RU200397U1

RU200397U1 - Microstrip Switchable Delay Line

Info

Publication number: RU200397U1
Application number: RU2020117221U
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Вернигора; Василий Петрович Петренко; Петр Анатольевич Половинкин
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2020-10-22

Abstract

Полезная модель относится к области радиотехники, в частности, к линиям задержки. Микрополосковая переключаемая линия задержки содержит две микрополосковые линии передачи разной длины, первые концы которых соединены с входом через первый и второй коммутирующий диоды, а вторые концы соединены с выходом через третий и четвертый коммутирующий диоды. Вход подключен к контакту управления через катушку индуктивности, а выход заземлен через другую катушку индуктивности. Отрезки линий передач на одинаковых участках непосредственно после первого и второго диодов и перед третьим и четвертым диодами расположены параллельно и связаны электромагнитной связью. Технический результат - уменьшение ослабления при расширении диапазона частот. 3 ил.The utility model relates to the field of radio engineering, in particular, to delay lines. The microstrip switched delay line contains two microstrip transmission lines of different lengths, the first ends of which are connected to the input through the first and second switching diodes, and the second ends are connected to the output through the third and fourth switching diodes. The input is connected to the control pin through an inductor, and the output is grounded through another inductor. Sections of transmission lines in identical sections immediately after the first and second diodes and in front of the third and fourth diodes are located in parallel and connected by electromagnetic coupling. The technical result is a decrease in attenuation when expanding the frequency range. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к области радиотехники СВЧ и может быть использована для дискретного изменения длины трактов СВЧ при частотно независимом управлении диаграммой направленности антенной решетки в широком диапазоне частот.The utility model relates to the field of microwave radio engineering and can be used for discrete change in the length of microwave paths with frequency independent control of the antenna array radiation pattern in a wide frequency range.

Изменение угла отклонения луча от нормали при заданном расстоянии между элементами антенной решетки определяется длиной, вводимой линией задержки в трактах питания элементов антенной решетки. В антенной решетке с большим количеством элементов и на большой угол поворота требуется переключаемая линия задержки с переключаемой длиной намного превышающей длину волны.The change in the angle of deflection of the beam from the normal at a given distance between the elements of the antenna array is determined by the length introduced by the delay line in the power paths of the elements of the antenna array. An antenna array with a large number of elements and a large rotation angle requires a switchable delay line with a switchable length much longer than the wavelength.

В качестве переключаемой линии задержки может использоваться фазовращатель с линейной зависимостью фазы от частоты, например, дискретный фазовращатель СВЧ (Пат. РФ №2631105 МПК Н01Р 1/18). Устройство содержит одинаковые первый и второй отрезки линии передачи, одни концы которых соединены между собой, а другие соединены с входом и выходом. Вход и выход дополнительно соединены через такие же третий и четвертый отрезки линии, между которыми включен первый коммутирующий диод. К точке соединения первого и второго отрезков линии подключен одним выводом второй коммутирующий диод, второй вывод которого соединен с разомкнутым пятым отрезком линии передачи. При этом волновое сопротивление первого, второго, третьего и четвертого отрезков линии в два раза выше сопротивления входа и выхода. Это устройство может использоваться в качестве переключаемой линии задержки. Однако переключаемая длина линии мала и ограничена четвертью длины волны на верхней частоте рабочего диапазона частот.A phase shifter with a linear phase versus frequency dependence can be used as a switchable delay line, for example, a discrete microwave phase shifter (RF Pat. No. 2631105 IPC N01R 1/18). The device contains the same first and second sections of the transmission line, some ends of which are connected to each other, while others are connected to the input and output. The input and output are additionally connected through the same third and fourth line segments, between which the first switching diode is connected. A second switching diode is connected to the junction point of the first and second line segments, the second terminal of which is connected to the open fifth segment of the transmission line. In this case, the wave resistance of the first, second, third and fourth line segments is twice the resistance of the entry and exit. This device can be used as a switchable delay line. However, the switchable line length is short and limited to a quarter wavelength at the upper frequency of the operating frequency range.

Большие переключаемые длины обеспечивают, выбранные в качестве прототипа, переключаемые отрезки линий передачи, реализованные в двухпозиционном проходном фазовращателе (Г.С. Хижа и др. СВЧ фазовращатели и переключатели, М., «Радио и связь» 1984 г., стр. 30, рис. 1.21). Прототип содержит два отрезка линии передачи разной длины, концы которых соединены с входом и выходом через коммутирующие диоды. Изменение длины прохождения сигнала производится при переключении отрезков. Для переключения отрезков вход подключен к контакту управления, например через катушку индуктивности, а выход - заземлен, например, через другую катушку индуктивности. Прототип не имеет провалов в частотной характеристике ослабления в диапазоне частот, где емкость закрытого диода проявляется слабо, например, в дециметровом диапазоне частот. В сантиметровом диапазоне частот емкость закрытых диодов с отрезком линии закрытого канала образует резонатор, подключенный к открытому каналу на входе и выходе. Резонатор имеет резонансные частоты, на которых длина отрезка кратна целому числу половины длины волны. В результате при большой длине отрезка закрытого канала в широком диапазоне частот имеют место множество провалов частотной характеристике ослабления.Large switchable lengths provide, selected as a prototype, switchable sections of transmission lines, implemented in a two-position pass-through phase shifter (GS Khizha et al. Microwave phase shifters and switches, M., "Radio and Communication" 1984, p. 30, fig.1.21). The prototype contains two sections of transmission line of different length, the ends of which are connected to the input and output through switching diodes. The change in the length of the signal path is made when switching the segments. To switch sections, the input is connected to the control contact, for example, through an inductor, and the output is grounded, for example, through another inductor. The prototype has no dips in the frequency response of the attenuation in the frequency range where the capacitance of the closed diode appears weakly, for example, in the decimeter frequency range. In the centimeter frequency range, the capacitance of closed diodes with a closed channel line segment forms a resonator connected to an open channel at the input and output. The resonator has resonant frequencies at which the segment length is an integer multiple of half the wavelength. As a result, with a large length of a closed channel section in a wide frequency range, there are many dips in the frequency response characteristic.

Цель полезной модели - уменьшение ослабления при расширении диапазона частот.The purpose of the utility model is to reduce attenuation when expanding the frequency range.

Техническим результатом является возможность использования предлагаемой микрополосковой переключаемой линии задержки в широком диапазоне частот с малым ослаблением.The technical result is the possibility of using the proposed microstrip switchable delay line in a wide frequency range with low attenuation.

Для достижения указанного технического результата, в предлагаемой микрополосковой переключаемой линии задержки, содержащей две микрополосковые линии передачи разной длины, первые концы которых соединены с входом через первый и второй коммутирующий диоды, а вторые концы соединены с выходом через третий и четвертый коммутирующий диоды, при этом вход подключен к контакту управления через катушку индуктивности, а выход заземлен через другую катушку индуктивности, согласно полезной модели, отрезки линий передач на одинаковых участках непосредственно после первого и второго диодов и перед третьим и четвертым диодами расположены параллельно и связаны электромагнитной связью.To achieve this technical result, in the proposed microstrip switchable delay line containing two microstrip transmission lines of different lengths, the first ends of which are connected to the input through the first and second switching diodes, and the second ends are connected to the output through the third and fourth switching diodes, while the input is connected to the control contact through the inductance coil, and the output is grounded through another inductance coil, according to the utility model, the sections of transmission lines in the same sections immediately after the first and second diodes and before the third and fourth diodes are located in parallel and connected by electromagnetic coupling.

Введение электромагнитной связи между проводниками открытого и закрытого каналов позволяет уменьшить связь между открытым и закрытым каналами за счет компенсации СВЧ сигнала, проходящего через емкость закрытого диода, сигналом, возникающим за счет электромагнитной связи. В результате уменьшается ослабление открытой линии задержки.The introduction of electromagnetic coupling between the conductors of the open and closed channels makes it possible to reduce the coupling between the open and closed channels by compensating for the microwave signal passing through the capacitance of the closed diode with a signal arising from electromagnetic coupling. As a result, the attenuation of the open delay line is reduced.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого устройства из литературы неизвестны, поэтому оно соответствует критерию новизны.The combination of distinctive features and properties of the proposed device are not known from the literature, so it meets the criterion of novelty.

Сущность полезной модели раскрывается чертежом, где на фиг. 1 приведена схема микрополосковой переключаемой линии задержки; на фиг. 2 - топология предлагаемой микрополосковой переключаемой линии задержки; на фиг. 3 - амплитудно-частотная характеристика ослабления микрополосковой переключаемой линии задержки (Сплошная линия - прототип, пунктирная линия - предлагаемое устройство).The essence of the utility model is disclosed in the drawing, where FIG. 1 is a schematic diagram of a microstrip switchable delay line; in fig. 2 - topology of the proposed microstrip switchable delay line; in fig. 3 - amplitude-frequency characteristic of the attenuation of the microstrip switchable delay line (solid line - prototype, dotted line - proposed device).

Предлагаемая микрополосковая переключаемая линия задержки (фиг. 1, 2) содержит «короткую» микрополосковую линию передачи, состоящую из отрезков 1, 2, 3, и «длинную» микрополосковую линию передачи, состоящую из отрезков 4, 5, 6. Один конец «короткой» микрополосковой линии передач соединен с входом «Вх» через коммутирующий диод 7, а второй конец соединен с выходом «Вых» через коммутирующий диод 8. Один конец «длинной» микрополосковой линии передачи соединен с входом «Вх» через коммутирующий диод 9, а второй конец соединен с выходом «Вых» через коммутирующий диод 10. Отрезки 1 и 4 и отрезки 3 и 6 линий передач на одинаковых участках непосредственно после диодов 7 и 9 и перед диодами 8 и 10 расположены параллельно и связаны электромагнитной связью.The proposed microstrip switchable delay line (Fig. 1, 2) contains a "short" microstrip transmission line, consisting of sections 1, 2, 3, and a "long" microstrip transmission line, consisting of sections 4, 5, 6. One end of the "short "Microstrip transmission line is connected to the input" Bx "through a switching diode 7, and the second end is connected to the output" Out "through a switching diode 8. One end of the" long "microstrip transmission line is connected to the input" Bx "through a switching diode 9, and the second the end is connected to the output "Out" through a switching diode 10. Sections 1 and 4 and sections 3 and 6 of transmission lines in the same sections immediately after diodes 7 and 9 and before diodes 8 and 10 are located in parallel and connected by electromagnetic coupling.

Для управления линией задержки вход «Вх» подключен к контакту управления «Упр» через катушку 11 индуктивности, а выход «Вых» заземлен через другую катушку 12 индуктивности.To control the delay line, the input "In" is connected to the control contact "Control" through the inductor 11, and the output "Out" is grounded through another coil 12 of inductance.

Волновое сопротивление отрезков линий 1-6 равно сопротивлению входа и выхода.The wave resistance of line segments 1-6 is equal to the resistance of the entry and exit.

Величина зазора между отрезками линий 1 и 4, 3 и 6 и длина этих проводников (фиг.2) выбирается из условия максимальной компенсации емкости закрытого диода, электромагнитной связью между проводниками. Выбор производится путем анализа частотной характеристики ослабления линии задержки. При этом длины отрезков линии 1, 3, 4, 6 одинаковы и выбираются больше половины длины волны на верхней частоте рабочего диапазона частот.The size of the gap between the segments of lines 1 and 4, 3 and 6 and the length of these conductors (figure 2) is selected from the condition of maximum compensation of the closed diode capacitance by electromagnetic coupling between the conductors. The selection is made by analyzing the frequency response of the attenuation of the delay line. In this case, the lengths of the line segments 1, 3, 4, 6 are the same and more than half the wavelength is chosen at the upper frequency of the operating frequency range.

Длина отрезка линии 2 выбирается минимально возможной. Разность длин отрезков 2 и 5 выбирается из заданной величины переключаемой длины линии задержки.The length of the line segment 2 is chosen as small as possible. The difference between the lengths of the segments 2 and 5 is selected from a given value of the switched length of the delay line.

Величина индуктивности катушек цепей управления 11, 12 выбирается так, чтобы их реактивное сопротивление было намного больше сопротивления входа.The value of the inductance of the coils of the control circuits 11, 12 is chosen so that their reactance is much greater than the input resistance.

Предлагаемая микрополосковая переключаемая линии задержки работает следующим образом.The proposed microstrip switchable delay line operates as follows.

При подаче на контакт «Упр» напряжения положительной полярности диоды 7 и 8 открываются и СВЧ сигнал, поступающий на вход «Вх» проходит на выход «Вых» по отрезкам линий 1, 2, 3 с задержкой равной сумме длин этих отрезков. Диоды 9 и 10 закрыты. При этом часть сигнала проходит в линию передачи, состоящую из отрезков 4, 5, 6, через емкости закрытых диодов 9 и 10. При отсутствии электромагнитной связи между отрезками открытого и закрытого каналов, на частотной характеристике ослабления имеют место провалы, на резонансных частотах, определяемых общей длиной отрезков 4, 5, 6 (фиг. 3 сплошная линия). Но так как отрезки 1 и 4, 3 и 6 связаны электромагнитной связью, при определенных длине отрезков и расстоянии между проводниками обеспечивается компенсация сигнала, прошедшего через закрытые диоды, сигналом возникшем посредством электромагнитной связи. Следует отметить, что в данном случае компенсирующий сонаправленный сигнал образуется из-за разности фазовых скоростей в связанных микрополосковых линиях. Величина этого сигнала определяется длиной связанных линий и увеличивается с ростом частоты, аналогично связи через емкость закрытого диода. В результате резонатор, образованный отрезками линии закрытого канала, практически не вносит дополнительного ослабления в открытый канал (см. фиг. 3 пунктирная линия).When positive polarity voltage is applied to the contact "Control", diodes 7 and 8 open and the microwave signal arriving at the input "In" passes to the output "Out" along the segments of lines 1, 2, 3 with a delay equal to the sum of the lengths of these segments. Diodes 9 and 10 are closed. In this case, part of the signal passes into the transmission line, consisting of segments 4, 5, 6, through the capacitances of closed diodes 9 and 10. In the absence of electromagnetic coupling between the segments of the open and closed channels, there are dips in the frequency response of the attenuation, at resonance frequencies determined by the total length of the segments 4, 5, 6 (Fig. 3 solid line). But since the segments 1 and 4, 3 and 6 are connected by electromagnetic communication, at certain lengths of the segments and the distance between the conductors, compensation of the signal that has passed through the closed diodes is provided by the signal that has arisen through electromagnetic communication. It should be noted that in this case, the compensating co-directional signal is formed due to the phase velocity difference in the coupled microstrip lines. The magnitude of this signal is determined by the length of the connected lines and increases with increasing frequency, similar to the connection through the capacitance of a closed diode. As a result, the resonator formed by the line segments of the closed channel practically does not introduce additional attenuation into the open channel (see Fig. 3 dashed line).

При подаче на контакт «Упр» напряжения отрицательной полярности диоды 9 и 10 открываются и СВЧ сигнал, поступающий на вход «Вх» проходит на выход «Вых» по отрезкам линий 4, 5, 6 с задержкой равной сумме длин этих отрезков. Диоды 7 и 8 закрыты, при этом часть сигнала проходит в линию передачи, состоящую из отрезков 1, 2, 3, через емкости закрытых диодов 7 и 8 и компенсируется сигналами через электромагнитную связь отрезков 1 и 4, 3 и 6.When negative polarity voltage is applied to the contact "Control", diodes 9 and 10 open and the microwave signal arriving at the input "In" passes to the output "Out" along the segments of lines 4, 5, 6 with a delay equal to the sum of the lengths of these segments. Diodes 7 and 8 are closed, while part of the signal passes into the transmission line, consisting of segments 1, 2, 3, through the capacitance of closed diodes 7 and 8 and is compensated by signals through the electromagnetic coupling of segments 1 and 4, 3 and 6.

Таким образом, при изменении полярности напряжения на контакте «Упр», происходит изменение длины линии задержки, равной разности длин отрезков 2 и 5. При этом, так как закрытый канал не вносит дополнительного ослабления в открытый канал, предлагаемая микрополосковая переключаемая линии задержки имеет малое ослабление в широком диапазоне частот.Thus, when the polarity of the voltage at the contact "Control" changes, the length of the delay line changes, which is equal to the difference between the lengths of segments 2 and 5. At the same time, since the closed channel does not introduce additional attenuation into the open channel, the proposed microstrip switched delay line has a small attenuation in a wide frequency range.

На предприятии был изготовлен макет предложенной микрополосковой переключаемой линии задержки с переключаемой длиной равной 36 мм в свободном пространстве. Макет выполнен на микрополосковой линии на диэлектрике толщиной 0,272 мм с диэлектрической проницаемостью равной 3,48. В качестве диодов использовался диод 2А553-Б3. Рабочий диапазон частот - сантиметровый, перекрытие по частоте равно 9,0. При экспериментальной проверке были получены результаты, подтверждающие достижение поставленной цели. Ослабление макета составило не более 2,0 дБ, что соответствует заданным техническим требованиям.The company manufactured a model of the proposed switchable microstrip delay line with a switchable length of 36 mm in free space. The model is made on a microstrip line on a dielectric 0.272 mm thick with a dielectric constant of 3.48. The diode 2A553-B3 was used as diodes. The working frequency range is centimeter, the frequency overlap is 9.0. During the experimental verification, the results were obtained, confirming the achievement of the set goal. The attenuation of the layout was no more than 2.0 dB, which corresponds to the specified technical requirements.

Claims

A microstrip switchable delay line containing two microstrip transmission lines of different lengths, the first ends of which are connected to the input through the first and second switching diodes, and the second ends are connected to the output through the third and fourth switching diodes, while the input is connected to the control contact through an inductor, and the output is grounded through another inductance coil, characterized in that the sections of transmission lines in the same sections immediately after the first and second diodes and in front of the third and fourth diodes are located in parallel and connected by electromagnetic coupling.