РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 7, с. 801-805
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА ^^^^^^^^^^
И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
УДК 621.372.832
СИНТЕЗ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СТУПЕНЧАТОЙ ОДИНОЧНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ВТОРОГО КЛАССА СО ШЛЕЙФОМ
© 2004 г. Д. С. Губин, А. П. Креницкий, В. П. Мещанов, Л. В. Шикова
Поступила в редакцию 28.11.2003 г.
Решена задача синтеза дифференциальных фазовращателей на основе новой структуры - симметричной ступенчатой одиночной линии передачи класса II со шлейфом, включенным в середину структуры. Структура класса II представляет собой каскадное соединение отрезков различной длины с чередующимися значениями волновых сопротивлений. Задача решена численным способом с использованием метода линеаризации Пшеничного. Использование предложенной структуры позволило улучшить параметры фазовращателя по сравнению с известными.
ВВЕДЕНИЕ
Дифференциальные фазовращатели (ДФ) относятся к пассивным устройствам, которые являются базовыми элементами в современной радиоэлектронной аппаратуре. В связи с этим исследование характеристик широкополосных фазовращателей СВЧ, методов их анализа и синтеза представляет существенный интерес. До сих пор наибольшее распространение получили ДФ на основе связанных линий передачи (ЛП) [1-3]. Однако потенциальные возможности таких ДФ при микрополос-ковой реализации не могут быть использованы в полной мере, так как в планарных структурах связанных ЛП сложно реализовать требуемые высокие коэффициенты электромагнитной связи и обеспечить при этом фазовый синхронизм нормальных волн. Поэтому практический интерес представляет исследование возможностей создания широкополосных ДФ, у которых система фазового сдвига была бы выполнена на основе одиночной ЛП.
Дифференциальный фазовращатель состоит из опорного канала, представляющего собой отрезок одиночной ЛП длиной 1комп (рис. 1а) и волновым сопротивлением р0, и фазосдвигающего канала, состоящего из отрезков связанных или одиночных ЛП [1-5]. Фазовый сдвиг ДФ определяется как разность фаз волн, прошедших через опорный (1, 2) и фазосдвигающий (3,4) каналы.
На данный момент решена аналитически задача синтеза для структуры фазосдвигающего канала (см. рис. 1а), состоящего из отрезка одиночной ЛП длиной ^ср/2 (^ср - средняя длина волны) с волновым сопротивлением р и включенным посередине короткозамкнутым шлейфом с волновым сопротивлением рш длиной I = ^ср/4 [4]. В работе [5] рассмотрена структура не с одним включенным посередине короткозамкнутым шлейфом длиной
^ср/4 и волновым сопротивлением рш, а с двумя параллельно включенными короткозамкнутым и разомкнутым шлейфами длиной ^ср/8 и волновым сопротивлением 2рш (рис. 16). Нами доказана аналитическая эквивалентность этих структур [6].
В работе [6] предложена структура фазосдига-ющего канала (рис. 1в), состоящая из симметричного каскадного включения отрезков одиночной ЛП длиной I = ^ср/4 и различными волновыми сопротивлениями, со шлейфом, включенным в центре структуры. По аналогии с фазовращателями на связанных ЛП будем называть такую структуру - структура класса I.
Наряду со структурами класса I на связанных ЛП существуют структуры класса II [3], обладающие меньшими размерами по сравнению с классом I и практически идентичными характеристиками. Нами была поставлена задача провести аналогичные исследования для структур на одиночных ЛП.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В данной работе исследуется структура фазо-сдигающего канала (3, 4) (рис. 2), выполненная в виде симметричного каскадного включения нечетного числа чередующихся отрезков однородных линий передачи с волновыми сопротивлениями р и р0, различной длины I, со шлейфом с волновым сопротивлением рш длиной 1ш, включенным в середине центрального отрезка. Данную структуру назовем - структура класса II.
Структуры на одиночных ЛП с неоднороднос-тями не являются всепропускающими, поэтому, в отличие от структур на связанных ЛП, задача синтеза для них является двухкритериальной, т.е. оптимизируется не только величина отклонения фазы от номинального значения, но и входной ко-
1о-
3o-
3o-
(a)
Po
^cp/2
(6)
(в)
I 1 Ш 1
l I-*-1 l
Pi
P2
P3
P3
P2
Pi
-o2
-J-04
04
-04
Рис. 1. Структуры фазовращателя [4] (а), фазосдвигающего канала из работы [5] (б) и фазосдвигающего канала I из работы [6] (в). 1, 2 - опорный канал, 3, 4 - фазосдвигающий канал.
3 о
о4
Рис. 2. Структура фазосдвигающего канала (3, 4) исследуемого фазовращателя.
эффициент отражения такой структуры (отражение от входа 3).
Задача синтеза была поставлена в следующем виде:
minmax (gb ag2),
у i = 1,2
gi = Лф = max |ф(У, 9) - фо|, (i)
ее [61,62] v у
g2 = Climax = max |Sn(У, 9)1,
ее [61,62]
где У = (P/Po, Pш/Po, W У^р ¿Ар ¿шАср /компАср) - вектор варьируемых параметров; p0 -
волновое сопротивление подводящих ЛП; ф(У, 6) -фазочастотная характеристика ДФ; ф0 - номинальное значение фазового сдвига; 6 = 2тсХф/Х -частотная переменная; 6Х, 62 - граничные точки рабочего диапазона частот; X - длина волны; |5'11| -модуль коэффициента отражения; а - весовой множитель, определяющий баланс оптимальности между фазочастотной характеристикой (ФЧХ) и модулем коэффициента отражения; п = (т + 1)/2 (т - число ступеней фазосдигающего канала).
Задача (1) решалась численным способом с использованием метода линеаризации Пшенич-
комп
l
ш
Таблица 1. Оптимальные параметры пятиступенчатой структуры при различных значениях фазового сдвига (а = 45, к = 1.5)
Параметр ф0, град
11.25 22.5 45 90 135
Дф 0.019862 0.041655 0.090530 0.212924 0.377135
1 ^11 |макс 0.000441 0.000926 0.002012 0.004732 0.008381
Кё^макс 1.000883 1.001854 1.004032 1.009508 1.016903
Р/Р0 0.888620 0.794975 0.647048 0.451130 0.330180
Рш/Р0 3.581866 1.575937 0.622182 0.205836 0.096065
11/кср 0.028654 0.029243 0.029961 0.030040 0.029016
12/кср 0.137627 0.136078 0.132990 0.125743 0.118472
13/кср 0.527499 0.526678 0.525105 0.522269 0.519836
1ш/кср 0.249186 0.248474 0.247320 0.245890 0.245285
^к/^ср 0.891739 0.921474 0.981778 1.105179 1.231334
ьпДср 0.860061 0.857320 0.851007 0.833835 0.814812
ного [7]. Для вычисления ф(У, 6) и |^11(У, 0)| использовали следующие выражения:
ф(у, 0) = 0(^),
ср
(2)
1^п( у, 0) = ^1-1^12 (у, 0)|2,
где £12 - элемент матрицы рассеяния [5] фазосдви-гающего канала структуры, определяемый соотношением
о
512 =
А11 + А12 + А21 + А22
[А ]; =
008 [0 ] £-81П (0 к-
ср
к
ср
*р8Ч0кср) 008[0к
ср
ср
I = 1, з,
[ А ] 5 =
008( 0
2 к
* — 81п (0
•Ро • (а 15
] — 81П 0 -г-г-р [ 2к
ср
Ро
008( 0
2к
ср
2к
ср
[А ]; =
где А11, А12, А21, А22 - элементы соответствующей классической нормированной матрицы передачи [А] [8].
Матрица передачи получена перемножением матриц передачи базовых элементов, составляющих структуру, в соответствующем порядке. Для девяти-ступенчатой структуры, изображенной на рис. 2, она имеет вид
[А] = [А]1 х [А]2 х [А]з х [А]4 х [А]5 х [А]ш х
X [А]5 х [А]4 х [А]з х [А]2 х [А]1.
Классические нормированные матрицы передачи для отрезка одиночных ЛП и короткозамкну-того шлейфа имеют следующий вид [8]:
008[ 6*81П(0^ '81п[0кр) 008(0кср
[А ]ш =
I = 2, 4,
РШ01819г 11
ср
2. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
Найденные оптимальные значения весового множителя а и соответствующие им оптимальные значения параметров структуры для ф0 = = 11.25...135 град и частотного диапазона с коэффициентом перекрытия к = 1.5, 2 приведены в табл. 1-4. Длина фазосдвигающего канала, нормированная на среднюю длину волны, обозначена ¿п/кСр.
Из анализа приведенных в табл. 1-4 данных следует, что: 1) длины отрезков с волновым сопротивлением р монотонно возрастают; 2) длины отрезков с волновым сопротивлением р0 монотонно убывают к центру структуры; 3) длина шлейфа меньше длины центрального отрезка;
Таблица 2. Оптимальные параметры пятиступенчатой структуры (а = 45, к = 2)
Параметр ф0, град
11.25 22.5 45 90 135
Дф 0.096207 0.200939 0.437153 1.02671 1.79508
1 ^111макс 0.002138 0.004465 0.009715 0.022816 0.039891
Кё^макс 1.004285 1.008971 1.019620 1.046697 1.083096
Р/Ро 0.883870 0.786450 0.633361 0.433269 0.311942
Рш/Р0 3.763866 1.658543 0.657241 0.219699 0.103963
^Аср 0.032708 0.033413 0.034250 0.034296 0.033122
12/^ср 0.130535 0.128590 0.124509 0.115907 0.107165
13/^ср 0.529468 0.528506 0.526693 0.523606 0.521268
1ш/^'ср 0.249150 0.248422 0.247296 0.246102 0.245858
1к/^ср 0.887736 0.917070 0.976898 1.100510 1.228131
0.855954 0.852512 0.844211 0.824012 0.801842
Таблица 3. Оптимальные параметры девятиступенчатой структуры (а = 320, к = 1.5)
Параметр Фо, „рад
11.25 22.5 45 90 135
Дф 0.019030 0.038652 0.081291 0.183170 0.310502
1 ^п1макс 0.000059 0.000121 0.000254 0.000572 0.000970
Кё^макс 1.000118 1.000242 1.000508 1.001145 1.001942
Р/Р0 0.819391 0.686512 0.518259 0.326724 0.219826
Рш/Р0 3.469826 1.497562 0.573866 0.180108 0.079557
11/^ср 0.0112632 0.011405 0.010855 0.009951 0.009067
12Аср 0.193557 0.192129 0.186970 0.176255 0.166386
1зАср 0.058127 0.058224 0.055125 0.049563 0.044462
14/^ср 0.112356 0.109710 0.104362 0.092681 0.081425
^Аср 0.547524 0.539438 0.526750 0.513889 0.507447
1ш/^'ср 0.243299 0.236889 0.231710 0.228823 0.228939
1к/^ср 1.331600 1.352698 1.389830 1.486398 1.600022
£пАср 1.298130 1.282374 1.241374 1.170789 1.110127
Таблица 4. Оптимальные параметры девятиступенчатой структуры (а = 320, к = 2)
Параметр ф0, „рад
11.25 22.5 45 90 135
Дф 0.093758 0.191508 0.402818 0.905525 1.54070
1 ^п1макс 0.000030 0.000598 0.001258 0.002830 0.004815
Кё^макс 1.00006 1.001197 1.002519 1.005676 1.009677
Р/Р0 0.848982 0.729430 0.553108 0.342904 0.229466
Рш/Р0 3.685876 1.596919 0.615686 0.196162 0.088300
1Аср 0.010425 0.010734 0.011112 0.011127 0.010448
У^ср 0.189943 0.187534 0.182201 0.170721 0.159860
13/ХСр 0.052955 0.053560 0.053676 0.051103 0.046809
14/^ср 0.114041 0.110966 0.104353 0.090800 0.078783
^Аср 0.543275 0.538887 0.531128 0.519637 0.513433
1ш/^'ср 0.246938 0.244278 0.240014 0.235214 0.234713
1к/^ср 1.310771 1.332680 1.379102 1.482194 1.598257
ЬПДср 1.278003 1.264476 1.233812 1.167139 1.105233
Таблица 5. Параметры фазовра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.