Свч фазовый манипулятор

 

Использование: в радиоэлектронике в качестве фазового манипулятора сигналов СВЧ передатчика. Сущность изобретения: в СВЧ фазовом манипуляторе, содержащем входной делитель и выходной сумматор, между которыми включены каналы равной электрической длины с управляемыми аттенюаторами, конструкция входного делителя выполнена с зеркальной симметрией выходных плеч. Таким качеством обладает делитель, выходные плечи которого выполнены в виде скруток +90° и -90° прямоугольных волноводов, а также магнетрон с числом резонаторов, кратным 4, и с двумя ортогональными плоскостями симметрии. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и направлено на совершенствование работы устройств для фазовой манипуляции сигналов СВЧ передатчика.

Известны устройства для фазовой манипуляции сигналов, которые предназначены для формирования соответствующего сигнала (называемого сложным сигналом) на промежуточной частоте с дальнейшим умножением или преобразованием частоты либо для формирования сложного видеосигнала для дальнейшей модуляции генератора СВЧ. Процессы умножения, преобразования или модуляции принципиально являются процессами нелинейного преобразования спектра сигналов, за счет которых вносятся искажения в фазовую манипуляцию. Борьба с последними достаточно сложна.

Применение в качестве управляемых элементов электрически управляемых аттенюаторов (например, ферритовых) резко повышает мощность сигнала. Как правило, в подобных устройствах применяется входной делитель мощности, работающий на два канала, и выходной сумматор, объединяющий сигналы этих каналов. Манипуляция (управление) реализуется аттенюаторами в каналах [1], а сдвиг по фазе достигается введением фазосдвигающих элементов [2].

Наиболее близким к предлагаемому является СВЧ фазовый манипулятор [3], содержащий выходной сумматор, к двум входным плечам которого подключены каналы равной электрической длины, в каждом из которых последовательно включен управляемый аттенюатор, а в качестве входного делителя применен магнетрон с двумя выводами, синхронизируемый входным сигналом.

Недостатком прототипа, как и всех манипуляторов, содержащих управляемые аттенюаторы, является недостаточно высокая точность фазовой манипуляции особенно в полосе частот. Например, сдвиг по фазе π между отдельными ячейками колебательной системы магнетрона гарантируется только для одного невырожденного типа колебаний при условии, что колебательная система имеет поворотную ось симметрии. Последнее реализуется только в колебательной системе без элементов связи с нагрузкой (выводов энергии). Введение последних устраняет поворотную ось симметрии и, следовательно, сдвиг по фазе π может быть выдержан только приближенно.

Целью изобретения является повышение точности фазового сдвига (точности фазовой манипуляции).

Сущность изобретения заключается в более полном использовании электродинамических свойств устройств, обладающих зеркальной плоскостью симметрии.

С точки зрения теории симметрии рассматриваемые устройства имеют два собственных поля. Для одного поля отношение компонент в симметричных точках равно плюс 1, для другого минус 1. Это эквивалентно сдвигу фазы 0 или π для компонент полей в симметричных точках, в частности в симметричных точках, выбранных в области расположения выводов энергии.

По сравнению с прототипом наиболее существенно то, что последнее свойство выполнено точно и доказано строго теоретически. Наличие симметричных выводов энергии не делает указанное соотношение полей в симметричных точках выполненным приближенно. Погрешность указанного сдвига по фазе в идеальном случае равна нулю. По сравнению с идеальным на практике надо учитывать отличие системы от симметричной и возможность возбуждения помимо рабочего еще другого собственного поля при неправильно подобранном способе возбуждения.

Как было отмечено, сдвиг по фазе получается равным 0 или π . Известные схемы сумматоров рассчитаны на разность фаз 0 или π на их входах. Если сумматор применяется в схеме фазового манипулятора, то эта разность фаз должна быть равна соответственно π или 0. Устройство-прототип рассчитано только на разность фаз π .

На фиг.1 представлена блок-схема СВЧ фазового манипулятора; на фиг. 2-4 - делители с зеркальной симметрией выходных плеч; на фиг.5 - входной делитель в виде магнетрона; на фиг.6 показано включение магнетрона в устройство.

СВЧ фазовый манипулятор содержит входной делитель 1, к выходам которого подключены каналы 2 и 3 равной электрической длины, в каждом из которых включено по управляемому аттенюатору 4 и 5. Через сумматор 6 каналы 2 и 3 соединяются с нагрузкой. Если для фазовой манипуляции требуются синфазные сигналы на входах 7 и 8 волноводного сумматора, то подходит делитель мощности, изображенный на фиг.2. Стрелками показано направление силовых линий электрического поля в фиксированный момент времени для волны Н₀₁ прямоугольного волновода. В такой конструкции имеется зеркальная плоскость симметрии 0-0, которая является электри- ческой стенкой. Такой делитель можно рассматривать как конструкцию, соответствующую самому тривиальному выводу из теории симметрии электродинамических систем.

Делитель может быть выполнен в виде, показанном на фиг.3, если для фазовой манипуляции требуется разность фаз π на входах 7 и 8 волноводного сумматора 6. По сравнению с делителем, изображенным на фиг.2, в этом случае выходные волноводы скручены на угол ± 90^о с сохранением зеркальной плоскости симметрии 0-0.

Делитель может быть выполнен в виде, показанном на фиг.4, если сумматор имеет коаксиальные входы и на них нужно получить противофазные сигналы. По сравнению с делителем на фиг.2 имеются дополнительное коаксиально-волноводные переходы. Для получения синфазных сигналов надо один из переходов повернуть на 180^о вокруг оси соответствующего волновода (т.е. установить на противоположную стенку волновода).

В приведенных примерах возможны отражения от неоднородностей волноводов (изгибов, стыков), но разность фаз сигналов при идентичных характеристиках входов сумматора обязательно равна 0 или π в полосе рабочих частот волноводных элементов. По крайней мере на фазовую полосу частот дополнительных ограничений нет.

Делитель может быть выполнен в виде магнетрона с двумя выводами энергии, числом резонаторов, кратным 4, и ортогональными плоскостями симметрии (фиг. 5). Входом манипулятора в этом случае, как и в прототипе, служит вход циркулятора 13, куда подается сигнал, синхронизирующий магнетрон 14 (фиг. 6). Точность фазирования обеспечивается за счет расположения выводов энергии в противоположных симметричных резонаторах и возбуждения только рабочего вида колебаний системой электронных спиц (спиц электронного облака магнетрона), симметричных относительно центральной оси (линии пересечения первой и второй плоскостей симметрии 0-0 и 1-1 на фиг.5). Эта ось проектируется на плоскость рисунка в виде точки, являющейся центром инверсии. Легко видеть, что при наличии такого центра инверсии для всей конструкции магнетрона и электронного облака последнее возбуждает только один тип колебаний, соответствующий электрической стенке в плоскостях симметрии. Центром инверсии обладает облако с четным числом спиц. Число резонаторов магнетрона для π вида колебаний должно быть вдвое больше, т.е. кратно 4. Для рабочего вида колебаний само понятие π вида колебаний становится приближенным, так как сдвиг по фазе на ячейку в замедляющей системе с выводами энергии не равен точно π , но разность фаз в симметричных точках выполняется точно.

Сформулированное условие симметрии всей конструкции магнетрона относится и к траверсам крепления катода (на фиг.5 они условно показаны в виде элемента 9) и к связкам. Одна из возможных конструкций связок показана на фиг. 5. К ламелям 10 анодного блока связки крепятся в двух точках 11 и 12, разнесенных по радиусу. Пересечение проводников связок выполняется как обычно, без гальванического контакта между ними, например изгибом проводников в месте пересечения и их расположением в этом месте на разных расстояниях от ламелей. Нарушения геометрической симметрии не удается избежать только в местах пересечения связками упомянутых выше плоскостей симметрии. Такая несимметрия несущественна для токов по связкам и не нарушает симметрии поля в области взаимодействия электронного потока с этим полем. Последнее относится и к возможной вариации расположения петель коаксиальных выводов в зависимости от требуемой с этих выводов разности фаз 0 или π . На фиг.5 показаны только волноводные выводы.

СВЧ фазовый манипулятор работает так же, как и прототип.

Сигнал с входа делителя поступает в каналы 2 и 3, равной электрической длины (фиг.1). При соответствующем управлении затуханием аттенюаторов 4 и 5 колебания на выходе сумматора 6 характеризуются двумя фазовыми состояниями, различающимися на π , что и требуется для фазовой манипуляции. Зависимость коэффициента n замедления вблизи π вида колебаний от длины волны λ можно аппроксимировать выражением n = 4 λ - 20, (1) где λ - длина волны, см. Условие резонанса для π вида можно представить в виде π·N= ϕN+22+, , (2) где N - число ячеек анодного блока; ϕ - сдвиг фазы на ячейку невозмущенной системы; Ψ - дополнительный сдвиг фазы в ячейке под влиянием возмущения (вывода энергии); 2 (Ψ/2) - дополнительный сдвиг фазы в двух ячейках, соседних с ячейкой, в которой имеется вывод энергии. Последнее соответствует наблюдаемому в эксперименте наибольшему влиянию вывода энергии на параметры выходной и соседних с ней ячеек. Это влияние учтено в линейном приближении. Коэффициент 2 перед скобками учитывает наличие двух выводов энергии.

При отсутствии возмущений Ψ = 0 и ϕ=π . В присутствии выводов энергии Ψ≠ 0 и ϕ≠π. Под влиянием одной петли связи с нагрузкой наблюдается, например, уменьшение собственной длины волны π вида колебаний на 1,5%. Смещение частоты под влиянием двух петель связи можно считать в два раза большим, так как структура поля в ячейках одинакова, а само смещение определяется амплитудой поля. Дифференцируя (1) имеем = 4 = 4(-0,03)= -0,12.

Учитывая, что = + получим = - = -0,12+0,03= -0,09.

Аналогично, дифференцируя (2), имеем N Δϕ+4ΔΨ = 0 Отсюда для восьмирезонаторного магнетрона ΔΨ=Ψ= - Δϕ=2π·0,09=0,565 (рад.)=32,4°
Погрешность фазовой манипуляции в устройстве-прототипе оценивается, таким образом, десятками градусов.

В предлагаемом устройстве эта погрешность определяется несимметрией входного делителя (погрешностью изготовления делителя). Такую погрешность по геометрическим размерам можно считать величиной, не менее чем на порядок меньшей по сравнению с выводом энергии, и оценивать погрешность фазовой манипуляции предла- гаемого устройства в несколько градусов.

Конкретное выполнение предложенного СВЧ фазового манипулятора представляет собой стандартную инженерную задачу проектирования СВЧ устройств.

Основной эффект от использования предложенного устройства состоит в том, что применение достаточно мощного источника колебаний (либо стандартного, либо специально разработанного симметричного магнетрона с двумя выводами энергии) позволяет получить сигнал с высокой точностью манипуляции фазы и достаточно большой мощности. Сама фазовая манипуляция сводится к управлению затуханием аттенюаторов без потери точности.

Формула изобретения

1. СВЧ ФАЗОВЫЙ МАНИПУЛЯТОР, содержащий входной делитель, к выходным плечам которого подключены каналы равной электрической длины, включающие управляемые аттенюаторы и подключенные к выходному сумматору, отличающийся тем, что, с целью повышения точности фазового сдвига, конструкция входного делителя выполнена с зеркальной симметрией выходных плеч.

2. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что выходные плечи делителя выполнены в виде скруток +90^o и -90^o прямоугольных волноводов.

3. Манипулятор по п.1, отличающийся тем, что выходной делитель выполнен в виде магнетрона с числом резонаторов, кратным 4, диаметрально противоположные резонаторы, расположенные на первой плоскости симметрии, являются выходами входного делителя, а входной делитель выполнен с зеркальной симметрией относительно второй плоскости симметрии, ортогональной первой, при этом смежные ламели анодного блока соединены посредством связок, соседние точки подключения которых разнесены по радиусу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6