Устройство распределения и фазирования сверхвысокочастотного сигнала
Владельцы патента RU 2699041:
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" (RU)
Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и предназначено для деления или суммирования СВЧ мощности при работе в фазовых антенных решетках (ФАР) или активных фазовых антенных решетках (АФАР) соответственно в режимах передачи и приема с электронным управлением фазой проходящего СВЧ сигнала в каждом из каналов. Устройство распределения и фазирования сверхвысокочастотного сигнала содержит делитель мощности на микрополосковых линиях, вход/выход которого является входом/выходом устройства, каждый вход/выход делителя мощности подключен к входу/выходу pin-диодных микрополосковых разрядных фазовращателей, выполненных из последовательно соединенных разрядов 22,5°; 45°; 90°; 180°, входы/выходы которых соединены с коаксиально-микрополосковыми переходами, являющимися входами/выходами устройства. Управляющие выходы устройства управления подключены к фильтрам питания, соединенными с управляющими входами соответствующих разрядов фазовращателей. Для увеличения количества фазовых разрядов в фазовращателях устройства распределения и фазирования сверхвысокочастотного сигнала с наименьшим разрядом 5,625° и уменьшением фазовых ошибок без увеличения массы и габаритов делитель мощности выполнен содержащим (N-4) канала, где N - целое число >5. В каждый pin-диодный микрополосковый фазовращатель дополнительно введены разряды 5,625° и 11,25°, выполненные на нагруженной линии и совмещенные на одном согласующем отрезке микрополосковой линии, выполненной в виде меандра с элкромагнитной связью. Разряды 22,5° и 45° выполнены на основе петлевых фазовращателей со связью в петле и дополнительным pin-диодом в разрыве короткозамкнутого согласующего шлейфа, подключенного к вершине петли каждого разряда. Кроме того pin-диодный разряд 90° выполнен на основе компактно свернутого встречно-штыревого направленного ответвителя с диодами, соединенными с корпусом на концах высокоомных шлейфов, подсоединенным к внутренним плечам встречно-штыревого ответвителя. Все цепи соединения с корпусом подключены к основному тракту через помехоподавляющие фильтры, причем управляющие входы дополнительных разрядов 5,625° и 11,25° соединены с фильтрами питания, подключенными к соответствующим дополнительным выходам устройства управления. 3 ил.
Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и предназначено для деления или суммирования СВЧ мощности при работе в ФАР или АФАР соответственно в режимах передачи и приема с электронным управлением фазой проходящего СВЧ сигнала в каждом из каналов.
Известно устройство распределения и фазирования сверхвысокочастотного сигнала (RU №8838 МПК Н01Р 1/18, опубл. 16.12.1998), содержащее содержащее N-канальный делитель мощности, состоящий из (N-1)-го кольцевых делителей мощности с балластными резисторами на микрополосковых линиях, вход и выходы которого соединены соответственно с сверхвысокочастотным входом и с входами N микрополосковых pin-диодных М-разрядных фазовращателей с дискретным изменением фазового сдвига, а также устройство управления, являющееся источником напряжений смещения pin-диодов, каждый выход которого присоединен через фильтр к соответствующему управляющему входу соответствующего фазовращателя. Все разряды фазовращателя есть однотипные петлевые фазовращатели, имеющие по два переключаемых фазовых состояния, разность между вносимыми фазовыми сдвигами которых составляет ΔФ1=(360°/2М), ΔФ2=360°/2(М-1), …, ΔФМ-1=90°, ΔФМ=180°. М-ый разряд состоит из второго и третьего 90-градусных разрядов и поэтому общее количество разрядов K=М+1. Противоположные стороны петли каждого разряда каждого фазовращателя имеют между собой электромагнитную связь заданной величины. В основании и вершине петли каждого разряда соответственно размещены первый и второй pin-диоды. В вершине петли, в разрыв микрополоски подключен первый конденсатор, один вывод которого связан с объединенными выводами катода первого pin-диода и анода второго pin-диода. Второй вывод конденсатора соединен с анодом первого pin-диода, каждый управляющий вход связан через соответствующий второй конденсатор с землей и подключен к соответствующему разряду фазовращателя через согласующий проводник к катоду второго pin-диода. Причем половина петли, согласующий проводник и второй конденсатор образуют суммарную длину L=λ/4, а точка соединения управляющего входа, согласующего проводника и второго конденсатора есть точка короткого замыкания по сверхвысокой частоте. При этом все K разрядов соединены между собой последовательно, а соседние разряды, от K-го к первому, объединены попарно путем соединения анодов их первых pin-диодов так, что входом и выходом каждой такой пары являются соответственно точки соединения катода первого pin-диода с анодом второго pin-диода предыдущего и следующего разрядов. При этом, если K четное, то описанные пары разрядов отделяются от входа фазовращателя, друг от друга и от выхода фазовращателя соответственно (2K+1)-ым, (2K+2)-ым, …, [2K+(K/2)+1]-ым конденсаторами, включенными в разрыве микрополоски. Если K - нечетное, то первый разряд не имеет пары и с входом фазовращателя через (2K+1)-ый конденсатор соединяется анод его первого pin-диода, а описанные пары разрядов отделяются от первого разряда, друг от друга и от выхода фазовращателя соответственно (2K+2)-ым, (2K+3)-им, (2K+[(K+1)/2]+1)-ым конденсаторами, включенными в разрывы микрополоски. При этом в каждой паре разрядов, а при нечетном K и в непарном разряде аноды первых pin-диодов заземлены через высокомный параллельный короткозамкнутый шлейф длиной L=λ/4, так что общее количество таких шлейфов при четном K равно K/2, а при нечетном K равно (K+1)/2.
Устройство управления содержит N каналов управления, каждый из которых выполнен из последовательно соединенных М-канальных селектора, регистра и ключа, выходы которого подключены к соответствующим управляющим входам соответствующего микрополоскового pin-диодного М-разрядного фазовращателя. Первые М входов всех селекторов соединены с соответствующими М выходов вычислителя для подачи М-разрядного кода фазы, (М+1)-ые входы всех селекторов объединены и подключены к (М+1)-му выходу вычислителя для подачи сигнала разрешения записи, а (М+2)-ые входы селекторов присоединены к соответствующим выходам дешифратора, входы которого соединены с соответствующими выходами вычислителя для подачи кода адреса разрядности K=log2N, кроме того, в каждом канале 180-градусного фазового сдвига, между регистром и ключом, включен сумматор, второй вход которого связан с соответствующим выходом вычислителя, по команде которого переключаются все 180-градусные разряды всех N фазовращателей в одно из двух возможных фазовых состояний, отличное от включенного до подачи этого сигнала.
Недостатком данного технического решения является:
- узкополосность (~7%);
- при m>4 (т.е., pin-диодный разряд 11,25° и меньше) трудно реализуемые на петле с электромагнитной связью;
- в разряде 180° используются четыре pin-диода (два разряда 90°);
- применение разрядов одного типа, а значит фазовые характеристики разрядов одинакового наклона, что приводит к увеличению фазовых ошибок при включении нескольких разрядов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство распределения и фазирования сверхвысокочастотного сигнала (Радиолокационные системы специального и гражданского назначения 2010-2012, под ред. Ю.И. Белого, Радиотехника, Москва, 2011, стр. 603-614), содержащее, специализированную сборку СВЧ в герметичном корпусе и устройство управления с соединителями интерфейсов управления, программирования и контроля. В микросборке находится 4-х канальный делитель мощности на микрополосковых линиях, вход/выход которого соединен с коаксиально-полосковым герметичным переходом входом/выходом устройства распределения и фазирования, а каждый из входов/выходов делителя соединен со входом/выходом одного из 4-х четырехразрядных pin-диодных фазовращателей с разрядами 22,5°, 45°, 90°, 180° и корректирующим разрядом 22,5°, причем разряд 180° реализован на встречно-штыревом направленном микрополосковом ответвителе, а фазовые разряды 22,5°, 45°, 90° и корректирующий разряд 22,5° построены на основе петлевого фазовращателя с электромагнитной связью в петле, кроме того управляющие входы каждого фазовращателя подключены через фильтры питания к соответствующим выходам устройства управления и программирования.
Недостатком этого технического решения является большой дискрет изменения фазы 22,5°, наличие корректирующего разряда, большие фазовые ошибки, (среднеквадратичная ошибка установки фазы 6,5°).
Техническим результатом изобретения является увеличение количества фазовых разрядов в фазовращателях устройства распределения и фазирования сверхвысокочастотного сигнала с наименьшим разрядом 5,625° и уменьшением фазовых ошибок без увеличения массы и габаритов. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что устройство распределения и фазирования сверхвысокочастотного сигнала содержит четырехканальный делитель мощности на микрополосковых линиях, вход/выход которого является входом/выходом устройства, каждый вход/выход делителя мощности подключен к входу/выходу одного из четырех pin-диодных микрополосковых четырехразрядных фазовращателей, выполненных из последовательно соединенных разрядов 22,5°; 45°; 90°; 180°, входы/выходы которых соединены с коаксиально-микрополосковыми переходами, являющимися входами/выходами устройства. Управляющие выходы устройства управления подключены к фильтрам питания, соединенными с управляющими входами соответствующих разрядов фазовращателей. Новыми признаками заявляемого технического решения является выполнение делителя мощности содержащим (N-4) канала, где N - целое число >5. В каждый pin-диодный микрополосковый фазовращатель дополнительно введены разряды 5,625° и 11,25°, выполненные на нагруженной линии и совмещенные на одном согласующем отрезке микрополосковой линии, выполненной в виде меандра с электромагнитной связью. Разряды 22,5° и 45° выполнены на основе петлевых фазовращателей со связью в петле и дополнительным pin-диодом в разрыве короткозамкнутого согласующего шлейфа, подключенного к вершине петли каждого разряда. Кроме того pin-диодный разряд 90° выполнен на основе компактно свернутого встречно-штыревого направленного ответвителя с диодами, соединенными с корпусом на концах высокоомных шлейфов, подсоединенным к внутренним плечам встречно-штыревого ответвителя. Все цепи соединения с корпусом подключены к основному тракту через помехоподавляющие фильтры, причем управляющие входы дополнительных разрядов 5,625° и 11,25° соединены с фильтрами питания, подключенными к соответствующим дополнительным выходам устройства управления.
Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными признаками позволяют успешно реализовать поставленную цель.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства распределения и фазирования СВЧ сигнала.
В состав устройства распределения и фазирования СВЧ сигнала входят:
1 - устройство управления;
2 - микросборка СВЧ, содержащая микроволновый делитель мощности (ДМ) на (N-4) каналов, (N-4) 6ти разрядных pin-диодных фазовращателей, 6 (N-4) герметичных фильтров (Z1-Z6), (N-3) герметичных коаксиальных полосковых переходов XW1-XW(N3) (входов/выходов устройства распределения и фазирования СВЧ сигнала), где N>5.
На фиг. 2 приведена электрическая схема 6-ти разрядного микрополоскового pin-диодного фазовращателя
На фиг. 3 приведен эскиз топологии 6-ти разрядного микрополоскового pin-диодного фазовращателя.
Состав фазовращателя:
3. совмещенные pin-диодные разряды 5,625° и 11,25° на нагруженной линии;
4. цепи соединения основной микрополосковой линии с корпусом - цепи заземления (основной тракт заштрихован);
5. pin-диодный петлевой разряд 22,5° со связью в петле;
6. pin-диодный петлевой разряд 45° со связью в петле;
7. pin-диодный разряд 90° на встречно-штыревом направленном ответвителе;
8. pin-диодный разряд 180°;
9. высокоомные микрополосковые шлейфы;
10. согласующий отрезок микрополосковой линии в виде меандра с электромагнитной связью;
К1-К6 - контакты: первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой;
VD1-VD8 - pin-диоды: первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой;
ZR1-ZR11 - помехоподавляющие фильтры: первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый.
Работа устройства распределения и фазирования сверхвысокочастотного сигнала.
При работе на передачу на входной разъем XW(N+1) устройства распределения и фазирования СВЧ подается модулированный СВЧ сигнал, который в делителе мощности делится на N-4 входов/выходов с начальным амплитудно-фазовым распределением и поступает на первые входы/выходы фазовращателей. При этом, на входной разъем устройства управления, подается команда: включить определенные фазовые состояния в каждом фазовращателе и записать в память информацию о новых фазовых состояниях фазовращателей предназначенных для исполнения в следующем такте работы устройства распределения и фазирования.
Все pin-диоды открываются отрицательным напряжением. При подаче положительного напряжения на контакты К1-6 все pin-диоды фазовращателя закрыты и СВЧ сигнал проходит по основному тракту (на фиг. 3 основной тракт заштрихован), по меандру совмещенных разрядов 5,625° и 11,25° (3), по петлям разрядов 22,5° (5) и 45° (6), в разрядах 90° (7) и 180° (8) отражается от разомкнутых концов шлейфов, подсоединенных к внутренним плечам встречно-штыревых направленных ответвителей. Получаем фазу 0°.
При подаче отрицательного напряжения на контакт К1 (фиг. 2, 3) открываются pin-диоды VD1 и VD3, и к основному тракту подключаются шлейфы, обеспечивающие задержку сигнала и получение фазы минус 5,625°.
При подаче отрицательного напряжения на контакт К2 (фиг. 2, 3) открываются pin-диоды VD3 и VD4, и к основному тракту подключаются шлейфы, обеспечивающие задержку СВЧ сигнала и получение фазы минус 11,25°.
При подаче отрицательного напряжения на контакт К3 или К4 открываются pin-диоды VD5, VD6, VD7 и СВЧ сигнал через VD5 проходит, минуя петлю по основному тракту. Естественно, путь сократился, получаем фазу +22,5° или 45°. При этом цепь от pin-диода VD5 до заземленного конденсатора С4 (петля, конденсатор С5, pin-диода VD6, отрезок согласующего шлейфа, pin-диод VD7, отрезок согласующего шлейфа, заземленный конденсатор С4) имеет электрическую длину λ/4, трансформирует холостой ход (XX) в точку pin-диода VD5 и не влияет на прохождение СВЧ сигнала по основному тракту.
При подаче отрицательного напряжения на контакт К5, открываются pin-диоды VD8 и СВЧ сигнал отражается от высокоомных короткозамкнутых шлейфов, подсоединенные к внутренним плечам встречно-штыревого направленного ответвителя, получаем фазу +90°.
При подаче отрицательного напряжения на контакт К6 открываются pin-диод, и СВЧ сигнал отражается от низкоомных короткозамкнутых шлейфов, подсоединенных к внутренним плечам встречно-штыревого направленного ответвителя, получаем фазу +180°.
Так как при включении разрядов 5,625° и 11,25°, происходит задержка сигнала, то фазовый сдвиг со знаком минус, в остальных фазовых разрядах фазовый сдвиг со знаком плюс. Поэтому для получения фазового сдвига +5,625 включаются разряды +22,5°; минус 11,25° и минус 5,625°, а для получения фазового сдвига +11,25° включаются разряды +22,5° и минус 11,25° и т.д.
При работе на прием СВЧ сигналы поступают на входы/выходы XW1-XWN и проходят через фазовращатели, суммируются в делителе мощности и поступают на вход/выход XWN+1 устройства распределения и фазирования СВЧ сигнала.
Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом, при четырехканальном делителе мощности в устройстве распределения и фазирования СВЧ сигнала (предлагаемое изобретение/прототип):
- количество разрядов 6/4;
- количество диодов 14/10;
| - полоса рабочих частот ΔF/F, % | 50/40; |
| - КПД по СВЧ | 60/63; |
| - КСВН, не более | 1,8/2; |
| - среднеквадратическая ошибка установки фазы, град, не более | 4/6,5; |
| - точность реализации начальной фазы на fcp, град | ±6/±10; |
| - максимальный общий ток потребления, А | 1,8/1,5; |
| - габаритные размеры, мм | 122×105×41/122×105×41; |
| - масса, кг | 0,4/0,42. |
Математическое моделирование и экспериментальные исследования позволили оптимизировать каждый из 6-ти pin-диодных разрядов в фазовращателях устройства распределения и фазирования СВЧ и всего фазовращателя в целом без увеличения габаритов устройства в полосе частот до 50% с минимальными фазовыми ошибками. Технико-экономическим достоинством предлагаемого технического решения является уменьшение дискрета фазирования до 5,625°, уменьшение фазовых ошибок (средне квадратичная до 4°).
Предложенное техническое решение устройства распределения и фазирования СВЧ сигнала реализовано в ФАР и АФАР дециметрового диапазона.
Устройство распределения и фазирования сверхвысокочастотного сигнала, содержащее делитель мощности на микрополосковых линиях, вход/выход которого является входом/выходом устройства, а каждый вход/выход делителя мощности подключен к входу/выходу одного из pin-диодных микрополосковых фазовращателей, содержащих последовательно соединенные разряды 22,5°; 45°; 90°; 180°, причем входы/выходы которых соединены с коаксиально-микрополосковыми переходами, являющимися входами/выходами устройства, а управляющие выходы устройства управления подключены к фильтрам питания, соединенными с управляющими входами соответствующих разрядов фазовращателей, отличающееся тем, что делитель мощности выполнен содержащим (N-4) канала, где N - целое число >5, а в каждый pin-диодный микрополосковый фазовращатель дополнительно введены разряды 5,625° и 11,25°, выполненные на нагруженной линии и совмещенные на одном согласующем отрезке микрополосковой линии, выполненной в виде меандра с электромагнитной связью, разряды 22,5° и 45° выполнены на основе петлевых фазовращателей со связью в петле и дополнительным pin-диодом в разрыве короткозамкнутого согласующего шлейфа, подключенного к вершине петли каждого разряда, кроме того pin-диодный разряд 90° выполнен на основе компактно свернутого встречно-штыревого направленного ответвителя с диодами, соединенными с корпусом на концах высокоомных шлейфов, подсоединенным к внутренним плечам встречно-штыревого ответвителя, а все цепи соединения с корпусом подключены к основному тракту через помехоподавляющие фильтры, причем управляющие входы дополнительных разрядов 5,625° и 11,25° соединены с фильтрами питания, подключенными к соответствующим дополнительным выходам устройства управления.
