RU2510106C1

RU2510106C1 - Phase changer

Info

Publication number: RU2510106C1
Application number: RU2012149764/08A
Authority: RU
Inventors: Аркадий Анатольевич Иванов; Игорь Германович Мироненко; Вениамин Викторович Романцев; Алексей Анатольевич Фирсенков
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2014-03-20

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.SUBSTANCE: phase changer, having a dielectric substrate on which is deposited a ferroelectric film and a four-slot line, having outer waveguide electrodes and inner control electrodes, is formed, wherein on the part of the dielectric substrate on which the ferroelectric film deposited, there are contact areas for applying voltage, areas for continuation of the waveguide electrodes and coplanar lines which connect the control electrodes of the slot line with the contact areas, wherein the centre control electrode is connected through a quarter-wave section to a first contact area, which is electrically connected to areas for continuation of the waveguide electrodes, and each control electrode neighbouring the centre electrode is connected to a second contact area through a series connection of two quarter-wave sections, parameters of the first of which are equal to parameters of the quarter-wave section connected to the centre control electrode, and parameters of the second quarter-wave section are selected based on the condition of maximum reflection of the operating signal.EFFECT: design of a reflecting-type phase changer in which the control voltage supply circuit has minimal effect on its electrodynamic properties.2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в антеннах с электронным сканированием луча.The invention relates to microwave technology and can be used in antennas with electron beam scanning.

Известен СВЧ фазовращатель проходного типа, содержащий пластину или пленку сегнетоэлектрика с электродами, которая помещается в волновод (патент US №2918572). При изменении диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика под действием электрического поля изменяется постоянная распространения электромагнитной волны в линии передачи, что приводит к изменению фазы прошедшей волны.Known microwave pass-through phase shifter containing a plate or film of a ferroelectric with electrodes, which is placed in the waveguide (US patent No. 2918572). When the dielectric constant of a ferroelectric is changed under the influence of an electric field, the propagation constant of the electromagnetic wave in the transmission line changes, which leads to a change in the phase of the transmitted wave.

Недостатком этого фазовращателя является ограниченность его работы по частоте - возможность его работы только в сантиметровом диапазоне, трудность его согласования с волноводным трактом, необходимость введения согласующих устройств, которые увеличивают габариты, потери, ограничивают частотный диапазон фазовращателя.The disadvantage of this phase shifter is the limited frequency of its operation - the possibility of its operation only in the centimeter range, the difficulty of matching it with the waveguide path, the need to introduce matching devices that increase the dimensions, losses, and limit the frequency range of the phase shifter.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому решению является СВЧ фазовращатель проходного типа, выполненный на основе многощелевой линии, сформированной на сегнетоэлектрической пленке (патент RU №2258279).The closest set of essential features to the proposed solution is a microwave pass-through phase shifter made on the basis of a multi-slit line formed on a ferroelectric film (patent RU No. 2258279).

Известное устройство содержит диэлектрическую подложку с сегнетоэлектрической пленкой, на которой расположены волноведущие электроды, формирующие протяженную щель, и в области щели нанесены управляющие электроды. Использование управляющих электродов в щелевой линии позволяет обеспечить минимум управляющего напряжения, В данной конструкции заложена возможность управления фазовой скоростью щелевого мода за счет нелинейности диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки по отношению к управляющему напряжению.The known device contains a dielectric substrate with a ferroelectric film on which waveguide electrodes are located, forming an extended gap, and control electrodes are applied in the region of the gap. The use of control electrodes in the slit line makes it possible to ensure a minimum of control voltage. This design provides the ability to control the phase velocity of the slot mode due to the nonlinearity of the dielectric constant of the ferroelectric film with respect to the control voltage.

Недостатком известного щелевого фазовращателя является сложность подачи управляющего напряжения на цепи управления без влияния на электродинамику фазовращающей линии.A disadvantage of the known slot phase shifter is the difficulty of supplying a control voltage to the control circuit without affecting the electrodynamics of the phase shifting line.

Задачей, решаемой изобретением, является создание фазовращателя отражательного типа, в котором цепь подачи управляющего напряжения оказывает минимальное влияние на его электродинамические характеристики.The problem solved by the invention is the creation of a reflective phase shifter in which the control voltage supply circuit has a minimal effect on its electrodynamic characteristics.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый фазовращатель, так же как и известный, содержит диэлектрическую подложку, на которую нанесена сегнетоэлектрическая пленка и сформирована четырехщелевая линия с крайними волноведущими и тремя внутренними управляющими электродами. Но, в отличие от известного, в предлагаемом фазовращателе на части диэлектрической подложки, на которой отсутствует сегнетоэлектрическая пленка, сформированы контактные площадки для подачи напряжения, участки продолжения волноведущих электродов и копланарные линии, соединяющие управляющие электроды щелевой линии с контактными площадками, причем центральный управляющий электрод щелевой линии через четвертьволновый отрезок соединен с первой контактной площадкой, электрически соединенной с участками продолжения волноведущих электродов, а каждый из соседних с центральным электродом управляющий электрод соединен со второй контактной площадкой через последовательное соединение двух четвертьволновых отрезков, параметры первого из которых равны параметрам четвертьволнового отрезка, соединенного с центральным управляющим электродом, а параметры второго четвертьволнового отрезка выбраны из условия максимального отражения рабочего сигнала.The problem is solved due to the fact that the proposed phase shifter, as well as the known one, contains a dielectric substrate on which a ferroelectric film is deposited and a four-slit line with extreme waveguide and three internal control electrodes is formed. But, unlike the known one, in the proposed phase shifter on the part of the dielectric substrate, on which there is no ferroelectric film, contact pads for supplying voltage, continuation sections of waveguide electrodes and coplanar lines connecting the control electrodes of the slot line with the contact pads are formed, with the central control electrode of the slot lines through a quarter-wave segment is connected to the first contact pad, electrically connected to areas of continuation of waveguiding Odes, and each of the control electrode adjacent to the central electrode is connected to the second contact pad through the serial connection of two quarter-wave segments, the parameters of the first of which are equal to the parameters of the quarter-wave segment connected to the central control electrode, and the parameters of the second quarter-wave segment are selected from the condition of maximum reflection of the working signal .

Достигаемый технический результат - создание нового типа фазовращателя - фазовращателя отражательного типа на основе многощелевой линии, выполненной на сегнетоэлектрике с одновременным созданием развязки щелевой линии от цепи управления. С помощью четвертьволновых отрезков копланарных линий на выходе щелевой линии обеспечивается режим, близкий к холостому ходу или короткому замыканию, за счет трансформации нагрузочного импеданса копланарных линий. Копланарные линии сформированы на участке подложки без сегнетоэлектрической пленки, что обеспечивает неизменность их волнового сопротивления и электрической длины на рабочей частоте с возможностью подачи управляющего напряжения на электроды четырехщелевой линии.Achievable technical result - the creation of a new type of phase shifter - reflective phase shifter based on a multi-slit line made on a ferroelectric with the simultaneous creation of a junction line decoupling from the control circuit. Using quarter-wave segments of coplanar lines at the output of the slit line, a mode close to idle or short circuit is provided due to the transformation of the load impedance of the coplanar lines. Coplanar lines are formed on a substrate section without a ferroelectric film, which ensures the immunity of their wave resistance and electric length at the operating frequency with the possibility of applying a control voltage to the electrodes of the four-gap line.

Совокупность признаков, сформулированная в пункте 2 формулы изобретения, характеризует фазовращатель, в котором на его входе сформирован входной согласующий элемент, форма которого обеспечивает плавное изменение волнового сопротивления.The set of features formulated in paragraph 2 of the claims characterizes a phase shifter in which an input matching element is formed at its input, the shape of which provides a smooth change in wave impedance.

Плавное изменение волнового сопротивления позволяет получить широкополосное согласование со свободным пространством.A smooth change in wave resistance allows you to get broadband matching with free space.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показано сечение фазовращателя, на фиг.2 - вид сверху, на фиг.3 показаны копланарные линии с контактными площадками.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a section of a phase shifter, Fig. 2 is a top view, and Fig. 3 shows coplanar lines with contact pads.

Фазовращатель сформирован на диэлектрической подложке 1 (фиг.1), на часть которой нанесена сегнетоэлектрическая пленка 2 и сформирована четырехщелевая линия, которая содержит волноведущие электроды 3 и расположенные между ними три управляющих электрода 4. На входе щелевой линии (фиг.2) сформирован плавный согласующий элемент 5. На фиг.3 представлены копланарные линии передачи, напыленные на часть поверхности диэлектрической подложки, на которой отсутствует пленка сегнетоэлектрика. Управляющие электроды 4 щелевой линии соединены с электродами копланарных линий 4^I. На этой части подложки сформированы контактные площадки 6 и 7 для подачи управляющего напряжения и участки 5, которые являются продолжениями волноведущих электродов 3^I. Управляющие электроды щелевой линии соединены с контактными площадками 6 и 7 через четвертьволновые отрезки копланарных линий, причем центральный электрод соединен с контактной площадкой 6, которая электрически соединена с электродами 3, а каждый из соседних с ним управляющих электродов соединен с другой контактной площадкой 7 через два последовательно соединенных четвертьволновых отрезка 8 и 9. Первый из них 8 имеет параметры, одинаковые с параметрами четвертьволнового отрезка копланарной линии, который соединен с центральным управляющим электродом, а второй четвертьволновый отрезок 9 обеспечивает максимально возможное отражение рабочего сигнала за счет большого волнового сопротивления. Рассматриваемая конструкция обеспечивает чередование знаков напряжения на электродах как копланарных линий, так и щелевой, так как центральный управляющий электрод и волноведущие электроды имеют один потенциал, а соседние с центральным имеют другой.The phase shifter is formed on a dielectric substrate 1 (Fig. 1), on the part of which a ferroelectric film 2 is deposited and a four-slit line is formed, which contains waveguide electrodes 3 and three control electrodes located between them 4. At the input of the slit line (Fig. 2), a smooth matching element 5. FIG. 3 shows coplanar transmission lines sprayed onto a part of the surface of a dielectric substrate on which there is no ferroelectric film. The control electrodes 4 of the slit line are connected to the electrodes of the coplanar lines 4 ^I. On this part of the substrate, pads 6 and 7 are formed for supplying control voltage and sections 5, which are extensions of waveguide electrodes 3 ^I. Slot line control electrodes are connected to the contact pads 6 and 7 through quarter-wave segments of coplanar lines, the central electrode being connected to the contact pad 6, which is electrically connected to the electrodes 3, and each of the adjacent control electrodes is connected to the other contact pad 7 through two in series connected quarter-wave segments 8 and 9. The first of them 8 has parameters identical to the parameters of the quarter-wave segment of the coplanar line, which is connected to the Central control an electrode, and the second quarter-wave segment 9 provides the maximum possible reflection of the working signal due to the large wave resistance. The design under consideration provides alternating signs of the voltage on the electrodes of both coplanar lines and slotted, since the central control electrode and waveguide electrodes have one potential, and neighboring to the central one have a different one.

Рассмотрим работу фазовращателя. Управление фазовой скоростью любой многощелевой линии осуществляется за счет изменения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки посредством управляющего поля, что приводит к изменению ее электрической длины. Рассматриваемый фазовращатель относится к фазовращателям отражательного типа. Электромагнитная волна, поступающая на вход фазовращателя, через согласующий элемент 5 поступает в четырехщелевую линию длиной L. На электроды линии подается управляющее напряжение от контактных площадок 6 и 7, которое формирует электрическое поле на щелях между электродами четырехщелевой линии. Под воздействием поля изменяется диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрической пленки и, соответственно, скорость распространения электромагнитной волны, что приводит к фазовому сдвигу. После отражения волна возвращается по щелевой линии к согласующему элементу 5, после чего излучается в свободное пространство или волноведущую структуру. Таким образом, волна от входа к выходу проходит расстояние, равное 2L. Отражение электромагнитной волны происходит от торца щелевой линии, в плоскость которого четвертьволновыми отрезками копланарных линий трансформируется сопротивление, близкое к короткому замыканию.Consider the work of the phase shifter. The phase velocity of any multi-slit line is controlled by changing the dielectric constant of the ferroelectric film by means of a control field, which leads to a change in its electric length. Consider the phase shifter refers to the phase shifters of the reflective type. An electromagnetic wave fed to the input of the phase shifter, through the matching element 5, enters a four-gap line of length L. The control electrodes are supplied with a control voltage from the contact pads 6 and 7, which forms an electric field on the slots between the electrodes of the four-gap line. Under the influence of the field, the dielectric constant of the ferroelectric film changes and, accordingly, the propagation velocity of the electromagnetic wave, which leads to a phase shift. After reflection, the wave returns along the slit line to the matching element 5, after which it is emitted into the free space or waveguide structure. Thus, the wave travels a distance of 2L from entrance to exit. The reflection of the electromagnetic wave occurs from the end of the slit line, into the plane of which resistance, which is close to a short circuit, is transformed by quarter-wave segments of coplanar lines.

Важным является то, что режим «короткого замыкания» сформирован на копланарных линиях, которые не изменяют свои характеристики под воздействием управляющего напряжения, так как линии сформированы на части диэлектрической подложки без сегнетоэлектрической пленки. В этом случае на рабочей частоте фазовращателя при изменении управляющего напряжения копланарные линии обеспечивают постоянное волновое сопротивление и постоянный коэффициент отражения, близкий к единице.It is important that the “short circuit” mode is formed on coplanar lines that do not change their characteristics under the influence of control voltage, since the lines are formed on a part of the dielectric substrate without a ferroelectric film. In this case, at the working frequency of the phase shifter, when the control voltage is changed, the coplanar lines provide a constant wave impedance and a constant reflection coefficient close to unity.

Пример реализации фазовращателя. Фазовращатель изготовлен в виде планарной конструкции. На диэлектрическую подложку толщиной 0,5 мм из сапфира с низким тангенсом угла диэлектрических потерь (tgδ<10^-4) и диэлектрической проницаемостью 9.8 напылена сегнетоэлектрическая пленка толщиной 1.27 мкм и диэлектрической проницаемостью 1270, поверх которой сформированы пленочные медные электроды. Четырехщелевая линия имеет три электрода шириной 50 мкм и щели с шириной 50 мкм. Длина фазосдвигающего элемента L=20 мм. Такой фазовращатель на рабочей частоте 30 ГГц обеспечивает управление фазовым сдвигом в 360° при подаче управляющего напряжения значением, близким к 350 В, на электроды щелевой линии через четвертьволновые отрезки, сформированные на части подложки, на которой отсутствует сегнетоэлектрическая пленка.An example implementation of a phase shifter. The phase shifter is made in the form of a planar design. A sapphire 0.5 mm thick of sapphire with a low dielectric loss tangent (tanδ <10 ^-4 ) and a dielectric constant of 9.8 is sprayed with a ferroelectric film 1.27 μm thick and a dielectric constant of 1270, on top of which copper film electrodes are formed. The four-slit line has three electrodes with a width of 50 μm and slots with a width of 50 μm. The length of the phase-shifting element is L = 20 mm. Such a phase shifter at an operating frequency of 30 GHz provides phase shift control of 360 ° when a control voltage is supplied with a value close to 350 V to the slit line electrodes through quarter-wave segments formed on a part of the substrate on which there is no ferroelectric film.

Описание конструкции СВЧ фазовращателя и его работы показывает достижение технического результата - создание нового типа отражательного СВЧ фазовращателя, выполненного на основе многощелевой линии, в котором реализована развязка СВЧ электромагнитного поля от управляющего напряжения.The description of the design of the microwave phase shifter and its operation shows the achievement of the technical result - the creation of a new type of reflective microwave phase shifter, made on the basis of a multi-slit line, in which the isolation of the microwave electromagnetic field from the control voltage is implemented.

Claims

1. Phase shifter containing a dielectric substrate on which a ferroelectric film is applied and a four-slit line is formed with extreme waveguide and internal control electrodes, characterized in that on the part of the dielectric substrate on which there is no ferroelectric film, contact pads for supplying voltage, waveguide continuation portions are formed electrodes and coplanar lines connecting the slotted line control electrodes to the contact pads, the central control the leading electrode through a quarter-wave length is connected to the first contact pad electrically connected to the continuation sections of the waveguide electrodes, and each of the control electrode adjacent to the central electrode is connected to the second contact pad through the serial connection of two quarter-wave segments, the parameters of the first of which are equal to the parameters of the quarter-wave length connected with a central control electrode, and the parameters of the second quarter-wave segment are selected from the condition of maximum th reflection of the working signal.

2. The phase shifter according to claim 1, characterized in that an input matching element is formed at its input, the shape of which ensures a smooth change in wave impedance.