Проходные фазовращатели

Среди проходных одноступенчатых ФВ можно выделить три основных типа:

 

1. Проходные шлейфные фазовращатели, в которых изменение фазы коэффициента прохождения осуществляется коммутацией различных периодически включенных в линию параллельных реактивностей (шлейфов); эти приборы называются также фазовращателям типа периодически нагруженной линии.

2. Проходные фазовращатели, полученные преобразованием одноступенчатых отражательных фазовращателей. Преобразование можно осуществить, нагрузив на отражательный ФВ циркулятор или трехдецибельный направленный ответвитель. Такие Фазовращатели называются проходными фазовращателям на гибридных устройствах.

3. Проходные фазовращатели, в которых скачкообразное изменение фазы проходящего сигнала достигается переключением каналов с различной электрической длиной. Такие фазовращатели называются проходными с переключаемыми каналами.

Проходные дискретные ФВ могут быть одноступенчатыми, и многоступенчатыми. Последние образуются, как правило, каскадным включением одноступенчатых проходных ФВ.

Фазовращатели с переключаемыми каналами являются наиболее простыми и применяются в нижней части СВЧ диапазона, где p-i-n-диод можно рассматривать как идеальный ключ (рис. 3 и 4). Схема рис. 3 поясняет принцип работы ФВ на переключаемых линиях. Когда открыта одна пара диодов (VD₁ и VD₂) и закрыта вторая (VD₃ и VD₄), электромагнитная волна распространяется по линии длиной θ₁. При изменении смещения на всех четырех диодах на противоположное электромагнитная волна будет распространяться по линии длиной θ₂, так что фазовый сдвиг Δφ = θ₂ — θ₁.

 

Рис. 3. Схема проходного ФВ на переключаемых линиях

 

Рис. 4. Схема проходного полевого ФВ

 

Принципиальным для этой схемы является использование четырех диодов. Это объясняется тем, что на входе и выходе фактически используются двухканальные переключатели, которые обеспечивают коммутацию каналов, связанных между собой попарно отрезками длиной θ₁ и θ₂. Использование четырех диодов в одном разряде ФВ ведет к увеличению потерь и является основным недостатком ФВ на переключаемых линиях. Фазовращатель на переключаемых линиях по существу является линией задержки, у которой фазовый сдвиг линейно зависит от частоты.

Другим вариантом ФВ на переключаемых линиях является петлевой ФВ (рис. 4), у которого расстояние между концами петли длиной θ₁ много меньше длины волны, так что можно считать, что диод VD₁ непосредственно соединяет концы петли. К середине петли через диод VD₂ подключается короткозамкнутый параллельный шлейф длиной θ₂ с волновым сопротивлением Z₂. Когда диоды закрыты, сигнал проходит по петле. При Z₁ = Z₀ ФВ согласован по входу, и длина петли θ₁ обеспечивает фазовый набег Δφ = θ₁. Если диоды открыть, то фазовый набег будет равен нулю в случае, когда реактивное сопротивление, вносимое петлей, также равно нулю. Таким образом, электрическая длина петли определяет величину фазового сдвига.

Согласование ФВ по входу обеспечивается равенством:

 

(7)

 

Широкое распространение получили проходные ФВ на гибридных устройствах. Гибридное устройство представляет собой направленный ответвитель, в котором мощность делится поровну между прямым плечом и рабочим и соответственно затухание равно 3 дБ. Наиболее простой 3-дБ направленный ответвитель на полосковых линиях реализуется в виде шлейфного моста. Эквивалентная схема такого фазовращателя приведена на рис. 5, где шлейфный мост изображен в виде восьмиполюсника (N = 4).

 

Рис. 5. Эквивалентная схема ФВ на гибридном устройстве.

 

Плечи моста имеют длину λ/4 и различаются волновыми сопротивлениями (рис. 6). В прямое и рабочее плечи моста включаются одинаковые отражательные ОФВ. В соответствии с принятой на рис. 5 нумерацией плеч матрица рассеяния 3-дБ направленного записывается в виде:

(8)

 

Рис. 6 Схема проходного ФВ с использованием 3-децибельного шлейфного моста.

 

Если в плечо 1—1 подан входной сигнал а₁, плечо 2—2 нагружено на согласованную нагрузку (а₂=0), а к плечам 3—3 и 4—4 подключены идентичные ОФВ с коэффициентом отражения Г_in, то сигнал в выходном плече 2—2 b_г = —j Г_in • а₁.

Для двух состояний управляющего элемента в ОФВ фаза волны на выходе b₂ будет соответствовать двум значениям фазы коэффициента отражения Г_in1.2, так что

 

(9)

 

т. е. фазовый сдвиг одноступенчатого проходного ФВ на гибридных устройствах равен фазовому сдвигу, создаваемому входящим в его состав отражательных ФВ. Пример топологии двухразрядного ФВ на четыре фазовых состояния приведён на рис. 7.

 

Рис. 7. Использование гибридных устройств для преобразования отражательных фазовращателей в пятиразрядный проходной фазовращатель.

 

Характеристики проходного ФВ в большой мере определяются характеристиками моста, поэтому в зависимости от требований, предъявляемых к фазовращателю, применяют различные восьмиполюсники, в частности шлейфные мосты, гибридные кольца и направленные ответвители на связанных линиях различной конфигурации.

Пример выполнения одного разряда проходного шлейфного ФВ приведен на рис. 8. Диоды VD₁ и VD₂ через блокировочные конденсаторы С_б (l/ωC_бZ₀ << r_-) включены в качестве нагрузки в линию длиной θ₂ с волновым сопротивлением Z₂. Линия с сопротивлением Z₂ является для основной линии параллельным шлейфом с нагрузкой Z_n на конце, откуда и название такого фазовращателя— шлейфный. Между одинаковыми шлейфами с одинаковыми нагрузками Z_д включается отрезок линии длиной θ₁= π/2 с волновым сопротивлением Z₁ для согласования в заданной полосе частот.

Рис. 8 Схема проходного шлейфного ФВ.

 

Двум состояниям управляющего элемента соответствуют два значения нормированной входной проводимости шлейфа и соответственно два значения коэффициента отражения Г₁ и Г₂, причем

 

(10)

 

Для ОФВ без потерь , и при В1 = -В2 = В разность фаз коэффициентов отражения на входе двухполюсника в двух состояниях

 

(11)

 

При этом изменение фазы коэффициента передачи шлейфного ФВ для случая θ = π/2 определяется выражением:

 

(12)

 

На входе фазовращателя на центральной частоте:

 

КСВН = (13)

 

Из выражений (11) и (12) следует, что

 

(14)

 

(15)

 

Воспользовавшись выражениями (11) и (12), можно показать, что при изменении от 0 до 0.4 можно получать скачки фаз до 45^О, КСВН при этом на центральной частоте не будет превышать 1.2. При таких значениях в (15) величиной можно пренебречь, тогда

 

(16)

 

Из (14) и (15) следует, что при малых

 

(17)

 

Попытка получить фазовый сдвиг больше 45° приводит к резкому уменьшению полосы частот по согласованию, которая может быть расширена за счет увеличения числа шлейфов.

Рассмотренные схемы отражательных и проходных ФВ описывают основные интегральные схемы ФВ на p-i-n-диодах. Приведенные базовые схемы ФВ могут быть дополнены другими элементами, позволяющими изменять параметры и характеристики ФВ за счет увеличения числа степеней свободы. При этом все элементы базовой схемы сохраняются.

В дискретных проходных ФВ обычно требуется получить несколько различных фазовых состояний р > 2. Это достигается применением каскадной схемы включения одноступенчатых ФВ, каждый из которых обеспечивает определенный фазовый сдвиг. Минимальный скачок фазы Δφ называют дискретом фазового сдвига. Для получения р различных фазовых состояний, отстоящих друг от друга на дискрет фазового сдвига и обеспечивающих изменение фазы в пределах 0 ... 360°,необходимо соединить каскадно т одноступенчатых ФВ, которые называются разрядами ФВ. Число разрядов связано с числом фазовых состояний соотношением

 

p = 2ⁿ. (18)

 

Фазовый сдвиг, обеспечиваемый i-ым разрядом,

 

(19)

 

Потери в многоступенчатом проходном ФВ, представляющим собой каскадное включение одноступенчатых ФВ, полученных преобразованием отражательных ФВ в проходные с помощью гибридных соединений, определяются выражением:

 

. (20)

 

Для ФВ с числом разрядов m > 3 потери (в дБ) не превышают величину

 

(21)

 

Качество (в град/дБ) многоразрядного ФВ определяется значением ФКК и для m > 3 оценивается с помощью формулы:

 

(22)

 

Дискретные ФВ на p-i-n диодов качестве элементов ФАР выполняются, как правило, в виде гибридных интегральных схем на микрополосковых линиях с навесными p-i-n диодами.

Маломощные ФВ, предназначенные для работы главным образом в приемных ФАР и управляющие СВЧ мощностью не более 0,3...0,5 Вт, отличаются высоким быстродействием (t < 1мкс) и малой мощностью потребления по цепям управления (I_упр = 30...50mA). Потери в таких ФВ составляют 0,5...1,5 дБ в диапазоне 1...10ГГц, КСВН < 1,5, полоса частот 10...30%. Фазовращатели выполняются с дискретом фазового сдвига 11,25^о или 22,5^о. Площадь ФВ на керамической подложке (поликор) толщиной 0,5мм зависит от рабочей частоты и от числа разрядов ФВ и не превышают 60х48 мм².

Фазовращатели средней (Р_ср < 10Вт и Р_имп < 1кВт) и высоко мощности (Р_ср = 10.50 Вт и Р_имп = 1...2кВт) имеют уровень потерь 1...2 дБ и КСВН не более 1,5 в полосе частот 5...7%.