RU166050U1

RU166050U1 - MULTI-DISCHARGE WIDE BAND DISCRETE SUPER HIGH FREQUENCY PHASE ROTARY

Info

Publication number: RU166050U1
Application number: RU2016119706/28U
Authority: RU
Inventors: Александр Юрьевич Кравчук; Анастасия Борисовна Байкина
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2016-11-10

Abstract

Многоразрядный широкополосный дискретный сверхвысокочастотный фазовращатель, состоящий из N последовательно соединенных разрядов, в состав каждого из которых входят фазосдвигающий элемент (ФСЭ) и опорный элемент (ОЭ), содержащий pin-диод ОЭ, анод которого соединен с входом разряда фазовращателя, отличающийся тем, что в ОЭ дополнительно введены первый и второй конденсаторы ОЭ, индуктивность ОЭ и второй pin-диод ОЭ, при этом катод первого pin-диода ОЭ через последовательно соединенные первый и второй конденсаторы ОЭ соединен с катодом второго pin-диода ОЭ, а общая точка между первым и вторым конденсаторами ОЭ соединена с корпусом устройства через индуктивность ОЭ, ФСЭ состоит из первого и второго pin-диодов ФСЭ, первого и второго конденсаторов ФСЭ и индуктивности ФСЭ, катоды первого и второго pin-диодов ФСЭ, соответственно, соединены через первый и второй конденсаторы ФСЭ с корпусом фазовращателя, а между собой соединены индуктивностью ФСЭ, причем анод первого pin-диода ФСЭ имеет общую точку с анодом первого pin-диода ОЭ, которая является входом разряда фазовращателя, а анод второго pin-диода ФСЭ соединен с анодом второго pin-диода ОЭ, и их общая точка является выходом этого разряда фазовращателя, при этом вход первого разряда является входом фазовращателя, а выход последнего разряда - выходом фазовращателя.A multi-bit wide-band discrete microwave frequency shifter, consisting of N series-connected discharges, each of which includes a phase-shifting element (PSE) and a supporting element (OE) containing an OE pin diode, the anode of which is connected to the phase inlet of the phase shifter, characterized in that OE additionally introduced the first and second OE capacitors, OE inductance and the second OE pin diode, while the cathode of the first OE pin diode is connected through the first and second OE capacitors in series with the cathode of the second p in-diode of the OE, and the common point between the first and second capacitors of the OE is connected to the device body through the inductance of the OE, the FSE consists of the first and second pin diodes of the FSE, the first and second capacitors of the FSE and the inductance of the FSE, the cathodes of the first and second pin diodes of the FSE respectively, they are connected through the first and second capacitors of the FSE to the phase shifter housing, and are interconnected by the inductance of the FSE, and the anode of the first pin diode of the FSE has a common point with the anode of the first pin diode OE, which is the input of the phase shifter discharge, and the anode of the second pin d ode PSE connected to the anode of the diode of the second pin-MA, and their common point being the output of this bit phase shifter, the input of the first digit is input to the phase shifter, and the output of the last rank - the output of the phase shifter.

Description

Полезная модель относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) радиотехники, а в частности к широкополосным дискретным полупроводниковым СВЧ фазовращателям и может быть использована в фазовых модуляторах, фазокомпенсаторах, фазированных антенных решетках и других радиотехнических устройствах для управления фазой электромагнитных колебаний.The utility model relates to the field of microwave technology, and in particular to broadband discrete semiconductor microwave phase shifters and can be used in phase modulators, phase compensators, phased array antennas and other radio devices to control the phase of electromagnetic waves.

Известны широкополосные дискретные диодные СВЧ фазовращатели [1], состоящие из N фазосдвигающих разрядов на переключаемых отрезках линий передачи с различной электрической длиной в каждом разряде для обеспечения задержки сигнала за счет конечной скорости распространения волны в линии, в результате чего получается необходимый фазовый сдвиг-дискрета.Known broadband discrete diode microwave phase shifters [1], consisting of N phase-shifting discharges on switched segments of transmission lines with different electric lengths in each discharge to ensure signal delay due to the finite wave propagation velocity in the line, resulting in the necessary phase shift-discrete.

Известен дискретный фазовращатель [2], содержащий отрезок полосковой линии передачи, сигнальный провод которой выполнен в виде петли, причем в основании и вершине петли, соответственно, размещены первый коммутирующий элемент, которым является pin-диод, разомкнутый шлейф и отрезок проводника длинами меньше λ/4, выход которого соединен с короткозамкнутым и разомкнутым шлейфами с суммарной длиной, равной λ/4. Причем разомкнутый шлейф связан через второй коммутирующий pin-диод с короткозамкнутым шлейфом.Known discrete phase shifter [2], containing a segment of the strip transmission line, the signal wire of which is made in the form of a loop, and at the base and top of the loop, respectively, are placed the first switching element, which is a pin diode, an open loop and a conductor length of length less than λ / 4, the output of which is connected to short-circuited and open loops with a total length equal to λ / 4. Moreover, the open loop is connected through a second switching pin diode with a short-circuit loop.

Общими недостатками аналогов [1] и [2] являются наличие существенной амплитудной модуляции при переключении разрядов, высокая (±10%) фазовая погрешность в 10%-й рабочей полосе частот. Дополнительными недостатками являются большие масса и габариты при использовании вышеописанных фазовращателей в метровом диапазоне длин волн.Common disadvantages of analogues [1] and [2] are the presence of significant amplitude modulation when switching discharges, a high (± 10%) phase error in the 10% operating frequency band. Additional disadvantages are the large mass and dimensions when using the above phase shifters in the meter wavelength range.

Наиболее близким из известных аналогов, служащим прототипом заявленного фазовращателя, является дискретный петлеобразный диодный СВЧ фазовращатель [3], представленный на фиг. 1 (для упрощения показан один разряд), состоящий из микрополосковой секции, которая является фазосдвигающим элементом (ФСЭ), и диода, коммутирующего концы петли, являющегося опорным элементом (ОЭ).The closest known analogue serving as a prototype of the claimed phase shifter is a discrete loop-shaped diode microwave phase shifter [3], shown in FIG. 1 (for simplicity, one discharge is shown), consisting of a microstrip section, which is a phase-shifting element (FSE), and a diode that commutes the ends of the loop, which is a supporting element (OE).

Недостатки данного прототипа такие же, как у вышеописанных аналогов [1, 2].The disadvantages of this prototype are the same as those of the above analogues [1, 2].

Достигаемым техническим результатом предлагаемой полезной модели является улучшение ее электрических характеристик, а именно уменьшение амплитудной модуляции при переключении разрядов и снижение фазовой погрешности в рабочей полосе частот. Дополнительным техническим результатом, при использовании предлагаемой полезной модели в метровом диапазоне длин волн, является уменьшение массы и габаритов.The technical result of the proposed utility model is the improvement of its electrical characteristics, namely, a decrease in amplitude modulation when switching discharges and a decrease in phase error in the working frequency band. An additional technical result, when using the proposed utility model in the meter wavelength range, is to reduce the weight and dimensions.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из N последовательно соединенных разрядов, в состав каждого из которых входят фазосдвигающий элемент (ФСЭ) и опорный элемент (ОЭ), который состоит из pin-диода ОЭ, анод которого соединен с входом разряда фазовращателя, в ОЭ дополнительно введены первый и второй конденсаторы ОЭ, индуктивность ОЭ и второй pin-диод ОЭ, при этом катод первого pin-диода ОЭ, через последовательно соединенные первый и второй конденсаторы ОЭ, соединен с катодом второго pin-диода ОЭ, а общая точка между первым и вторым конденсаторами ОЭ соединена с корпусом устройства через индуктивность ОЭ, элементная база ФСЭ полностью заменена и состоит из первого и второго pin-диодов ФСЭ, первого и второго конденсаторов ФСЭ и индуктивности ФСЭ, катоды первого и второго pin-диодов ФСЭ, соответственно, соединены через первый и второй конденсаторы ФСЭ с корпусом фазовращателя, а между собой соединены индуктивностью ФСЭ, причем анод первого pin-диода ФСЭ имеет общую точку с анодом первого pin-диода ОЭ, которая является входом разряда фазовращателя, а анод второго pin-диода ФСЭ соединен с анодом второго pin-диода ОЭ, и их общая точка является выходом этого разряда фазовращателя, при этом вход первого разряда является входом фазовращателя, а выход последнего разряда - выходом фазовращателя. В каждом N разряде обеспечивается заданный сдвиг по фазе входящего в разряд СВЧ сигнала.The specified technical result is achieved by the fact that in the known device, consisting of N series-connected discharges, each of which includes a phase-shifting element (FSE) and a supporting element (OE), which consists of a pin diode OE, the anode of which is connected to the discharge input phase shifter, the first and second OE capacitors, the OE inductance, and the second OE pin diode are additionally introduced into the OE, while the cathode of the first OE pin diode, through the first and second OE capacitors connected in series, is connected to the cathode of the second OE pin diode, and The connecting point between the first and second capacitors of the OE is connected to the device through the inductance of the OE, the element base of the FSE is completely replaced and consists of the first and second pin diodes of the FSE, the first and second capacitors of the FSE and the inductance of the FSE, the cathodes of the first and second pin diodes of the FSE, accordingly, they are connected through the first and second capacitors of the FSE to the phase shifter housing, and are interconnected by the inductance of the FSE, and the anode of the first pin diode of the FSE has a common point with the anode of the first pin diode of the OE, which is the input of the phase shifter discharge while the anode of the second pin-diode of the FSE is connected to the anode of the second pin-diode of the OE, and their common point is the output of this discharge of the phase shifter, while the input of the first discharge is the input of the phase shifter, and the output of the last discharge is the output of the phase shifter. In each N discharge, a predetermined phase shift of the microwave signal entering the discharge is provided.

То есть вместо микрополосковых фазосдвигающих секций в предлагаемом фазовращателе используются фазосдвигающие секции согласованных Т-образного фильтра верхних частот (ФВЧ) в ОЭ и П-образного фильтра нижних частот (ФНЧ) в ФСЭ, выполненных на сосредоточенных элементах (индуктивностях и конденсаторах). Номиналы индуктивностей и конденсаторов рассчитываются таким образом, чтобы для каждого N разряда обеспечивался заданный сдвиг по фазе.That is, instead of microstrip phase-shifting sections in the proposed phase shifter, phase-shifting sections of the matched T-shaped high-pass filter (HPF) in the OE and the U-shaped low-pass filter (HPF) in the FSE made on lumped elements (inductors and capacitors) are used. The values of the inductors and capacitors are calculated so that for each N discharge a specified phase shift is provided.

Предлагаемая полезная модель состоит из N разрядов, где число «N» может принимать значения от 1 до 6. По вышеизложенному принципу можно разрабатывать многоразрядные широкополосные дискретные СВЧ фазовращатели.The proposed utility model consists of N bits, where the number "N" can take values from 1 to 6. According to the above principle, it is possible to develop multi-bit wide-band discrete microwave phase shifters.

Рассмотрим состав и работу одного разряда фазовращателя.Consider the composition and operation of a single phase shifter.

На фиг. 2 представлена электрическая схема одного разряда предлагаемого устройства, где обозначено:In FIG. 2 shows an electrical diagram of one discharge of the proposed device, where it is indicated:

1 - фазосдвигающий элемент (ФСЭ);1 - phase-shifting element (FSE);

2 - опорный элемент (ОЭ);2 - supporting element (OE);

3, 4 - первый и второй конденсаторы ФСЭ;3, 4 - the first and second capacitors of the FSE;

5 - индуктивность ФСЭ;5 - the inductance of the FSE;

6, 7 - первый и второй pin-диоды ФСЭ;6, 7 - the first and second pin-diodes of the FSE;

8, 9 - первый и второй pin-диоды ОЭ;8, 9 - the first and second pin diodes of the OE;

10, 11 - первый и второй конденсаторы ОЭ;10, 11 - the first and second capacitors OE;

12 - индуктивность ОЭ.12 - MA inductance.

Для упрощения на фиг. 2 представлена только высокочастотная часть устройства без цепей управления.For simplicity, FIG. 2 shows only the high-frequency part of the device without control circuits.

Дискретный СВЧ фазовращатель состоит из ФСЭ 1 и ОЭ 2, соединенных параллельно. Фаза ОЭ 2 принимается за нулевую.Discrete microwave phase shifter consists of FSE 1 and OE 2 connected in parallel. OE 2 phase is taken as zero.

ФСЭ 1 состоит из первого и второго коммутирующих pin-диодов ФСЭ 6, 7, а также из П-образного ФНЧ, в состав которого входят первый и второй конденсаторы ФСЭ 3, 4 и индуктивность ФСЭ 5.The FSE 1 consists of the first and second switching pin diodes of the FSE 6, 7, as well as a U-shaped low-pass filter, which includes the first and second capacitors of the FSE 3, 4 and the inductance of the FSE 5.

ОЭ 2 состоит из первого и второго коммутирующих pin-диодов ОЭ 8, 9 и Т-образного ФВЧ, в состав которого входят первый и второй конденсаторы ОЭ 10, 11 и индуктивность ОЭ 12.OE 2 consists of the first and second switching pin diodes OE 8, 9 and a T-shaped HPF, which includes the first and second capacitors OE 10, 11 and the inductance of OE 12.

При этом параллельно подключенные П-образный ФНЧ и Т-образный ФВЧ коммутируются, соответственно, первым и вторым pin-диодами ФСЭ 6, 7 и первым и вторым pin-диодами ОЭ 8, 9.In this case, the parallel-connected U-shaped low-pass filter and T-shaped high-pass filter are switched, respectively, by the first and second pin-diodes of the FSE 6, 7 and the first and second pin-diodes of the OE 8, 9.

Входом разряда устройства является общая точка, соединяющая анод первого pin-диода ФСЭ 6 и анод первого pin-диода ОЭ 8. Катод первого pin-диода ОЭ 8 через последовательно соединенные первый и второй конденсаторы ОЭ 10, 11 соединен с катодом второго pin-диода ОЭ 9, а общая точка между первым и вторым конденсаторами ОЭ 10,11 соединена с корпусом устройства через индуктивность ОЭ 12. Катоды первого и второго pin-диодов ФСЭ 6, 7, соответственно, соединены через первый и второй конденсаторы ФСЭ 3, 4 с корпусом устройства, а между собой соединены индуктивностью ФСЭ 5. Анод второго pin-диода ФСЭ 7 соединен с анодом второго pin-диода ОЭ 9, и их общая точка является выходом этого разряда устройства.The discharge input of the device is a common point connecting the anode of the first pin diode FSE 6 and the anode of the first pin diode OE 8. The cathode of the first pin diode OE 8 is connected through series-connected first and second capacitors OE 10, 11 to the cathode of the second pin diode OE 9, and the common point between the first and second capacitors OE 10.11 is connected to the device body through the inductance of the OE 12. The cathodes of the first and second pin diodes of the FSE 6, 7, respectively, are connected through the first and second capacitors of the FSE 3, 4 to the device body , and are interconnected by the inductance of the FSE 5. The anode of the second pin diode FSE 7 is connected to the anode of the second pin diode OE 9, and their common point is the output of this discharge of the device.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

На вход разряда устройства подается СВЧ сигнал. Пары коммутирующих pin-диодов ФСЭ и ОЭ 6, 7 и 8, 9, соответственно, работают в инверсном режиме. Поэтому если первый и второй pin-диоды ОЭ 8, 9 открыты, а первый и второй pin-диоды ФСЭ 6, 7 закрыты, то СВЧ сигнал проходит через Т-образный ФВЧ, и на выходе разряда устройства исходный СВЧ сигнал получает заданный сдвиг по фазе. И наоборот, если первый и второй pin-диоды ФСЭ 6, 7 открыты, а первый и второй pin-диоды ОЭ 8, 9 закрыты, то СВЧ сигнал проходит через П-образный ФНЧ, и на выходе разряда исходный СВЧ сигнал также получает заданный сдвиг по фазе. Так происходит последовательно в каждом разряде данного фазовращателя. На выходе СВЧ фазовращателя имеем необходимый сдвиг по фазе исходного СВЧ сигнала.A microwave signal is applied to the discharge input of the device. Pairs of switching pin diodes of FSE and OE 6, 7 and 8, 9, respectively, operate in inverse mode. Therefore, if the first and second pin diodes of the OE 8, 9 are open, and the first and second pin diodes of the FSE 6, 7 are closed, then the microwave signal passes through the T-shaped HPF, and at the output of the discharge of the device, the original microwave signal receives the specified phase shift . And vice versa, if the first and second pin diodes of the FSE 6, 7 are open, and the first and second pin diodes of the OE 8, 9 are closed, then the microwave signal passes through the U-shaped low-pass filter, and the original microwave signal also receives the specified shift at the output of the discharge in phase. This happens sequentially in each discharge of this phase shifter. At the output of the microwave phase shifter, we have the necessary phase shift of the original microwave signal.

Волновые сопротивления ФНЧ и ФВЧ выбираются равными волновому сопротивлению тракта, что значительно снижает величину фазовой погрешности и амплитудной модуляции при переключении разрядов. Элементы ФНЧ и ФВЧ рассчитываются по формулам приведенным в [4] с учетом волнового сопротивления тракта.The wave impedances of the low-pass and high-pass filters are chosen equal to the wave impedance of the path, which significantly reduces the magnitude of the phase error and amplitude modulation when switching discharges. Elements of the low-pass and high-pass filters are calculated according to the formulas given in [4] taking into account the wave impedance of the path.

Предлагаемый СВЧ фазовращатель благодаря свойствам ФНЧ и ФВЧ имеет фазовую погрешность ±3° на дискрет в 10%-й рабочей полосе частот, обусловленную точностью номиналов дискретных емкостей и индуктивностей.Due to the properties of the low-pass and high-pass filters, the proposed microwave phase shifter has a phase error of ± 3 ° per discrete in the 10% working frequency band due to the accuracy of the values of discrete capacitances and inductances.

По сравнению с микрополосковыми секциями, применяемыми в прототипе, меньшие масса и габариты предложенного фазовращателя при использовании в метровом диапазоне длин волн обусловлены, в основном, размерами применяемых конденсаторов и индуктивностей.Compared with the microstrip sections used in the prototype, the smaller mass and dimensions of the proposed phase shifter when used in the meter wavelength range are due mainly to the dimensions of the capacitors and inductances used.

По вышеописанному принципу могут быть построены фазовращатели с разрядами, имеющими фазовый сдвиг 180°, 90°, 45°, 22.5°, 11.25° и 5.6°.According to the above principle, phase shifters with discharges having a phase shift of 180 °, 90 °, 45 °, 22.5 °, 11.25 ° and 5.6 ° can be built.

В соответствии с вышеописанной полезной моделью на предприятии разработаны и изготовлены СВЧ фазовращатели такого исполнения, имеющие широкое применение во многих изделиях.In accordance with the utility model described above, the company developed and manufactured microwave phase shifters of this design, which are widely used in many products.

Таким образом, благодаря тому, что в известное устройство, состоящее из N последовательно соединенных разрядов, в состав которых входят фазосдвигающий элемент (ФСЭ) и опорный элемент (ОЭ), который состоит из pin-диода ОЭ, в ОЭ введены первый и второй конденсаторы ОЭ, индуктивность ОЭ и второй pin-диод ОЭ, а в ФСЭ, при переходе на другую элементную базу, введены первый и второй pin-диоды ФСЭ, а также первый и второй конденсаторы ФСЭ и индуктивность ФСЭ с вышеописанными связями, улучшены электрические характеристики, а именно уменьшена амплитудная модуляция при переключении разрядов и снижена фазовая погрешность. Кроме того, при использовании предлагаемой полезной модели в метровом диапазоне длин волн достигается уменьшение массы и габаритов фазовращателя.Thus, due to the fact that in the known device, consisting of N series-connected discharges, which include a phase-shifting element (PSE) and a support element (OE), which consists of a pin diode of the OE, the first and second OE capacitors are introduced into the OE , the inductance of the OE and the second pin-diode of the OE, and in the FSE, when switching to another element base, the first and second pin-diodes of the FSE are introduced, as well as the first and second capacitors of the FSE and the inductance of the FSE with the above connections, the electrical characteristics are improved, namely amplitude amplitude is reduced ulyatsiya when changing bits and reduced phase error. In addition, when using the proposed utility model in the meter wavelength range, a reduction in the mass and dimensions of the phase shifter is achieved.

Источники информации:Information sources:

1. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. СВЧ фазовращатели и переключатели: особенности создания на p-i-n-диодах в интегральном исполнении.- М.: Радио и связь, 1984, с. 167, рис. 5.12;1. Khizha G.S., Vendik I.B., Serebryakova E.A. Microwave phase shifters and switches: features of creation on p-i-n-diodes in integrated design. - M.: Radio and communication, 1984, p. 167, fig. 5.12;

2. Авторское свидетельство SU 1822612, МПК H01P 1/18, опубликовано: 20.05.1995;2. Copyright certificate SU 1822612, IPC H01P 1/18, published: 05/20/1995;

3. Патент RU 2231175, МПК H01P 1/185, опубликовано: 20.06.2004;3. Patent RU 2231175, IPC H01P 1/185, published: 06/20/2004;

4. Карпов В.М., Малышев В.Α., Перевощиков И.В. Широкополосные устройства СВЧ на элементах с сосредоточенными параметрами.- М.: Радио и связь, 1984, с. 85.4. Karpov V.M., Malyshev V.Α., Perevoshchikov I.V. Broadband microwave devices on elements with lumped parameters. - M.: Radio and communications, 1984, p. 85.

Claims

A multi-bit wide-band discrete microwave frequency shifter, consisting of N series-connected discharges, each of which includes a phase-shifting element (PSE) and a supporting element (OE) containing an OE pin diode, the anode of which is connected to the phase inlet of the phase shifter, characterized in that OE additionally introduced the first and second OE capacitors, OE inductance and the second OE pin diode, while the cathode of the first OE pin diode is connected through the first and second OE capacitors in series with the cathode of the second p in-diode of the OE, and the common point between the first and second capacitors of the OE is connected to the device body through the inductance of the OE, the FSE consists of the first and second pin diodes of the FSE, the first and second capacitors of the FSE and the inductance of the FSE, the cathodes of the first and second pin diodes of the FSE respectively, they are connected through the first and second capacitors of the FSE to the phase shifter housing, and are interconnected by the inductance of the FSE, and the anode of the first pin diode of the FSE has a common point with the anode of the first pin diode OE, which is the input of the phase shifter discharge, and the anode of the second pin d ode PSE connected to the anode of the diode of the second pin-MA, and their common point being the output of this bit phase shifter, the input of the first digit is input to the phase shifter, and the output of the last rank - the output of the phase shifter.