Комягин Р.В., Хандамиров В.Л. Исследование антенны с электрическим сканированием лучом (2015) (1095429), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

Двухмодовый фазовращатель состоит из ферритового стержня и двух поляризаторов, преобразующих линейно поляризованную волну линии в волну с круговой поляризацией и после прохождения ферритового стержня —обратно в волну с линейной поляризацией. Другой тип фазовращателей состоит из двух одинаковых ферритовых стержней, расположенных в волноводе один за другим и намагничиваемыхвстречно.

Создаваемый таким фазовращателем фазовый сдвиг составляет       l , где  ,  — изменения фазовыхпостоянных ферритовых стержней с противоположными направлениями намагничивания; l — длина одного стержня.Отражательные ФВ при фазовых сдвигах, одинаковых с проходными, имеют вдвое меньшие продольные размеры, посколькуполе проходит через один и тот же фазорегулирующий элементдважды: до отражения от экрана и после.34Полупроводниковые фазовращателиПереключаемыми элементами большинства полупроводниковых фазовращателей являются p–i–n-диоды, варикапы и полевыетранзисторы. Так как диоды и транзисторы обычно работают впредельных (ключевых) режимах, допуски на амплитуду управляющих сигналов нежесткие.При включении полупроводникового прибора в линии передачипараллельно или последовательно происходит некоторая потеряСВЧ-мощности по причине рассогласования в месте включения ипоглощения в активной части полупроводника (омические потери).Как уже отмечалось, на практике наибольшее применениенашли дискретные ФВ (ДФВ), которые обеспечивают ступенчатоеизменение фазы проходящей или отраженной волны.

Часто этоизменение достигается за счет изменения электрической длинылинии передачи. Полупроводниковые элементы в этом случае играют роль ключей, обеспечивающих включение в тракт отрезковлинии передачи различной длины.При этом проходной полупроводниковый ФВ представляет собой линейный согласованный по входу четырехполюсник, в котором при изменении управляющего сигнала на переключательныхдиодах или полевых транзисторах дискретно изменяется фаза проходящей волны за счет изменения длины линии.

Дискретные ФВработают стабильнее, поскольку управление фазой осуществляетсяне путем изменения напряжения, а определяется его наличием (отсутствием) на входе управляющего ключевого элемента. Как правило, в ДФВ используются полупроводниковые переключательныеp–i–n-диоды с двумя областями характеристик («открыто» — «закрыто»), а также полевые транзисторы, работающие в ключевомрежиме.

Преимуществом ДФВ является удобство управления имис помощью ЭВМ. Именно поэтому число фазовых состоянийобычно выбирают равным M  2m , где m — число разрядов ФВ.Минимально возможное изменение фазы между двумя состояниями называется дискретом и составляет   2 / M .Отражательный ФВ представляет собой линейный двухполюсник, фазу которого можно изменять при модуле коэффициента отражения, близком к единице.

Такие ФВ выполнены в виде отрезка35линии передачи, в которую через расстояние, равное половине дискрета, включены управляемые диоды. Вход и выход фазовращателясовмещены. Электромагнитная волна проходит через него дважды —в прямом и обратном направлениях.Фазовращатели на основе микроэлектромеханических системВ последнее десятилетие стали изготавливать фазовращатели,в основе принципа действия которых лежит использование электромеханических коммутаторов в микроминиатюрном исполнении.

Такие фазовращатели, как правило, выполняются на микрополосковых или копланарных линиях. По принципу действия ихможно разделить на две группы:● на коммутируемых отрезках линий передачи различной длины;● на основе линий с распределенным замедлением.Первая группа фазовращателей подобна коммутационным фазовращателям на основе p–i–n-диодов и повторяет их по топологии. Однако в качестве переключателей вместо диодов они используют микроэлектромеханические ключи с более высоким качеством коммутации (отношением сопротивлений в разомкнутоми замкнутом состояниях).

Последнее обстоятельство позволяетдобиться меньших потерь в фазовращателях при работе в том жечастотном диапазоне.Принцип действия фазовращателей второй группы основан назависимости фазовой скорости в линии передачи с T-волной отпогонных параметров. Эти фазовращатели обычно представляютсобой участок компланарной линии с включенными в нее параллельно через равные интервалы емкостями. Период расположенияэтих емкостей должен быть, как минимум, на порядок меньшедлины волны в линии — в противном случае начинают заметнорасти потери на отражение. Регулируя величину емкостей с помощью микроэлектромеханических ключей (попеременно подключаямалые и большие емкости), можно тем самым менять фазовуюскорость волны в линии и, соответственно, фазу сигнала на выходеустройства.

Такие фазовращатели набираются из m каскадов (разрядов), каждый из которых обеспечивает изменение фазы на знаi1чение    / 2 , где i = 1 … m — номер разряда.36В фазовращателях на основе МЭМС имеют место меньшие потери и меньшее энергопотребление, чем в полупроводниковых фазовращателях, при примерно тех же массогабаритных параметрах.Поскольку они выполняются на микрополосковых и компланарных линиях передачи, их легко интегрировать в единые модули сдругими микроэлектронными СВЧ-устройствами, выполняя их наобщей подложке. Однако по сравнению с p–i–n-диодными фазовращателями они имеют, как правило, большее время переключения из одного состояния в другое и требуют управляющих напряжений 30 … 100 В.

Кроме того, число циклов переключения сильно зависит от мощности сигнала в коммутируемой линии.Фазовращатели на МЭМС-ключах находят применение в основном в антеннах с электрическим сканированием, к которым непредъявляется высоких требований по быстродействию, а на первый план выходят требования минимизации массы, габаритов,стоимости и энергопотребления.Сравнение фазовращателей различных типовРассмотрим основные преимущества и недостатки каждого израссмотренных нами фазовращателей, которые, наряду с требованиями к ФАР, определяют применение того или иного типа фазовращателя в каждом конкретном случае.Преимуществами полупроводниковых фазовращателей являются малые габариты и масса, высокая скорость переключения,простота управляющих устройств, термостабильность.

Дляуменьшения массы, габаритов и повышения надежности работыполупроводниковые фазовращатели изготавливают в полосковоми микрополосковом исполнении, что позволяет применять печатную технологию при их производстве.В настоящее время разработаны полупроводниковые фазовращатели, работающие при уровне мощности в несколько сотен ваттв непрерывном режиме и порядка десятков киловатт — в импульсном. При этом потери, например, в трехразрядном фазовращателе10-см диапазона не превышают 1 дБ.Преимущества ферритовых фазовращателей — это относительно высокий допустимый уровень СВЧ-мощности, поскольку37фазой управляет объемная ферритовая среда, а также меньшие потери, так как для их создания обычно используют волноводы, потери в которых меньше, чем в линиях с Т-волной. Так, ферритовыефазовращатели при длинах волн менее 5 см обладают меньшимипотерями, чем полупроводниковые и на один разряд потери составляют примерно 0,3 дБ в 3-см диапазоне волн, а импульсные исредние пропускаемые мощности — около 500 кВт и 1кВт соответственно.Некоторые типы ферритовых фазовращателей обладают внутренней памятью, позволяющей управлять фазой подачей короткихимпульсов.

В промежутках между импульсами фазовращатель запоминает фазовый сдвиг, и энергия для его поддержания не затрачивается. Полупроводниковые фазовращатели на p–i–n-диодах подобным свойством не обладают, и для сохранения в них требуемыхфазовых сдвигов необходимы значительные энергозатраты (до нескольких киловатт при значительном числе фазовращателей).Фазовращатели на основе МЭМС по таким показателям, какмасса и габариты, надежность работы в заданном диапазоне температур близки к фазовращателям на основе p–i–n-диодов, однакоимеют меньшие вносимые потери за счет более высокой проводимости управляющих элементов в открытом состоянии и более низкой — в закрытом.

Так, потери на один разряд составляют порядка0,4 … 0,5 дБ в 3-см диапазоне, что приближается к аналогичнойхарактеристике ферритовых фазовращателей. Мощность, потребляемая от системы управления, составляет порядка 8 мкВт на одинразряд при частоте переключения 1 кГц. Недостатками таких фазовращателей являются необходимость в сравнительно высокихуправляющих напряжениях (до 100 В), а также ограниченное число циклов срабатывания, быстро уменьшающееся с ростом мощности СВЧ в коммутируемых трактах.Время переключения диодных фазовращателей составляет от0,1 пс до 10 мкс, ферритовых — 0,1…30 мкс, микроэлектромеханических — 10 … 20 мкс.Ни один из указанных типов фазовращателей не имеет абсолютного преимущества перед другими, и применение того илииного из них зависит от многих факторов. 382.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯК ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫЦель работы — ознакомление с конструкцией антенны с электрическим сканированием луча, построенной на основе ФАР сферритовыми фазирующими элементами, исследование ее характеристик направленности.2.1. Порядок выполнения работы1. Ознакомиться с конструкцией лабораторной установки.2. Изучить теоретическую часть.3. Выполнить необходимые расчеты в соответствии с заданием.4. Подготовить лабораторную установку к работе.5. Провести экспериментальные исследования в соответствии сзаданием.6.

Характеристики

Список файлов книги