РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 6, с. 604-609
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
УДК 621.372.832
СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЕ ФИКСИРОВАННЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ НА СВЯЗАННЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ СО ШЛЕЙФАМИ
© 2015 г. В. М. Исаев1, В. П. Мещанов2, В. В. Семенчук1, Л. В. Шикова2
Мытищинский научно-исследовательский институт радиоизмерительных приборов Российская Федерация, 141002, Московская обл., Мытищи, ул. Колпакова, 2А 2ООО Научно-производственное предприятие "НИКА-СВЧ" Российская Федерация, 410002, Саратов, ул. Московская, 66 E-mail: shikoval@mail.ru Поступила в редакцию 22.10.2014 г.
Решена задача синтеза фиксированных фазовращателей с новой структурой фазосдвигающего канала, которая образована путем каскадного включения нескольких четырехполюсников, каждый представляет собой отрезок распределенно-связанных линий передачи с короткозамкнутым шлейфом. Показано преимущество предложенной структуры по сравнению с известными.
DOI: 10.7868/S0033849415060108
ВВЕДЕНИЕ
Фиксированным фазовращателем (ФФ) называется устройство, обеспечивающее постоянный фазовый сдвиг между опорным (компенсирующим) каналом (ОК) и фазосдвигающим каналом (ФК) в широкой (сверхширокой) рабочей полосе частот. Фиксированные фазовращатели относятся к пассивным функциональным устройствам, которые являются базовыми элементами современной радиоэлектронной аппаратуры: передающей, приемной, измерительной, испытательной, контрольной. Они широко используются в фазированных антенных решетках, гибридных схемах, а также в качестве эталонной меры фазового сдвига.
Предложенная и исследованная Шиффманом [1] структура считается классической. В ней опорный канал выполнен в виде отрезка однородной одиночной линии передачи (ЛП), а ФК (рис. 1а) представляет собой отрезок однородных связанных ЛП с направленностью второго типа, выходные плечи которого соединены между собой. Фазосдви-гающий канал такого типа назван С-звеном. Теоретически С-звено является всепропускающим че-
тырехполюсником: предполагается, что отрезок связанных ЛП в нем характеризуется идеальной направленностью, а длина соединительного отрезка равна нулю.
Однако в случае практической реализации С-звена условия идеальной направленности и согласования нарушаются по двум главным причинам:
1) в реальности длина соединительного отрезка отлична от нуля;
2) в реальных связанных ЛП конкретной конфигурации условия согласования и идеальной направленности нарушаются. Например, в связанных микрополосковых ЛП конструктивно-технологические ограничения при реализации средних и высоких значений коэффициентов связи и разница фазовых скоростей нормальных волн, распространяющихся в них, нарушают условия идеальной направленности и согласования. Поэтому очевидно, что на практике потенциальные возможности фазовращателей на основе С-звеньев не могут быть полностью реализованы.
Вследствие этого появилась необходимость поиска и исследования структур ФК, в которых
Рис. 1. Структуры ФК: а — ФФ Шиффмана; б — ФФ, предложенный в [3].
Рис. 2. Двухэлементная структура ФК.
вместо соединения выходных плеч отрезка связанных ЛП "идеализированным" отрезком одиночной ЛП нулевой длины было предложено использовать отрезок ЛП, длина которого учитывается при решении задачи оптимизации [2].
В работах [3, 4] вместо упомянутого соединительного отрезка было предложено использовать короткозамкнутый шлейф (рис. 1б). Структуры со шлейфами являются отражающими, поэтому при расчете фазовращателя и его ФК на основе этих структур требуется найти компромисс между двумя максимально допустимыми величинами: максимальным отклонением фазочастотной характеристики (ФЧХ) от заданного номинального значения и максимальным значением входного коэффициента отражения в заданной полосе частот. Следует заметить, что потенциальные возможности структуры на связанных ЛП с коротко-замкнутым шлейфом, предложенной в работе [3], реализованы не в полной мере.
Цель данной работы — исследование потенциальных возможностей структуры ФК, предложенной в [3] (рис. 1б), и новой структуры ФК, образованного путем каскадного включения нескольких структур типа [3] (рис. 2), а также сравнение новой структуры ФК с ранее известными.
1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СТРУКТУРЫ, ПРЕДЛОЖЕННОЙ В [3]
В табл. 1 использованы параметры ФФ для рабочей полосы частот /2\ с коэффициентом перекрытия к =У2//1 = 2, полученные Г.М. Аристарховым и А.Н. Алексеевым по разработанной ими методике [3]. В таблице использованы следующие обозначения: Дф — максимальное отклонение функции фазового сдвига от номинального значения ф0; 9ОК = 2я/ОК/^ср — электрическая длина ОК, /ОК/^ср — длина ОК, нормированная на среднюю длину волны рабочего диапазона частот; КСВНмакс — максимальное значение коэффициента стоячей волны напряжения на входе ФК.
Для более полной реализации возможностей структуры, показанной на рис. 1б, и выявления ее потенциальных возможностей была решена задача параметрической оптимизации одновременно ФЧХ фазовращателя и КСВН его ФК. Использовалась среда проектирования AWR DE. Результаты решения приведены в табл. 2, где использованы следующие обозначения: е, 20о — волновые сопротивления четного и нечетного типов возбуждения отрезка связанных ЛП соответственно;
— волновое сопротивление шлейфа. Волновые сопротивления подводящих линий полагали равными 50 Ом.
Сравнение полученных оптимальных параметров для к = 2 с результатами, полученными Г.М. Аристарховым и А.Н. Алексеевым (см. табл. 1), показывает, что новые решения задачи оптимизации позволили улучшить частотные характеристики ФФ для всех номинальных значений фазового сдвига ф0.
Анализируя данные табл. 2, приходим к следующим выводам:
1) с ростом коэффициента перекрытия рабочего диапазона частот к для всех ф0 возрастает волновое сопротивление шлейфа;
2) с ростом ф0 увеличиваются Дф и КСВНмакс;
3) для одноэлементной структуры ФК в случае его выполнения на микрополосковых линиях волновые сопротивления шлейфа Zшл могут оказаться труднореализуемыми. Например, для ф0 = 22.5° величина Zшл > 120 Ом, а для ф0 = 135° величина ZIПЛ < 20 Ом.
Таблица 1. Параметры ФФ, полученные Г.М. Аристарховым и А.Н. Алексеевым
Ф0, град 22.5 45 67.5 90
9ок, град 202.5 225 247.5 270
Дф, град 0.02 0.045 0.075 0.166
КСВНмакс 1.02 1.04 1.09 1.14
Таблица 2. Оптимальные параметры одноэлементной структуры ФК
Фо, град 9ок, град 22.5 30 45 67.5 90 135
202.5 210 225 247.5 270 315
к = 1.5 Дф, град КСВНмакс Ъзе, Ом Яоа, Ом Zшл, Ом 0.0006 1.0032 47.66344 44.14353 138.3277 0.0010 1.0045 46.84231 42.46278 100.0776 0.0019 1.0075 45.17702 39.42702 62.06950 0.0041 1.0131 42.68654 35.53975 37.14509 0.0076 1.0201 40.27150 32.27458 25.04575 0.0206 1.0390 35.80879 27.07795 13.59355
к = 2 Дф, град КСВНмакс 20е, Ом %>о, Ом Zшл, Ом 0.0086 1.0155 47.42047 43.55725 144.9746 0.0132 1.0219 46.50398 41.69530 104.8267 0.0260 1.0368 44.63015 38.31450 64.91070 0.0567 1.0649 41.79135 33.94642 38.71016 0.1059 1.1012 38.99797 30.23687 25.97939 0.2888 1.2043 33.71346 24.23502 13.91186
к = 2.5 Дф, град КСВНмакс 20е, Ом Zоo, Ом Zшл, Ом 0.0327 1.0349 47.13932 42.88201 152.7221 0.0506 1.0496 46.11371 40.81493 110.3606 0.0993 1.0840 43.99080 37.04044 68.17924 0.2167 1.1510 40.73468 32.13841 40.46691 0.4064 1.2407 37.47584 27.94403 26.97187 1.1492 1.5100 31.48303 21.14821 14.41567
к = 3 Дф, град КСВНмакс 20е, Ом Ъо, Ом Zшл, Ом 0.0764 1.0588 46.84776 42.18564 160.8639 0.1179 1.0838 45.70255 39.90614 116.1249 0.2324 1.1439 43.31930 35.74157 71.55757 0.5081 1.2644 39.61054 30.30955 42.21531 0.9584 1.4342 35.83784 25.65116 27.88261 2.2084 2.0494 33.56017 20.06600 17.47791
Таблица 3. Оптимальные параметры двухэлементной структуры ФК
ф0, град 9ок, град 45 67.5 90 135
405 427.5 450 495
к = 1.5 Дф, град КСВНмакс Ъ0е, Ом Zоo, Ом Zшл, Ом 0.0012 1.0055 47.680629 44.159187 138.38036 0.0022 1.0089 46.457809 41.691428 87.427685 0.0034 1.0126 45.222864 39.465730 62.136779 0.0071 1.0211 42.776421 35.611043 37.228949
к = 2 Дф, град КСВНмакс Ъ0е, Ом Zоo, Ом Zшл, Ом 0.0151 1.0185 47.649437 43.760126 145.77480 0.0263 1.0272 46.469590 41.170437 92.466470 0.0403 1.0342 45.350623 38.889323 66.128572 0.0818 1.0434 43.345005 35.061278 40.439995
к = 2.5 Дф, град КСВНмакс Ъ0е, Ом Zоo, Ом Zшл, Ом 0.0576 1.0193 48.099725 43.70215 156.654676 0.1057 1.0261 47.248034 41.133039 100.82569 0.1731 1.0384 46.295900 38.700213 73.015528 0.3758 1.1262 43.098727 33.460625 43.993120
к = 3 Дф, град КСВНмакс Ъ0е, Ом Zоo, Ом Zшл, Ом 0.1430 1.0401 48.051050 43.142707 167.09840 0.2630 1.0846 46.567604 39.806329 106.50757 0.4273 1.1441 44.894434 36.620491 76.058963 0.9304 1.3146 41.152702 30.731548 45.463396
2. НОВАЯ СТРУКТУРА ФИКСИРОВАННЫХ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ
Фазосдвигающий канал новой структуры ФФ образован путем каскадного включения нескольких одинаковых элементов. Двухэлементная структура ФК приведена на рис. 2. Для двух- и трехэлементных структур была решена задача совместной пара-
метрической оптимизации ФЧХ и КСВН при использовании среды проектирования AWR DE.
В табл. 3 и 4 приведены рассчитанные оптимальные параметры ФФ двух- и трехэлементной структур ФК.
Из табл. 3 и 4 следует, что увеличение числа элементов приводит к уменьшению отклонения
(а)
ад
гра 90.00
90 100 9,град
1 1 1
ВН1
8 1 1 1
(б)
90 100 9, град
Рис. 3. Оптимальные характеристики сдвига фазы ФФ (а) и КСВН (б) ФК. Штриховые кривые — один элемент, сплошные кривые — два элемента.
ФЧХ Дф от заданного номинального значения ф0 и уменьшению КСВН на входе ФК, на микропо-лосковых ЛП при к = 2.5 и к = 3 не могут быть реализованы значения ZIПЛ двухэлементной (ф0 = = 45°) и трехэлементной (ф0 = 67.5°) структур ФК.
На рис. 3 приведены графики частотных характеристик сдвига фазы ф и КСВН одно- и двухэлементных структур ФК для полосы частот с коэффициентом перекрытия к = 2 и номинальным значением фазового сдвига ф0 = 90°.
3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ СТРУКТУР ФИКСИРОВАННЫХ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ НА СВЯЗАННЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ
Многоэлементная структура ФФ предложена и исследована в работе [5]. Ее ФК образован путем каскадного включения С-звен
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.