P6 (Исследование параметров СВЧ-устройств), страница 6

Установке диск- 2 ' э ' э ' я 8 ретных значений фазы в таких фазоврвшвтелях осуществляется, как правило, переключением (коммутацией) управляющих фазой элементов, имеющих рабочую хврактеристику с начвлььым и конечным пологими учвстками. Эти элементы называются коммутвторвми, а фазоврвшатели с дискретным набором 37 фаз, построенные на их основе, называет дискретно-комму- тационными.

В дальнейшем для простоты такие фазоврашате- лн будем называть просто коммутационными. В качестве коммутаторов в фазоврчшателях наиболее широко используютси полупроводниковыь. рув — диоды, управ- ляемые постоянным током. В обесточенном состоянии сопро- тивление р~е - диода для СВЧ-колебаний ведико и он не оказывает заметного влияния на распространение поля, при подаче же управляющего тока входное <:опротивленне ~ча диода оказывается малым и рюш — дцод осуществдяет ко- роткое замыкание в месте своего включения. Отношение вход- ных сопротивлений,ц~ж — диода в обесточенном режиме и при подаче управляющего тока называется качеством комму- татора.

Для современных ртж - диодов качество в зависи- мости от рабочей частоты изменяется ст 10000 на децимет- ровых волнах до 800 на сантиметровых волнах. Коммутационные фазовращатели обладают рядом преиму- ществ перед аналоговыми фазовращатепйми, важнейшим из х которых является повышенная стабильность работы (особен- но температурнаи н связанная с ошибкаЫи управляющего устройства). Повышенная стабильность работы коммутацион- ных фазовращателей объясняется испольбованием в качестве рабочих только начального и конечного пологих участков характеристики коммутаторов, например„ характеристики про- водимости коммутаторов от управдяк цезо напряжения. Основной недостаток коммутационных фазоврашателей за- ключается в дискретности установки фазы.

Поэтому произвопь- ное фазоаое распределение с помощью дискретно-коммута- ционных фазоврашателей может быть реализовано не точно, а с некоторой фазовой ошибкой, макснмгчпьное значение кото- рой равняется половине дискрета установки фазы, т.е. р Л~ радиан, Обычно У выбирают исходя нз ~соотношения 2 =Ф, так как при етом существенно упрощаетс-я устройство для управления фазой, ибо дпя управления фв~зовращателем в атом спучае требуется только Р двоичных раьзрядов в выходном устройстве вычислителя.

Это обстоятель~ство является еше одним преимушеством коммутационных фазоврашателей перед ан ад оговы м и, х Следует иметь в виду, что дискретный набор значений фазы может быть реализован и в анапог'овых фазоврашатепях, однако этот режим работы, как правило~ не используется, так лак недостатки, присущие анацоговым фазоврашателям, прн этом сохраняются, 38 Иелое положительное число Р называется разрядом фэзоврашвтеля, а числО Ф вЂ” числом фэзовых состояний фазоврашвтеля. С точки зрения уменьшения ошибки реэлизалии фазы в коммутэпионном фэзоврэшателе необходимо повышать резв рядность фазоврашвтеля, однако при этом возрастает сложность его изготовления и настройки, увеличиваются потери высокочастотной энергии, в также ухудшаетси стабил ость работы (времеинаи, темпервтурная и т.п.). Поэтому приходится идти на компромисс при выборе Р Н твбл.

1 представлены относительный коэффициент направленного действия — , коэффициент усиления — и Ю Зп 0~ макснмэльный уровень коммутационных лепестков у и АР в зввисимости от разрядности ее фвзоврашателей Р и качестве коммутаторов К (через .Р, б обозначены параметры антен- н ' о ны без потерь с идеэльным фвзированием, а через Р анвлогичные параметры антенны с ревльными коммуивпионными фазоврэшателнми) .

Таблица 1 Кэк показывает анэлиз табл. 1, прн использовании коммутационных фазоврашателей (с качеством коммутаторов К ~ 1000) в электрически скэнируюших ФАР относительный коэффициент усилении решеток при Р > 2 слабо зввисит от рэзрнаности фазоврэшателей. Поэтому, кэк прввило, минпмапь- ное знечение Р в дискретно-коммутадионных фазоврашателнх равно 2.

Однако с точки зрении уменьшении коммутапионных боковых лепестков ФАР, обизанных ошибкам фазироввнин, желвтельно увеличивать разрндность фазоврашателей до Р ~ 3+5. р!звестны следуюшие основные типы коммутвпнонных фвзоврашателей на,е~е — диодных коммутаторах: отражательный на звкороченном отрезке фидерной линии; проходные— на переключаемых отрезквх фидерной линии, на нагруженной линии, на нчейках фильтров нижних и верхних чвстот (рис.1).

Кроме того, проходные фазоврашатели могут быть построены на основе отражательных фазоврашетелей, соединенных с пиркулнтором или СВЧ-мостом (рис. 2). Рис. 1. Схемы коммутационных фвзоврашате- лей: в — проходной не переключвемых отрезкех линии; б — отрвжательный; в — проходной нв нагруженной линии; г — проходной на нчей— кех фильтров нижних и верхних частот Рис.

2. Схемы проходного фвзоврашателн с 1 — пиркулятором (а) и с шеле- вым мостом (б) Отметим некоторые особенности указанных фазовращателей. "'*цяс лп*~~ Ээяяы~ нни. В простейшем варианте одноразрядный коммутацноннып фазовращатель этого типа представлен на рис. 1,а. Электрическая длина фазоврашателя (в радианах) в зависимости от положения переключателей равна — 1 или — ~э, где 2т г -' Я ч~ у й 9Р2 Я ~, и Я,„э — длина волн соответственно в 1-й и 2-й ли— ниях, а 1, и 7я — геометрическая длина этих линий. йля увеличения разрядности фазовращателя необходимо увеличивать количество переключаемых линий или использовать каскадное включение нескольких фазовращателей, Такие фазовращатели используются в диапазоне метровых, дециметровых и сантиметровых волн.

На метровых и более длинноволновых волнах переключаемые отрезки линий представляют собой отрезки коаксиального кабеля. В дециметровом и сантиметровом диапазонах фазоврашатель выполняется на микрополосковых линиях. От ажательяый азов ащатель на закс оченном от езке ~ящ рар ~ [цц рыл, в „,,~„„~ р а линии до короткозамыкателя, отражается от него и проходит на выход фазоврашателя. При смещении положения короткозамыкателя за счет изменения состояния коммутатора на длину 1, фаза на выходе фазоврашателя изменяется на веФя' личину -ч — ~ .

Подобные фазовращатели широко используются в сантиметровом диапазоне волн. Простейшая конструктивная схема двухразрядного коммутационного отражательного фазоврашателя волноподного типа показана на рис. З,а. В волноводе по ходу движения волны на равном расстоянии друг от друга установлены шелевые модули, представляющие собой тонкие поперечные металлические (индуктивноемкостные диафрагмы) перегородки = прорезанными в иих резонансными щелями, э которых устачовлены рю'е - диоды (см. рис. З,б). йиоды вносят емкостную реакцию, поэтому щели диафрагмы укорачиваются примерно на 25% от расчетной длины при отсутствии рай - диодов. Если все оэср - диоды обесточены, то щелевые модули настроены в резонанс по отношению к падающей волне и электромагнитное поле свободно проходит через шелевые модули, достигает закороченного конца волиовода, отражается от него и начинает распространяться в обратную сторону, При подаче управляющего напряжечия на модуль, ближайший 41 к закороченному концу волновода, он выходит из резонанса, энергия падающей волны отражается от этого шелевого модуля и фаза отраженной волны изменяется по сравнению с предыдущим случаем на величину — Я~, где Л ь лв а длина волны и волноводе.

Б) Рис. 3. йвухразрядный волноводный коммута- ционный отражательный фазовращатель: а - конструктивная схема; б - диафрагма с — диодом и его эквивалентная схема В этом фазоврашателе число различных фазовых значений Л~ равно числу шелевых модулей плюс единида, В настоящее время промышленностью серийно выпускается двух- разрядный фазовращатель указанного типа ', Ф ~ 4).

Его основные параметры: рабочая частота 7700 МГп + 1% число различных положений фазы 4 дискрет установки фазы ~ радиан Т средние потери в фазовращателе 1,3 дБ габариты(23 х 30 х7) мм вес 25 г Фаззовв2а атель на наг женной линии см ис 1 в При переключении коммутаторов фазовращатель дает фазовый сдвиг, равный 2агсф , , где с7 — проводимость В у- ~гвх * подключаемых к линии реактивных нагрузок. йля устранения отражений в линию включают одновременно две реахтивные нагрузки, равные1 по величине и отстоящие друг от друга на расстояние -~ . Несмотря на это с учетом полосы пропускания малый коэффициент отражения получается, если фа- о зовый сдвиг в одной секции не превосходит 46 . 42 Й ~ ~ю~вк Ьг~ а ь *.

° ~ ат го сдвига ш величины подключаемых реактивных сопротивлений и проводимостей должны выбираться из условий Х вЂ” Е=ауе —- У г Рассмотрим теперь схемы проходных фазовращателей, построенных на основе отражательных. Существенным недостатком отра.кательных фазовращателей является то обстоятельство, что вход и выход у них совмещены друг с другом. Поэтому такие фазовращатели могут быть использованы лишь в весьма частных случаях, например, в ФАР отражательного типа. Как правило, более удобнымн являются ие отражательные, а проходные фазовращатели. В простей шем варианте проходной фазовращатель образуется из отражательного при использовании Ь" -циркулятора (см.рис.2,а).

Существует также схемы, в которой проходной фазоврашатель образуется из отражательных с помощью СВЧ-моста (см. рис, 2,б). Как известно, мосты обладают следующим свойством: энергия, поступающая в его плечо 1, делится поровну между плечамн 3 и 4. Г!ри этом плечо 2 развязано относительно плеча 1, т.е.

в идеальном случае энергия из плеча 1 в плечо 2 не поступает. Г!ри наличии неоднородностей в плечах 3 и 4 отраженная энергия в общем случае пройдет как в плечо 1, так и в плечо 2. Однако если фаза и модуль отраженных волн в плечах 3 и 4 одинаковы, то отраженная энергия пройдет только в плечо 2, В частности, если в плечах 3 и 4 в одном и том же сечении поставлены идеальные отражатели, то энергия из плеча 1 полностью попадает в плечо 2. Меняя положение отражателей, можно управлять фазой волны в плече 2.