2.4.5 Фазообертачі

Фазообертачі є невід’ємною частиною багатьох електронних систем. Розробка цих елементів набула особливої актуальності завдяки сучасній тенденції до побудови прийРисьно-передавальних трактів комунікаційних систем за багатоканальними схемами. Керування фазою та амплітудою сигналу у кожному каналі дозволяє впровадити досконаліші методи обробки сигналів та, за рахунок цього, істотно поліпшити чутливість приймачів та знизити вимоги до потужності передавачів.

В сучасній електроніці набули вжитку швидкодіючі цифрові системи, які характеризуються високою надійністю, а їх можливості зростають завдяки невпинному підвищенню тактових частот. Завдяки досягненням технології напівпровідників широко застосовуються також інтегральні схеми надвисоких частот (НВЧ), основою яких є інтегральні лінії передачі НВЧ та елементи на їх основі. В зв’язку з цим, актуальною є задача створення швидкодіючих, ефективних та мініатюрних компонентів, які були б технологічно сумісними з інтегральними мікросхемами, що дало б змогу інтегрувати радіочастотну частину та систему обробки сигналів на одному кристалі.

Твердотільні фазообертачі виготовляються переважно з використання варакторів та p‑i‑n-діодів. Вони характеризуються Рисими габаритами, мають високу швидкодію, однак діапазон робочих частот таких приладів обмежений. Суттєвими недоліками фазообертачів на p‑i‑n-діодах є порівняно високий рівень втрат та наявність фазової похибки при роботі у широкому діапазоні частот. Тому актуальною є задача вдосконалення відомих конструкцій фазообертачів на p‑i‑n-діодах з метою зменшення внесених втрат, а також зменшення фазової похибки.

У науковій літературі є повідомлення про створення GaAs фазообертачів, які працюють у діапазоні довжин хвиль до 1 мм. Однак принцип їх роботи ґрунтується на керуванні провідністю, що неминуче призводить до збільшення рівня внесених втрат. Разом з тим, у публікаціях останніх років повідомляється про спроби створення фазообертачів з використанням сегнетоелектричних плівок. Очікується, що такі прилади матимуть широкий діапазон робочих частот та привабливі показники, однак, все ще є технологічні труднощі при їх виготовленні.

Разом з тим, з кінця 80‑х років ХХ ст. в Україні почав розвиватися новий напрямок створення фазообертачів з використанням електромеханічного керування. Так, в одній з реалізацій переміщувалась діелектрична пластина біля поверхні хвилеводної фін-лінії. Пізніше в зарубіжних публікаціях з’явилися повідомлення про спроби створити фазообертачі з подібним принципом керування, але стосовно мікрополоскових та копланарних ліній. Переміщення діелектричного тіла поблизу лінії передачі збурює розподіл її електромагнітного поля, що можна спостерігати як зміну ефективних параметрів приладу. Такий підхід забезпечує ряд переваг. Зокрема, у таких лініях передачі поширюється квазі-ТЕМ хвиля, тому пристрої на їх основі характеризуються широким діапазоном робочих частот. Завдяки використанню високодобротних діелектричних матеріалів є можливість знизити рівень внесених втрат. Однак існують і суттєві обмеження. Так, для практичного використання необхідно забезпечити достатню швидкодію приладу. Разом з тим, передбачається, що керування буде відбуватися за допомогою п’єзоелектричного актюатора, який забезпечує високу швидкодію тільки при порівняно Рисих механічних переміщеннях. Тому актуальною є задача пошуку таких принципів електромеханічного керування, які характеризуються високою чутливістю та дозволяють зменшити керуючі напруги, збільшити відносний фазовий зсув, а за рахунок зменшення маси переміщуваних частин – підвищити стійкість до вібрацій.

Отже, в роботі розглядаються принципи застосування електромеханічного керування для створення фазообертачів надвисоких частот на основі мікрополоскових та копланарних ліній.

Розрахунок ідеалізованої схеми фазообертача

В основі будови однорозрядного прохідного шлейфного фазообертача лежить взаємний

симетричний чотириполюсник (рис. 1,а), утворений відрізком лінії передачі з хвильовим опором Zc1

та електричною довжиною Θ1, який навантажений з обох боків паралельними керованими опорами Zi. Значення цих опорів залежить від i-го (i=1,2) стану ключів. Вхід і вихід чотириполюсника утворені лінією з хвильовим опором Zc0. Така структура зумовлена відомим положенням [2], згідно якого одним ключем неможливо одночасно забезпечити заданий дискрет фази прохідного дискретного фазообертача і його узгодження.

Рис. 1. Еквівалентні схеми фазообертача (а), неоднорідності трійникового розгалуження (б) та шлейфа (в)

Традиційно [2,3] для визначення електричних параметрів цієї схеми з ідеалізованими (без

врахування неоднорідностей) розгалуженнями в місцях під'єднання керованих опорів, утворених

шлейфами з ключами, використовують її матрицю передачі з використанням реактивних

параметрів ключів. Інший підхід полягає у застосуванні методу синфазного і протифазного

збудження симетричного чотириполюсника, в результаті чого задача зводиться до аналізу двох

парціальних двополюсників з вхідними імпедансами Zei синфазного (парного) та Zoi протифазного (непарного) збудження в i-му стані ключів. При цьому, як і в попередньому випадку, можна отримати прості розрахункові співвідношення, враховуючи еквівалентні реактивності ключів. Втакому разі вхідні імпеданси парціальних двополюсників будуть чисто реактивними. Нормовані до хвильового опору Zc0 їх значення з врахуванням умови вхідного узгодження симетричного чотириполюсника визначаються наступним чином:

xei = ctg(ϕi / 2); (1)

xoi = −1/ xei ,

Розглянемо декілька конструкцій фазообертачів:

Рис. 8.10 Фазообертачі:

а),б) низькочастотний і його векторна діаграмма; в) індуктивний; г) воліводний;

Дискретні фазообертачі застосовуються в структурах високочастотних трактів і в першу чергу

в структурах фазування антенних решіток для забезпечення ступінчастої зміни фазової затримки

сигналу на задану величину – фазовий дискрет. Поширеним різновидом таких прохідних

фазообертачів є конструкції шлейфного типу, утворені під'єднанням до основної лінії передачі

відрізків ліній (шлейфів), навантажених керованими елементами (ключами) з дискретною зміною

параметрів. Фаза сигналу на виході такої схеми залежить від значення цих параметрів, тобто від

стану ключів. Такі фазообертачі знаходять застосування завдяки простоті конструкції, а також

завдяки можливості реалізації багаторозрядних пристроїв шляхом каскадного ввімкнення декількох однорозрядних. Їх популярність зокрема підтверджується існуванням великого числа методів розрахунку. Суттєва відмінність цих методів в першу чергу полягає у виборі відстані між

шлейфами. Із загального аналізу двостанового прохідного чотириполюсника з двома реактивними

навантаженнями слідує [1], що симетричні частотні характеристики узгодження і фазового зсуву

забезпечуються при чвертьхвильовій відстані між шлейфами і при цьому рівних за модулем

значеннях реактивних навантажень в обох станах ключів. Метод розрахунку [2] допускає різні

значення реактивностей, але з відстанню між шлейфами, яка залежить від фазового дискрету.