Широкополосный дискретный фазовращатель на 180 @

(19) RU (11) (51) 5 Н01Р1 18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5004461/09 (22) 31.0791 (46) 15.11.93 Бюп Na 41-42 (71) Государственное научно-производственное предприятие "Эриком" (72) Мариков Г.И. (73) Государственное научно-производственное объединение "Эриком" (54) ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИСКРЕТНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ НА 180 (57) Использование: изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в различной аппаратуре в; качестве широкополосного дискретного фазовращателя на 180 Сущность изобретения: в широкополосном дискретном фазовращатепе, содержащем первый и второй однополосные двусторонние переключатели, входные плечи которых являются соответственно входом и выходом устройства, к одним их выходным плечам одними противоположными концами подсоединены две связанные пинии передачи, другие концы которых соединены с общей шиной, а между другими выходными плечами включен отрезок линии передачи, который является продольным участком П-образного контура, чьи поперечные боковые участки заземлены через введенные элементы с активным сопротивлением. Элементы с активным сопротивлением могут быть выполнены в виде резисторов или каналов сток — исток полевого транзистора 2 з.пф-лы, 4 ил.

2003211

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, содержащий два четырехполюсника с различными электрическими длинами и два двусторонних однополюсных переключателя, поочередно соединяющих четырехполюсники с входом и выходом фазовращателя. В этом фазовращателе изменение фазы коэффициента передачи осуществляется в результате поочередного включения укаэанных четырехполюсников в основной СВЧ-тракт с помощью переключателей, а управляемый фазовый сдвиг равен разности электрических длин переключаемых четырехполюсников.

Недостатками известного фазовращателя являются, во-первых, то, что управляемое изменение фазы коэффициента передачи, как правило, сопровождается не- 25 желательным изменением модуля коэффициента передачи — параэитной амплитудной модуляцией, и, во-вторых, то, что управляемый фазовый сдвиг равен номинальной ве-. личине только на определенных З0 фиксированных частотах, при отклонении частоты модулируемого СВЧ-сигнала от которых величина управляемого фазового сдвига также отклоняется ог номинальной, т.е. появляется фазовая ошибка, растущая с 5 возрастанием частотной расстройки и ограничивающая ширину полосы рабочих частот фаэовращателя.

Наиболее близким по технической сущности к описываемому изобретению являет- 40 ся широкополосный дискретный фазовращатель на 180О, содержащий первый и второй однополюсные двусторонние переключатели, входные плечи которых являются соответственно входом и выходом "5 устройства, к одним их выходным плечам одними противоположными концами подсоединены две связанные линии передачи, другие концы которых заземлены, а между другими выходными плечами включен отре- 50 зок линии передачи, который является продольным участком П-образного контура, чьи боковые поперечные участки заземлены. 8 этом фазовращателе боковые поперечные участки П-образного контура выполнены в 55 виде отрезков регулярной линии передачи.

Известный фазовращатель имеет следующие основные недостатки;

Наличие паразитной амплитудной модуляции СВЧ-сигнала.

Величина управляемого фазового сдвига точно равна номинальному значению (180О) только на средней (резонансной) частоте рабочей полосы, где длина каждого отрезка линий передачи в продольном и поперечных участках П-контура и длина пары связанных линий равны точно четверти длины волны СВЧ-сигнала, а при отклонении частоты от резонансной фазовая ошибка монотонно растет иэ-за различия фазочастотных характеристик пары связанных линий и П-образного контура, что ограничивает ширину полосы рабочих частот фазовращателя.

Указанные недостатки приводят к искажениям спектральных характеристик СВЧсигнала и отрицательно влияют на параметры системы, использующей такой фазовращатель (ухудшается подавление сигнала несущей, растут шумы при фазовой модуляции, увеличиваются погрешности формирования диаграммы направленности в фазированных решетках и т.д.).

В известном фазовращателе П-образный контур имеет на средней частоте рабочего диапазона .нулевые потери, тогда как потери в паре связанных линий на этой частоте зависят от коэффициента связи и в общем случае имеют конечную величину, отличную от нуля. Более того, в микрополосковом исполнении в принципе невозможно реализовать пару связанных линий с коэффициентом связи, строго равным единице, что соответствует нулевым потерям.

Таким образом, известному фазовращателю принципиально свойственна паразитная амплитудная модуляция.

Рассмотрим зависимость величины управляемого фазового сдвига в таком фазовращателе от частоты. На любой частоте величина управляемого фазового сдвига равна разности фаз коэффициентов передачи пары связанных линий и П-образного контура. На средней частоте рабочего диапазона пара связанных линий сдвигает фазу

СВЧ-сигнала на плюс 90 градусов, а П-образный контур — на минус 90 градусов, так что величина управляемого фазового сдвига фазовращателя составляет точно 180 градусов. При отклонении частоты от резонансной фаза коэффициента передачи

fl-образного контура .отклоняется от резонансного значения быстрее, чем фаза коэффициента передачи пары связанных линий.

Следовательно, разность фаэ этих коэффициентов передачи также отклоняется от номинальной величины 180 градусов, то есть появляется фазовая ошибка. растущая по. 2003211 мере увеличения отклонения частоты от резонанса.

Задачей описываемого изобретения является уменьшение паразитной амплитудной модуляции СВЧ-сигнала и расширение полосы рабочих частот фазовращателя при уменьшении или сохранении фазовой ошибки.

Сущность описываемого изобретения заключается в том,.что в широкополосный дискретный фазовращатель на 180О, содержащий первый и второй однополюсные двусторонние переключатели, входные плечи которых являются соответственно входом и выходом устройства, к одним их выходным плечам одними противоположными концами подсоединены две связанные линии передачи, другие концы которых заземлены, а между другими выходными плечами включен отрезок линии передачи, который является продольным участком П-образного контура, чьи боковые поперечные участки заземлены, согласно изобретению, введены два элемента с активным сопротивлением, через один из которых заземлен один поперечный участок, а через другой — другой поперечный участок П-образного контура.

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 является входом для подключения сигнала управления.

Наличие элементов с активным сопротивлением приводит к увеличению потерь энергии в fl-образном контуре фазовращателя во всем диапазоне частот и к некоторому замедлению отклонения фазы коэффициента передачи П-образного контура от резонансного значения минус 90 при отклонении частоты от резонансной частаты fo.

Поскольку, как уже отмечено выше, пара связанных линий принципиально вносит ненулевые потери в СВЧ-тракт во всем диапазоне частот, то увеличение потерь энергии в П-образном контуре вследствие введения в него элементов с активными сопротивлениями вызывает уменьшение разницы модулей коэффициентов передачи пары связанных линий и П-образного контура, т.е. уменьшение паразитной амплитудной модуляции СВЧ-сигнала в фазовращателе.

Замедление отклонения фазы коэффициента передачи П-образного контура от резонансного значения минус 90 в

55 результате появления в нем элементов с активными сопротивлениями приводит к сближению скоростей изменения фаз коэффициентов передачи П-образного контура и пары связанных линий и уменьшению фазовой ошибки. а следовательно, и к расширению полосы частот, где фазовая ошибка не превышает заданной величины.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема широкополосного дискретного фазовращателя на 180О; на фиг, 2 — принципиальная схема фазовращателя, в котором элементы с,.активным сопротивлением реализованы в виде полевых транзисторов; на фиг. 3 — схема фазовращателя, в котором однополюсные двусторонние переключатели выполнены на основе переключающих полевых транзисторов, а элементы с активным сопротивлением, соединяющие боковые поперечные участки П-образного контура с землей, реализованы в виде полевых транзисторов, созданных в том же кристалле монолитной интегральной схемы, что и переключатели; на фиг. 4 — расчетные фазочастотные характеристики фаэовращателя в зависимости от величин активных сопротивлений. Характеристики получены с помощью численного моделирования на

ЭВМ.

Широкополосный дискретный фазовращатель на 180 (фиг. 13 содержит первый и второй однополюсные двусторонние переключатели 1 и 2, входные плечи которых являются соответственно входом и выходом устройства, к одним их выходным плечам одними противоположными концами подсоединены две связанные линии передачи 3, другие концы которых заземлены, а между другими выходными плечами включен отрезок линии передачи 4, который является продольным участком П-образного контура, чьи боковые поперечные участки 5 и 6 заземлены, а два элемента 7 и 8 с активным сопротивлением, через один из которых 7 заземлен один поперечный участок 5, а через другой 8 — другой поперечный участок 6

П-образного контура. Боковые поперечные участки 5 и 6 П-образного контура выполнены в виде отрезков линий передачи. В качестве каждого элемента с активным сопротивлением может быть использован резистор.

Фазовращатель работает следующим образом.

В первом фазовом состоянии переключатель 1 направляет сигнал, поступающий на вход фазовращателя, на вход пары связанных линий передачи 3, с выхода которых переключатель 2 передает сигнал на выход фазовращателя. Во втором фазовом состоя7

2003211

10

50

55 нии переключатели 1 и 2 направляют сигнал соответственно с входа на выход фазовращателя через П-образный контур. Так как оба переключателя являются симметричными, то величина управляемого фазового сдвига в таком фазовращателе равна просто разности фаз коэффициентов передачи связанных линий 3 и П-образного контура, а величина паразитной амплитудной модуляции сигнала равна разности модулей коэффициентов передачи связанных линий и

П-образного контура, выраженной в децибелах. Введение элементов с активным сопротивлением 7 и 8, например, в виде резисторов привело к появлению дополнительных потерь энергии (по сравнению с известным решением) в П-образном контуре и следовательно к уменьшению паразитной амплитудной модуляции, а также к изменению фазочастотной характеристики

П-образного контура таким образом, что произошло расширение рабочей полосы частот фазовращателя при уменьшении или сохранении фазовой ошибки.

В другом варианте схемы фазоеращателя (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 элементы с активным сопротивлением 7 и 8 выполнены в виде полевых транзисторов 9 и 10, истоки которых 11 и 12 заземлены, стоки 13 и 14 соединены с концами боковых поперечных участков П-образного контура 5 и 6 соответственно, а на затворы 15 и 16 поступают управляющие напряжения для подбора сопротивлений каналов транзисторов таким образом; чтобы получить оптимальное сочетание минимальной паразитной амплитудной модуляции сигнала е фазовращателе и его фазочастотной характеристики.

Фазовращатель работает так же, как и устройство на фиг. 1. Однако возможность управления сопротивлениями каналов транзисторов 9 и 10 с помощью управляющих напряжений на их затворах позволяет подстраивать амплитудные и фазочастотные характеристики устройства после его изготовления или корректировать его параметры в процессе эксплуатации.

В следующем варианте фазовращателя (фиг. 3) переключатели 1 и 2 выполнены на основе переключающих полевых транзисторов в едином кристалле монолитной интегральной схемы 17, Элементы с активным сопротивлением 7 и 8, соединяющие другие концы боковых поперечных участков 5 и 6

П-образного контура с землей, реализованы в виде полевых транзисторов, выполненных в том же кристалле монолитной интегральной схемы, что и переключатели 1 и 2. Это позволяет создать полностью монолитный фазовращатель, 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 в нескольких кристаллах монолитных интегральных схем, установленных на этой подложке, Для подтверждения достигаемого результата было выполнено численное моделирование предложенной схемы фазовращателя (результаты приведены на фиг. 4), а также был изготовлен и исследован экспериментальный фазовращатель.

В качестве расчетной модели для численного моделирования зависимости частотных характеристик заявляемого широкополосного дискретного фазовращателя на 180 от величин активных сопротивлений элементов 7 и 8, соединяющих другие концы боковых поперечных участков П-5 и 6 с землей, принята схема фазоеращателя, приведенная на фиг. 1. Переключатели 1 и 2 считаются идеальными и симметричными, поэтому их параметры в расчете не учтены, а модуляционные характеристики фазовращателя (величина управляемого фазового сдвига и паразитная амплитудная модуляция) полностью определяются характеристиками пары связанных линий и

fl-образного контура. На фиг. 4 кривая 1 представляет собой амплитудно-частотную характеристику пары связанных линий, кривая 2 — АЧХ П-образного контура при нулевых активных сопротивлениях элементов 7 и 8 (прототип) и кривая 3 — АЧХ П-образного контура при активных сопротивлениях по 10

Ом каждое, На графике видно, что в описываемом фазоеращателе при таких активных сопротивлениях элементов 7 и 8 паразитная амплитудная модуляция (кривые 1 и 3) в полосе больше октавы (нормированная полоса от 0,65 до 1,35) не превышает 0,4 дБ, а в прототипе она в рассматриваемом примере доходит до 2 дБ (между кривыми 1 и 2).

Приведены фазочастотные характеристики известного фазовращателя (фиг. 4, кривая 4) 10

2003211 и заявляемого фазовращателя с активными сопротивлениями элементов 7 и 8 по 10 Ом каждое (кривая 5), Видно, что в описываемом устройстве фазовая ошибка в полосе нормированных частот 0,47 — 1.53 составля- 5 ет «3,8, тогда как в прототипе в такой же полосе фазовая ошибка достигает «- 21,3О, а фазовая ошибка не более «-3,8 обеспечивается лишь в полосе частот 0,87 — 1,13, т.е. с помощью элементов с активным сопротив- 10 лением удалось расширить полосу частот примерно в четыре раза, 15 лены. Отличающийся тем, что в него введены два элемента с активным сопротивлением, через один из которых заземлен один поперечный участок. а через другой - другой участок П-образного конту20 ра.

2. Фазовращатель по п.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 сток-исток полевого транзистора, затвор которого является входом для подключения сигнала управления, Формула изобретения

1. ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИСКРЕТНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ НА 180, содержащий первый и второй однополюсные двусторонние переключатели, входные плечи которых являются соответственно входом и выходом фазовращателя, к одним их выходным плечам одними противоположными концами подсоединены две связанные линии передачи, другие концы которых соединены с общей шиной, а между другими выходными плечами включен отрезок линии передачи, который является продольным участком П-образного контура, чьи поперечные боковые участки заэемРезультаты исследования экспериментального фаэовращателя показали, что наличие элементов с активным сопротивлением 7 и 8 позволило уменьшить паразитную амплитудную модуляцию и расширить полосу рабочих частот при уменьшении фазовой ошибки. (56) Хижа Г.С, и др. СВЧ-фазовращатели и переключатели. М,: Радио и связь, 1984, с.

80-82.

Патент США М 4612520, кл. Н 01 Р 1/18, 1986.

2003211.2003211

05 в

Составитель P.Ëîâÿãèíà

Техред M. Моргентал КоРРектоР Г1,Гереши

Редактор

Заказ 3237

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

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