДИСКРЕТ- 25

НЫИ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ, содержащий первый и второй однополюсные двусторонние переключатели, входные плечи которых, являются соответственно входом и выходом фазовращателя, к одним их вы- 30 ходиым плечам подключен своими концами первый атреэок линии передачи, электрическая длина которого на средней частоте рабочего диапазона превышает величину управляемого фазового сдвига на 35 четверть длины волны, а между другими . выходными плечами включен второй отрезок линии передачи, выполненный четвертьволновым, который является

40 составляет +. 1,6О, оказывается в 2,5 раза шире (для рассматриваемого примера). С другой стороны, по сравнению с извес ным описываемый фазоаращатель обеспечивает в одной и той же полосе частот значительно меньшую величину фазовой ошибки — + 1,6 (в известном — +12,2 ) и меньшую максимальную величину паразитной амплитудной модуляции 3,3 дБ (в известном фазовращателе 5,3 дБ), Аналогичные вычисления были выполнены также для фазовращателей с управляемым фазовым сдвигом 180. 45 и 22,5 и дали подобные результаты, (56) Патент США %4612520, кл, Н 01 Р 1/18, 1986.

Хижа Г.С, и др. СВЧ-фазовращатели и переключатели. M. Радио и связь, 1984, с.

80-82. поперечным участком Й-образного контура, чьи продольные участки в виде четвертьволновых отрезков заземлены, отличающийся тем, что в него введены три элемента с активным сопротивлением, один иэ которых включен в разрыв первого отрезка линии передачи. а два другихмежду боковыми стойками и землей.

2, Фазовращатель no n.1. отличающийся тем, что каждый элемент с активным сопротивлением выполнен в виде резистора.

3. Фазовращатель по п.1, отличающийся тем, что каждый элемент с активным сопротивлением выполнен в виде канала исток-сток полевого транзистора, затвор которого является входом для подключения сигнала управления.

2003210

2003210

Составитель Р.Ловягина

Техред М. Моргентал Корректор П.Гереши

Редактор 8.Трубченко

Заказ 3237

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101