научная статья по теме СИНТЕЗ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СТУПЕНЧАТОЙ ОДИНОЧНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ВТОРОГО КЛАССА СО ШЛЕЙФОМ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «СИНТЕЗ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СТУПЕНЧАТОЙ ОДИНОЧНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ВТОРОГО КЛАССА СО ШЛЕЙФОМ»

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

ср

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.

Показать целиком