RU2079936C1

RU2079936C1 - Microwave phase shifter

Info

Publication number: RU2079936C1
Application number: RU94027474/09A
Authority: RU
Inventors: И.А. Шишкин
Original assignee: Ульяновский Механический Завод
Priority date: 1994-07-19
Filing date: 1994-07-19
Publication date: 1997-05-20
Also published as: RU94027474A

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: microwave phase shifter uses a grounded base, leads, strip conductor that can rotate around its axis, and dielectric inserts located on two sides of the strip conductor. The inserts are rigidly attached to the strip conductor, and together with it and grounded base make up a symmetric strip line. EFFECT: enhanced efficiency. 5 dwg

Description

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для измерения фазы электромагнитной волны в радиотехнических устройствах в широкой полосе частот на высоком уровне мощности. The invention relates to microwave technology and is intended to measure the phase of an electromagnetic wave in radio devices in a wide frequency band at a high power level.

Известный фазовращатель /2/, содержащий отрезок симметричной линии передачи, между заземленными пластинами и центральным проводником которой установлена диэлектрическая вставка, работает при перемещении этих пластина и вставки относительно центрального проводника, а следовательно, и корпуса симметричной линии передачи. К недостаткам данного фазовращателя СВЧ следует отнести его слабую электропрочность, которая обусловлена необходимостью применения контактного или дроссельного соединения между подвижной и неподвижной частями фазовращателя. Контактное соединение недолговечно и при больших мощностях неприменимо, так как приводит к искрению и пробою СВЧ мощности. Дроссельное соединение кроме снижения электропрочности снижает электрогерметичность. The well-known phase shifter / 2 /, containing a segment of a symmetrical transmission line, between the grounded plates and the central conductor of which a dielectric insert is installed, works when these plates and inserts are moved relative to the central conductor, and therefore the case of the symmetrical transmission line. The disadvantages of this microwave phase shifter are its weak electrical strength, which is due to the need to use a contact or throttle connection between the movable and stationary parts of the phase shifter. The contact connection is short-lived and at high powers is not applicable, as it leads to sparking and breakdown of microwave power. The throttle connection in addition to reducing the electrical strength reduces the electrical leakage.

Известный СВЧ фазовращатель /3/, выбранный в качестве прототипа, состоит из заземленного основания, которое выполнено в виде круглого полого заземленного цилиндра, размещенных внутри него вкладыша, выполненного из диэлектрика и имеющего переменную толщину, и полоскового проводника, имеющего П-образную форму. При повороте полоскового проводника с диэлектрическим вкладышем за счет изменения толщины вкладыша, расположенного в промежутке между заземленными основанием и полосковым проводником, меняется эффективная диэлектрическая проницаемость этого промежутка, и, следовательно, происходит изменение фазы сигнала. Недостаточная электропрочность этого фазовращателя обусловлена как концентрацией поля между полоском и нижним основанием, так и возможностью появления паразитного типа поля из-за несимметричности полоскового П-образного проводника. Подавление паразитного типа поля за счет уменьшения диаметра цилиндра приведет к сужению полосы пропускания СВЧ сигнала. The known microwave phase shifter / 3 /, selected as a prototype, consists of a grounded base, which is made in the form of a round hollow grounded cylinder, a liner made of a dielectric and having a variable thickness placed inside it, and a strip conductor having a U-shape. When the strip conductor with the dielectric insert is rotated due to a change in the thickness of the insert located in the gap between the grounded base and the strip conductor, the effective dielectric constant of this gap changes, and, therefore, the phase of the signal changes. The insufficient electrical strength of this phase shifter is due to both the concentration of the field between the strip and the lower base, and the possibility of a parasitic type of field due to the asymmetry of the strip U-shaped conductor. Suppressing the stray type of field by reducing the diameter of the cylinder will lead to a narrowing of the passband of the microwave signal.

Целью настоящего изобретения является расширение полосы рабочих частот с одновременным увеличением электропрочности. The aim of the present invention is to expand the operating frequency band while increasing the strength.

Поставленная цель достигается в предложенной конструкции фазовращателя тем, что диэлектрические вкладыши расположены с двух сторон полоскового проводника и жестко крепятся к нему, а замкнутое основание и полосковый проводник образуют симметричную полосковую линию. The goal is achieved in the proposed design of the phase shifter in that the dielectric liners are located on both sides of the strip conductor and rigidly attached to it, and the closed base and strip conductor form a symmetrical strip line.

На фиг. 1, 2 и 3 изображены продольный и поперечный разрезы конструкции предлагаемого фазовращателя, где
1 заземленное основание;
2 полосковый проводник;
3 диэлектрические вкладыши;
4 выводы СВЧ сигнала.In FIG. 1, 2 and 3 depict longitudinal and transverse sections of the design of the proposed phase shifter, where
1 grounded base;
2 strip conductor;
3 dielectric inserts;
4 pins of a microwave signal.

Отличительной особенностью конструкции фазовращателя является то, что диэлектрические вкладыши расположены с двух сторон полоскового проводника, а полосковый проводник с диэлектрическими вкладышами установлен симметрично между широкими стенками заземленного основания и образует симметричную полосковую линию. A distinctive feature of the phase shifter design is that the dielectric liners are located on both sides of the strip conductor, and the strip conductor with dielectric liners is installed symmetrically between the wide walls of the grounded base and forms a symmetrical strip line.

Фазовращатель работает следующим образом. При повороте полоскового проводника 2 с диэлектрическими вкладышами 3 /фиг. 1, 2, 3/ вокруг своей оси меняется эффективная диэлектрическая проницаемость полосковой линии, а следовательно, и фазовая постоянная распространения электромагнитной волны, что и обеспечивает изменение фазы этой волны. Phaser is as follows. When rotating the strip conductor 2 with dielectric inserts 3 / Fig. 1, 2, 3 / around its axis, the effective dielectric constant of the strip line changes, and therefore the phase constant of the electromagnetic wave propagation, which ensures a change in the phase of this wave.

Широкополосность фазовращателя обеспечивается постоянством волнового сопротивления при изменении фазы, а высокая электропрочность отсутствием паразитного типа поля ввиду симметричности полосковой линии с вкладышами, расположенными относительно заземленного основания. Симметричность линии повышает также ее электропрочность по сравнению с прототипом, выполненным на несимметричной линии за счет распределения поля между полоском и верхним и нижним основаниями. The broadband of the phase shifter is ensured by the constancy of the wave resistance when the phase changes, and high electrical strength by the absence of a stray type of field due to the symmetry of the strip line with inserts located relative to the grounded base. The symmetry of the line also increases its electrical strength compared with the prototype, performed on an asymmetric line due to the distribution of the field between the strip and the upper and lower bases.

Электрический расчет и отработка по электрическим параметрам фазовращателя производятся следующим образом. The electrical calculation and testing of the phase shifter according to the electrical parameters is performed as follows.

При выводах СВЧ сигнала /разъемах/ с волновым сопротивлением, равным 50 Ом /лит. 1, стр. 20, рис. 1.12/, определяем диаметр центрального проводника. При 50 Ом b/d 1,8. 50-омный разъем 5-го ряда имеет внутренний диаметр 15 мм. Принимает размер b равным 15 мм /фиг. 3/. Тогда d 15/1,8 8,4 мм /фиг. 1/. Определяем размер полоска прямоугольного сечения для волновых сопротивлений линии 50 Ом. При b 15 мм и W 3 /фиг. 3/ определяем W/b 3/15 0,2 /размер W берется в зависимости от требуемой электропрочности. At the microwave signal terminals / connectors / with wave impedance equal to 50 Ohm / liter. 1, p. 20, fig. 1.12 /, determine the diameter of the central conductor. At 50 ohms b / d 1.8. The 50-ohm connector of the 5th row has an internal diameter of 15 mm. Takes size b equal to 15 mm / Fig. 3 /. Then d 15 / 1.8 8.4 mm / Fig. one/. We determine the size of the strip of rectangular cross section for wave impedances of the line 50 Ohms. With b 15 mm and W 3 / Fig. 3 / determine W / b 3/15 0.2 / size W is taken depending on the required electrical strength.

Из графика /лит. 1, стр. 9, рис. 1.4/ находим t/b при 50 Ом 0,65. Отсюда t 15•0,65 9,75. Наличие диэлектрика с краев пластины можно не учитывать, т. к. проникновение поля в данном случае в диэлектрик незначительно /фиг. 3/. From the schedule / lit. 1, p. 9, fig. 1.4 / find t / b at 50 ohms 0.65. Hence t 15 • 0.65 9.75. The presence of a dielectric from the edges of the plate can be ignored, since the penetration of the field in this case is insignificant / Fig. 3 /.

Рассчитаем волновое сопротивление линии при положении ротора соответственно фиг. 2 /без диэлектрика/ при W 9,75, t 3. W/b 9,75/15 0,65. t/b 3/15 0,2. Из графика /лит. 1, стр. 9, рис. 1.4/ находим, что полосковая симметричная линия с такими размерами имеет волновое сопротивление 65 Ом. Определяем диэлектрическую проницаемость ε диэлектрического заполнения для получения волнового сопротивления 50 Ом.

/лит. 1, стр. 17/

Эффективная диэлектрическая проницаемость с учетом зазора между корпусными пластинами 1 и диэлектрическими вкладышами 3 /фиг. 2/ будет меньше 16,9. Следовательно, для сохранения эффективной диэлектрической проницаемости 1,69 с целью получения волнового сопротивления 50 Ом необходимо выбирать материал для вкладышей с ε>1,69.. Увеличение зазора между пластинами и вкладышами снижает эффективную диэлектрическую проницаемость и, следовательно, требует применения материала с более высокой диэлектрической проницаемостью. Чем больше величина ε, тем больше будет величина зазора для сохранения волнового сопротивления 50 Ом. Величина зазора определяется при отработке фазовращателя по КСВ путем последовательного изменения толщины диэлектрических вкладышей. При КСВ 1,1 волновое сопротивление линии с вкладышами будет равно ≈ 50 Ом. Максимальная величина сдвига фазы не ограничена и определяется длиной диэлектрических пластин. /При Const t фиг. 2/.We calculate the wave impedance of the line at the rotor position, respectively, of FIG. 2 / without dielectric / at W 9.75, t 3. W / b 9.75 / 15 0.65. t / b 3/15 0.2. From the schedule / lit. 1, p. 9, fig. 1.4 / we find that a strip symmetrical line with such dimensions has a wave impedance of 65 Ohms. We determine the dielectric constant ε of the dielectric filling to obtain a wave impedance of 50 Ohms.

/ lit. 1, p. 17 /

The effective dielectric constant, taking into account the gap between the housing plates 1 and the dielectric liners 3 / Fig. 2 / will be less than 16.9. Therefore, to maintain an effective dielectric constant of 1.69 in order to obtain a wave resistance of 50 Ohms, it is necessary to choose a material for liners with ε> 1.69 .. Increasing the gap between the plates and liners reduces the effective dielectric constant and, therefore, requires the use of a material with a higher dielectric constant. The larger the ε value, the larger the gap will be to maintain a wave impedance of 50 ohms. The size of the gap is determined when practicing the phase shifter according to the SWR by successively changing the thickness of the dielectric liners. With SWR 1.1, the wave impedance of the line with inserts will be ≈ 50 Ω. The maximum phase shift is not limited and is determined by the length of the dielectric plates. / At Const t of FIG. 2 /.

Таким образом, при минимальном и максимальном изменениях фазы /фиг. 2, 3/ мы имеем полосковую линию в 50 Ом, т.е. согласованную с выходными разъемами. Thus, with minimum and maximum phase changes / Fig. 2, 3 / we have a strip line of 50 ohms, i.e. matched to output connectors.

Далее экспериментально показано, что при вращении полосковой линии с диэлектрическим вкладышами волновое сопротивление линии изменяется в незначительных пределах, т.к. величина КСВ не становится хуже 1,45 в широкой полосе частот /фиг. 4/. Величина изменения фазы в зависимости от угла поворота пластины имеет линейный характер на большом участке графика фазовой характеристики /фиг. 5/. На этом же участке /назовем его рабочим участком/ величина КСВ в 10% полосы частот изменяется в пределах от 1,1 до 1,25 /фиг. 4/. Further, it was experimentally shown that when the strip line with dielectric inserts rotates, the wave impedance of the line changes to insignificant limits, because SWR does not get worse than 1.45 in a wide frequency band / Fig. 4/. The magnitude of the phase change depending on the angle of rotation of the plate is linear in nature over a large portion of the phase response graph / FIG. 5/. In the same section / let's call it the working section / the value of the SWR in 10% of the frequency band varies from 1.1 to 1.25 / Fig. 4/.

Электрическая прочность фазовращателя выше электрической прочности прототипа, т. к. электрическое поле расположено с двух сторон симметричной полосковой линии. Возникновение паразитного типа поля в линии не произойдет, если соблюдена симметричность линии при изготовлении или если размеры корпуса

с учетом длины волны в диэлектрике.The electric strength of the phase shifter is higher than the electric strength of the prototype, because the electric field is located on both sides of the symmetrical strip line. The occurrence of a parasitic type of field in the line will not occur if the symmetry of the line is observed during manufacture or if the housing dimensions

taking into account the wavelength in the dielectric.

Источники информации
1. Справочник по элементам полосковой техники. Под ред. А.Л. Фельдштейна. М. Связь, 1979.Sources of information
1. Guide to the elements of strip technology. Ed. A.L. Feldstein. M. Communication, 1979.

2. А. с. СССР N 1243048, H 01 P 1/18, 1986. 2. A. p. USSR N 1243048, H 01 P 1/18, 1986.

3. А. с. СССР N 1238175, H 01 P 1/18, 1986, прототип. 3. A. p. USSR N 1238175, H 01 P 1/18, 1986, prototype.

Claims

A microwave phase shifter containing a grounded base, a strip conductor with leads that can rotate around its axis, and insulator liners, characterized in that the dielectric liners are located on both sides of the strip conductor and are rigidly attached to it, and the grounded base and strip conductor with inserts form a symmetrical strip line.