Проектирование СВЧ-устройств (РТФ 6 семестр Анисимов) / Зачет

Аттенюатор построен по принципу переключателя на два положения (SPDT Switch – Single PoleDouble Thru).

Подбирая токи смещения диодов, можно менять их сопротивления так, чтобы разделить мощность входного сигнала в нужной пропорции.

Для подачи на диоды тока смещения используются две дроссельные четвертьволновые линии, обеспечивающие разделение цепей смещения и СВЧсигнала. Для этого служат также два бескорпусных конденсатора, включенных в разрывы линии у входных разъемов. Ток смещения ограничен постоянными резисторами 1 кОм.

Для замыкания тока смещения на подложку использован ФНЧ, выполненный на отрезке короткозамкнутой линии с блокирующим конденсатором.

Аттенюаторы с цифровым управлением

5

Функциональная схема HMC939A-Die

Аттенюатор обеспечивает ослабление от 0 до 31 дБ с шагом 1 дБ.

6

ФАЗОВРАЩАТЕЛИ СВЧ

УГО

Максимальный уровень мощности Время переключения

Плавное или дискретное изменение фазового сдвига

Матрица

рассеяния

ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ

В двухпозиционном отражательном фазовращателе параметры реактивного трансформирующего четырехполюсника выбираются из следующих условий:

1)разность фаз входных коэффициентов отражения в двух состояниях диода должна быть равна заданному дискрету фазы: =|1- 2|;

2)модули коэффициентов отражения (Г` и Г``) в двух состояниях диодов должны быть равны между собой и как можно меньше отличаться от единицы – это так называемая оптимизация фазовращателя по потерям.

Омические потери в отражательном фазовращателе принято оценивать вносимым ослаблением, L=1/Г2. При равенстве модулей коэффициентов отражения Г`=Г`` вносимое ослабление оказывается равным

где К – параметр качества коммутационного элемента, т. е. не зависит от параметров реактивного трансформирующего четырехполюсника и определяется только заданным дискретом фазы и параметром каче-

ства диода.

Канонический коммутационный элемент с парой сопротивлений (r, Kr) можно рассматривать как отражательный фазовращатель с дискретом фазы π.

1

Многопозиционный отражательный фазовращатель в виде отрезка линии передачи, шунтированного в ряде сечений коммутационными элементами

Многопозиционные отражательные фазовращатели часто выполняют в виде отрезка линии передачи, шунтированного в ряде сечений каноническими коммутационными элементами (рис. 6.11).

рис. 6.11

Используется закороченная линия передачи с включенными параллельно коммутирующими элементами.

Один из коммутационных элементов с низким сопротивлением (r<<1) «закорачивает» линию передачи, а остальные коммутационные элементы имеют высокие сопротивления (Kr>>1) и не оказывают влияния на фазу коэффициента отражения. При переключении коммутационных элементов изменяется положение плоскости короткого замыкания в линии передачи и фазы коэффициента отражения.

Для внесения требуемого фазового сдвига включается соответствующий коммутирующий элемент.

Волна, бегущая по линии передачи от входа, отражается от включенного коммутирующего элемента. При этом фазовый сдвиг, который получит волна, равен =2β∙ln, где ln – расстояние от входа до коммутирующего элемента.

Отражательный фазовращатель на реактивном многополюснике

На выходах реактивного многополюсника включены отрезки линии передачи с последовательно включенными коммутационными диодами и короткозамыкателями.

При включении одного или нескольких коммутационных диодов режим соответствующих отрезков линий передачи переходит из холостого хода в короткое замыкание, тем самым изменяется фаза коэффициента отражения от входа многополюсника, что приводит к изменению фазового сдвига отраженной волны.

2

ПРОХОДНЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ

Проходные фазовращатели должны обеспечивать заданную разность фаз коэффициентов передачи =|1- 2| в двух состояниях при условии согласования входов и при минимальном вносимом ослаблении мощности.

Простейший фазовращатель проходного типа представляет собой отрезок линии передачи длиной l.

Входы фазовращателя согласованы, т.е. диагональные элементы его матрицы рассеяния равны нулю. Потери, вносимые таким фазовращателем, минимальны, т.е. модуль коэффициентов передачи матрицы рассеяния равен единице. Фазовый сдвиг, вносимый простейшим фазовращателем, определяется соотношением φ= –kzl.

φ зависит от длины линии l и постоянной распространения kz. Изменяя одну из этих величин, можно изменять фазу φ. Общее выражение для kz имеет вид

Видно, что величина kz может изменяться за счет изменения параметров среды или , заполняющей линию передачи, или за счет изменения размеров поперечного сечения линии, при котором изменяется .

Двухпозиционный в виде нагруженной линии передачи

Отражательные фазовращатели ОФВ могут иметь входную проводимость y и y , соответственно вносят разные фазовые сдвиги. Как правило, ОФВ имеют одинаковую проводимость.

Фазовращатель на коммутируемых отрезках линий передачи

В фазовращателе используются отрезки линий передачи разной длины, на входе и выходе которых включены коммутационные диоды. При работе фазовращателя в каждый момент времени подключен только один отрезок линии передачи.

Вносимый фазовый сдвиг, при прохождении волной n-го отрезка линии передачи длиной ln равен = β ln. Количество фазовых сдвигов определяется количеством отрезков линии передачи.

3

Волноводное исполнение Отражательный механический фазовращатель

1 – волновод, 2 – поршень, 3 – тяга.

Простейший отражательный механический фазовращатель представляет собой отрезок линии передачи с короткозамыкающим поршнем. Такое устройство характеризуется матрицей рассеяния, вырождающейся в одно число - коэффициент отражения от входа фазовращателя.

При изменении положения поршня в линии изменяется и фаза коэффициента отражения. Вносимый фазовый сдвиг =2β∙l,

где l – расстояние от входа до короткозамыкающего поршня.

Отражательный фазовращатель на коммутационных диодах

Дискретный отражательный фазовращатель строится на основе полупроводниковых выключателей. Волноводный вариант такого фазовращателя показан на рис. 9.6.

Расстояние между диафрагмами l выбирают в зависимости от требуемого дискрета изменения фазы : =2β∙l,

где β – продольная постоянная распространения волны в волноводе. Наличие двойки обусловлено двойным прохождением волной расстояния l.

4

Волноводный тромбонный

Фаза изменяется путем изменения положения подвижной части.

Максимальная величина вносимого фазового сдвига определяется величиной 2 l – удвоенным ходом подвижной части фазовращателя.

Механический сжимной

Фазовращатель состоит из прямоугольного волновода с волной H10 , по оси широких стенок которого прорезаны длинные неизлучающие щели.

При сжатии такого волновода со стороны узких стенок уменьшается его размер a , поэтому изменяется критическая длина волны KP 2a и, следовательно, фазовая скорость волны в волноводе Ф c1 2a 2 . Это приводит к изменению величины фазового сдвига, вносимого фазовращателем

l . где l – длина фазовращателя.Ф

1

Проходной волноводный ФВ на основе волноводно-щелевого моста

Дискретный Плавный

Он состоит из Н-плосткосного волноводно-щелевого моста, в два соседних плеча которого включены отражательные фазовращатели, имеющие по три полупроводниковых выключателя каждый.

Колебания СВЧ, подведенные к одному из входов такого фазовращателя, пройдя через мост и отразившись от полупроводниковых выключателей, находящихся в режиме запирания, вторично пройдя мост, проходят на выход фазовращателя.

Величина вносимого фазового сдвига зависит от номера замкнутого выключателя верхнего и нижнего отражательных фазовращателей, работающих синхронно, и от расстояния между выключателями l .

Дискрет фазы 2 .

Механический ФВ с подвижной диэлектрической пластиной

1 - прямоугольный волновод; 2 - диафрагма; 3 – n-i-p-i-n-диод.

Расстояние между диафрагмами выбирают в зависимости от требуемого дискрета изменения фазы :

2kZ l ,

где kZ – продольная постоянная распространения волны в волноводе.

2

Проходной ферритовый фазовращатель на прямоугольном волноводе (Реджиа-Спенсера)

1- ферритовый стержень; 2 - соленоид

Состоит из отрезка прямоугольного волновода, внутри которого помещен продольно подмагниченный ферритовый стержень. Продольное магнитное поле в стержне создает соленоид, намотанный непосредственно на волновод.

Фазовый сдвиг зависит от подмагничивающего поля, которое определяется током, проходящими через соленоид. При изменении тока в соленоиде изменяется и подмагничивающее поле, которое приводит к изменению магнитной проницаемости стержня и, следовательно, фазовой скорости проходящей волны.

Недостатком ферритового аналогового фазовращателя является низкая точность установки фазы и необходимость постоянного протекания управляющего тока через соленоид для поддержания требуемого фазового сдвига.

Фазовращатель Реджиа-Спенсера взаимный и может быть создан на любую рабочую частоту в диапазоне 8-70 ГГц.

Его достоинством являются простота и возможность регулировки фазы в пределах 0-360° при сравнительно слабых управляющих магнитных полях и вносимом ослаблении мощности СВЧ 0,5-1,0 дБ.

Фазовращатель пригоден для использования в сравнительно узкой полосе частот при уровнях средней мощности не более 0,5 кВт.

3